sys849 4 usinage partie 2

8/17/2019 SYS849 4 Usinage Partie 2

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4-2-1MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techniqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age II

MISE EN FORME PAR USINAGE II:

Qualité, vie des outils et coûts

Techniques avancées de mise en forme

4-2-2MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I

Contenu1. Précision et fini de surface des pièces

2. Outils de coupe

3. Usure et vie des outils de coupe

4. Aspects économiques de l’usinage

5. Usinabilité des matériaux6. Critères limitatifs des machines et choix des conditions de

coupe

7. Quelques études de cas en usinabilité


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Qualité des pièces

Source: Groover, Fundamentals of Modern Manufacturing, John Wi ley & Sons, 2002

Spécifier les tolérances et finis de surface les plus larges possibles selon la performance requise pour lescomposantes et en relations avec les procédés.

4-2-4MEC-780 – Concept ion pour la fabr icat ion et l ’assemblage - DFMA SYS-849: Techn iqu es avan cées d e mis e en form e: Usin age I

Précision & fini de surface• Spécifier les tolérances et finis de surface les plus

larges possibles selon la performance requise pour lescomposantes.

0.025 à 0.05 mm (0.001-0.002 in) Difficiles

moins de 0.0127 mm (0.0005in) Très difficiles

demande un bon équipement rigide, précis et un opérateur bien qualifié

---> accroissement significatif des coûts d’usinage

Tolérances d’usinage


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États de surface usuels

Source: Boothroyd et al., Product Design for Manufacture & Assembly, Marcel Decker, New York, 1994


Influence de Ra sur le coût

r f

0.0321 Ra2

f: vitesse d’avance en mm/tr r: rayon de l’outil ou des plaquettes

En tournage avec un outil ayant un rayon au bec (r),la rugosité est donnée par l’expression empirique

Le temps d’usinage peut être relié à l’avance par:

w

wm

n f

l T

(a)

(b)

lw: longueur de la pièce et nw la vitesse de rotationSi on remplace f tiré de (a) dans (b) on a :

r Ran

l 0.18T

w

wm

0

12

3

4

56

7

8

910

11

0 2,5 5 7,5 10 12,5

Rugosité moyenne: Ra ( m)

C o

û t p a r p

i è c e

( $ )

Coûts non productifs

Coûts d'usinage

Fig. 7.48 : Influence de ra sur les coûtsRayon au bec de l’outil: r = 0.762 mm vitesse de rotation: 200 rpmlongueur de la pièce: 864 mm

Source: adapté de Boothroyd


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Fini de surface


Fini de surface théorique

32

2 2

a f f

R 0.0321r r

Tournage

f: avancer : rayon de nez de l’outil

642*

f 2

a 2

0.0 V R

D N

Fraisage et outils à dents multiples

Vf: avance par dent

N: Vitesse de rotation D: Diamètre de l’outil

Multiplier la valeurcalculée par le rapportdonné à la figure 16.37


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Géometries des outils de coupe

642*

f 2

a 2

0.0 V R

D N

Fraisage etoutils à dents multiples

Vf: avance par dent N: Vitesse de rotation D: Diamètre de l’outil

Multiplier la valeurcalculée par le rapportdonné à la figure 16.37




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Usure des outils (2)

Temps de coupe

U s u r e

( V B o u

K T )

U s u r e

( V B o u

K T )

Usureà taux d’usure constant

Vitessecroissante V3 V2 V1 V1> V2>V3

T1, T2 et T3: durée de vie des outilsTemps de coupe

T3 T2 T1

Critèrede vie


Vitesse de coupe

V i e

d e

l ’ o u

t i l ( m i n ) T5

T3

T2T1

T4

V1 V2 V3 V4 V5

Echelle Log

Vie utile des outils

Log (Vc)

L o g

( T )

X

Y

cteC VT n Loi de Taylor

15

15

T T V V

Y X

tan( β n )


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Paramètres de Taylor


cteC VT n En généraln 0.125 outil en acier au carbonen 0.09 à 0.14 acier rapiden 0.25 à 0.3 carburen 0.5 à 0.6 céramique


Coûts d’usinage • Coûts non productifs : chargement,

déchargement, montage, mouvementsrapidesd’approche, retour de la table. Cescoûts sont indépendants des paramètres decoupe.

• Coûts des outils : prix des plaquettes, des porte-outils, coûts des changementsd’outils, coûtsd’affutage .

• Coût d’enlèvement de métal : Décroîtquand la vitesse augmente.

Les coûts des outils et le coûtd’enlèvement de métal dépendent des conditions et paramètres de coupe.

VitesseéconomiqueV min

Coût des tempsnon productif

Coût totald’usinage


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Courbe de productivité maximale

Vitessede production maximale

V max

Productivité

Débit

temps de changement d’outil Vie utile de l’outil

Vitesse

p

T t

t )60(1

Pr ct

Le nombre de pièces produites par

heure (Pr) est donné par

tct: temps de changement de l’outil T : Vie utile de l’outil tp: Temps total par pièce incluantle temps d’usinage et les temps non productifs


Economical speed Max. productivity speed

C o s

t p e r p i e c e , $

P r o

d u c t

i v i t y :

P i e c e s /

h o u r

C u t t i n g c o s t

Cutting speed

Non-cutting cost

T o o l

c o s t

Total machining cost

P r o d u c t i v

i t y

n

n1

t ct min 1) )( C (Mt

M C V

esse conom que evitesse de production maximale

V min V max

n1)( t C

V n1

ct max

Avec:

M: Coûts d’opération : opérateur + machine C: Constante dans la loi de Taylor: VTn = Cn: exposant de Taylor : VTn =C = ctetct: Temps de changement de l’outil Ct: Coût initial des outils (à l’achat)


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Usinabilité des Matériaux

Vitesse pourle matériau testé

VitesseMatériau de REF(acier au carbone1112

Pour une viede l ’outil fixée(60 min)

0/V V M

Source: Groover M. P., 2012, Introduction to Manufacturing Processes, John Wiley & Sons Inc.


Définitions de l’usinabilité

Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ON

• BUE tendency• Chip formation• Burr formation


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Ex. Usinabilité des aciers à moulesP-20 (34 Rc)

TH-100 (33 Rc)

NAK 80 (40 Rc)

KAPSTAR (40 Rc)

Tool life-cutting speed coefficients Exponent “n” 0.53 0.424 0.625 0.31Constant “C” 2806 1283 2338 854.6

Costs dataK : labour rate ($/hr) 50 50 50 50Tool indexing time (min)

3 3 3 3

Tool cost ($/edge) 7 7 7 7Optimal speeds

M in. speed (sfm) 823 401 703 314

M ax. speed (sfm) 1671 707 1619 474

Unit machining costs ($/in3/edge)Based on economical speed

1.82 3.14 2.59 3.47

Based on m ax speed 2.04 3.54 2.86 3.89

Based on an ar bitrar y speed of 700 sfm

1.88 3.52 2.59 6.33

Machining cos ts for 100 mou lds requir ing the removal of 1 cubic

feet of metal on each Speeds

Econ omical speed 314 k$ 543 k$ 448 k$ 600 k$Max pr oductivity 352 k$ 612 k$ 495 k$ 673 k$ Selected speed of 7 00 sfm 325 k$ 608 k$ 448 k$ 1 093 k$

Usinage de aciers à moules

Outils en carbures revêtusde TiN

cteC VT n

Loi de Taylor


Usinabilité des alliages d’aluminium • Les alliages d’aluminium ont généralement une

bonne usinabilité: – Vie élévée des outils de coupe; – Forces de coupe réduites; – De très grandes vitesses de coupe peuvent être utilisées:

10000 -12 000 sfm (3000-3500 m/min)• Des problèmes potentiels avec:

– Le contrôle et la gestion des copeaux ; – Arrête rapportée: le matériau de la pièce adhère à l’outil et

cause une détériolation du fini de surface; – Formation des bavures: leur enlèvement est coûteux et non

productif; – Les alliages eutectics et les hyper-eutectics — Usure abrasive.


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Usinabilité: Acier à moule P20



Usinabilité des matériaux durs



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Usinabilité des aciers inoxydables



Usinabilité des fontes

Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI, ONPlus ductile ( A% = 10 à 20%)que la fonte grise

Très dure (400-600 HB) et fragile(effet de Fe3C)Très difficile à usiner

Très résistante à l’usure

• Résistance élevée• Bonne ductilité et malléabilité


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Vitesse = f(matériau de l’outil)


PCD sur aluminium : 10000 à 12 000 pieds/minCéramiques et Si 3 N 4 sur aciers et fontes: 800 à 3000 pieds/minCarbures sur aciers et fontes : 1000 à 3000 pieds/min

Acier rapide sur aluminium : 200 pieds/min

2004


• La puissance maximale: hp• Vitesse de rotation : N• Vitesse d’avance max: F

• Dimensions max de la table• Couple max

r res m a sdes machines-outils


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Vitesses de coupedes matériaux - aéronautique

Vitesse de coupe (m/min) pour outil en carbure

Matériaux Tournage(profondeur = 2.5 mm)

Fraisage de bout(profondeur = 3 mm)

Aluminium 7075-T6 (- 150 BHN) 600 130

Inconel 700 (300-400 BHN) 135 1 à 2

Monel 400 (115-240 BHN) 60-80 9

Hastelloy et inconel 600 (240 –310 BHN) 30 3 à 4

René 41 (300-400 BHN) 135 1 à 2

Ti-6Al-4V (325-350 BHN) 48 12

Inox 17-7 PH (375-440BHN) 60 11

Inox aust. 310 (225-275 BHN) 110 12


Puissance de coupe• Puissance requise pour la coupe

w sm Z P hp P )(Ps (hp/in3/min) : puissance spécifique par unité de volume de matériau usiné.

Zw (in3): débit du copeau ou tauxd’enlevement de métal

Puissance électrique consommée:

E P

P me Générallement E varie entre 70 et 80 %

E : éfficacité de transmission de puissancemoteur-broche-outil.

1 hp = 745.7 watts


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Puisances spécifiques (hp/in 3/min)

Matériaux Examples Dureté Tournage et Perçage Fraisage

(Bhn) alésage

Acier au carbone (bas % C) 1006, 1010 150-200 1,10 0,95 1,10

Acier au carbone (% c moyen ou haut) 1095, 1108, 1151 200-250 1,45 1,40 1,60

Aciers alliés 1320, 4140, 4340, 5115 150-200 1,30 1,15 1,30

Acier inox. Ferritique 405, 430, 446 135-185 1,55 1,35 1,70

Aciers à outils H13, HSS, O2, D2, P20 200-250 1,45 1,40 1,50

Alliages de nickel INCONEL, RENE 41 80-360 2,25 2,00 2,15

Alliages de titane Ti-4 Al-4V 200-275 1,35 1,25 1,25

Alliages de cuivre Cuivre, laiton, bronze 40-150 0,72 0,54 0,72

Alliages de zinc ZA8, ZA27, ZAMAC 3 80-100 0,30 0,20 0,40 Alliages de magnésium AZ31, AZ91 40-90 0,18 0,18 0,18

Alliages d'aluminium A 356 , 6061 30-80 0,28 0,18 0,36

Source: Boothroyd et al., Product Design for Manufacture & Assembly, Marcel Decker, New York, 1994


Débits de coupe: ZW • Tournage: Z = V· f· d (mm3 /min)• Perçage: Z = (D2 Vf )/4 (mm3 /min)• Fraisage: Z = W·d·Vf (mm3 /min)

d : profondeur de coupe (mm)

• V: vitesse de coupe (m/min) = D N• f: Avance de l’outil (mm/tr, mm/dent) • Vf : vitesse d’avance (mm/min) = f N ou f N n t • N: vitesse de rotation (tr/min)• D: diamètre de l’outil (mm) • nt: nombre de dents de la fraise


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20/51

Usinage de moules: tout un défis

La fabrication des moules est une activité technologiquementdemandante du point de vue outils, machines et stratégie de coupeLes erreurs peuvent être très couteux.Objectifs: Vitesse; Précision et parfaites surfaces sans retouchescoûteuses.

Design:• Répondre à des critères de plus en plus sévères.

• Élaboré au moyen de systèmes CAO,• Programmes d'usinage issus de postes FAO• Formes arrondies de plus en plus demandées,• Précision de plus en plus grande.

29 mai 201439

Différences fondamentalesUsinage classique: enlever 10 à 15 % de matièrepour créer une pièce finie,Usinage de moules : retirer jusqu’à 80 ou90 % de la masse d’origine.Logiciel d’usinage de moulesdoit être bien adapté à l’enlèvement de matière:

en grande quantité,à grande vitesse,avec une grande précision.

Image - http://www.solidcam.com/fr/temoignages/applications-speciales/usinage-de-moules-et-de-matrices

• Grandes cavités;• Fabrication des électrodes et de surfaces 3D;• Des poches et des profils;• De nombreux trous de perçage.

Fabrication desmoules

Caractéristiques de l’usinage de moule

29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information40


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MOULES POUR INJECTION PLASTIQUE

Défis et stratégie:• Usiner avec un débit copeau maximal durant l’opération

d’ébauche• Obtenir une surface parfaite en un temps réduit en opérations

de finition.• Meilleurs outils (FAO, outils de coupe) et stratégies de coupe

Image, Usinage des moules et matrice Member IMC Ingersoll Cutting Tools - http://www.ingersoll-imc.de/fileadmin/user_upload/pdfs/en_fr/mould-die-production-fr.pdf

29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 41

Repartition typique du tempsde cycle de fabrication de moules

29 mai 2014

L’usinage compte pour 65 % dutemps de fabrication et polissagedes moules ; Une bonne stratégie d’usinage

pourrait réduire les coûts et le temps de polissage

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

Conception/Design Programmation CNC Usinage

20%15%

65%

% t e m p s t o t a

l

Répartition temps de fabricatrion des moules

VSongmene- Alliance Monde 42

La finition et le polissage consommennt unetrès grande portion du temps de productiondes moules; L’usinage à 5-axes peutcompresser le temps de polissagemanuel.

Adapté de Tonshoff H.K. et al., New Approaches in Finishing-Polishing of Molds using NCBelt Grinding, Proc. Int. Conf. on Advanced Technology for Die and Mold Manufacturing,Colombus, Ohio, Oct 11/12, 1993

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Copy milling 3-axis NCmilling

5-axis NCmilling

Rework/polishing

Milling

Model/programming

Time compression72%

T i m e s h a r e

( % )

Polissage


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Configurer les parcours d’outil : • l’ébauche et la ré -ébauche avec les outils les plus

gros,• terminer avec un outil plus petit,• laisser au logiciel le soin de détecter

automatiquement la matière résiduelle.

L’usinage d’un moule complexe peutprendre des heures ou des jours

Priorité à la vitesse.


L'importance de l'Usinage à Grande Vitessepour les moules et les matrices

L‘UVG prend de l'importance dansl'usinage des moules et des matrices.

Peut être utilisée aussi bien enébauche qu' en finition

L'intelligence et la puissance de l'usinage 5 axes

continuentL'usinage 5 axes continus devient de plus en plus populaire• Réduction du temps de cycle,• Obtention de meilleur état de surface• Accroissement de la durée de vie des outils.

Image - http://www.solidcam.com/fr/temoignages/applications-speciales/usinage-de-moules-et-de-matrices



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De nouveaux Forets pour l'usinage de mouleset matricesUsinage possible de trous profonds de haute précision des moules et matrices.Élimine la nécessité d'un traitement thermique.Un usinage stable peut être obtenu grâce à une géométrie unique de l'arête decoupe et une goujure à double listel.


Usinabilité des aciers à outils

29 mai 2014

Propriétésrecherchées

Influencesur les aciers

Influence sur l’usinabilité

Ténacité élévée Pureté del’alliage

Mauvaise segmentationdes copeaux,

copeaux longsRésistance àl’usure élévée

Beaucoupd’inclusions

Courte durée de vie des outils

Pas de necessitéde traitement deducricisssementsubséquent

Dureté élévéede l’acier

Courte durée de vie des outils

,Sandvik Coromant: Modern Metal Cutting, p. II-49

ETS/VS/Atelier d'information 46


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Usinabilité des aciers à outils/moules

29 mai 2014

Propriétés du matériaux quiaffectent l’usinabilité

Dureté et dureté de surfaceInclusions: quantité et typesTenacitéDureté à chaudÉcrouissabilitéRésistance (écoulement et mécanique)Homogénéité de la stuctureÉlementsd’alliage : types et quantitéTraitements thermiques

MicrostructureComposition chimique

Élements affectantnégativement l’usinabilité

Mn, Ni, Co,Co, Cr, V, Mo, Nb, WC > 0.60%C < 0.30 %

Éléments affectantpositivement l’usinabilité

Plomb

SoufrePhosphoreCarbone : C entre 0.3 et 0.6%

ETS/VS/Atelier d'information 47

De nouveaux outils (géométrie, revêtement) sont développés pour l'usinage des moules• Amélioration de la vie utile,• Évacuation des copeaux.• Permettre l’usinage de trous profonds

29 mai 201448

Les outils de coupepeuvent tout changer

Performance du foret MHS surun acier à moule (45HRC)


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29 mai 2014

Mieux utiliser les outils de coupe

Bonne

vitesse58%

Mauvaise

vitesse42%

Utilisation -vitesse recommandée

Vie complète

38%

Vie noncomplète

62%

Utilisation -vie utile de l'outil

Sondage fait par : Armagero, 1996 Aux états-Unis

Chacune de ces pratiques entraîne:- Perte de productivité- Perte de qualité- Durée de vie écourtée- Accroissement des coûts de fabrication.- Entreprises moins compétitives- Non respect des délais

VSongmene- Alliance Monde 2014: Optimisation de l'usinage 49

Les conditions d’usinage recommandées par lesmanufacturier des outils sont des valeurs de départ à partirdesquelles l’optimisation doit se faire

Facteurs de performanced’usinage affectés par l’usinabilité $$$ (coûts, productivité,compétitivité, profitabilité,etc..)

Vie utile des outilsProductivitéQualité des piècesGestion des copeauxGestion des huilesEnergie

Economical speed Max. productivity speed

C o s

t p e r p i e c e , $

P r o

d u c t i v

i t y :

P i e c e s /

h o u r

C u t t i n g c o s t

Cutting speed

Non-cutting cost

T o o l

c o s t

Total machining cost

P r o d u c t i v

i t y

V min V maxVmin et Vmax dépendent de l’usinabilité et des coefficients de la loi de Taylor



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Ex. Usinabilité des aciers à moulesP-20 (34 Rc)

TH-100 (33 Rc)

NAK 80 (40 Rc)

KAPSTAR (40 Rc)

Tool life-cutting speed coefficients Exponent “n” 0.53 0.424 0.625 0.31Constant “C” 2806 1283 2338 854.6

Costs dataK : labour rate ($/hr) 50 50 50 50Tool indexing time (min)

3 3 3 3

Tool cost ($/edge) 7 7 7 7Optimal speeds

M in. speed (sfm) 823 401 703 314

M ax. speed (sfm) 1671 707 1619 474

Unit machining costs ($/in3/edge)Based on economical speed

1.82 3.14 2.59 3.47

Based on m ax speed 2.04 3.54 2.86 3.89

Based on an arbitr ary speed of 700 sfm

1.88 3.52 2.59 6.33

Machining cos ts for 100 mou lds requir ing the removal of 1 cubic feet of metal on each

Speeds

Econ omical speed 314 k$ 543 k$ 448 k$ 600 k$Max pr oductivity 352 k$ 612 k$ 495 k$ 673 k$ Selected speed of 7 00 sfm 325 k$ 608 k$ 448 k$ 1 093 k$

Usinage de aciers à moules

Outils en carbures revêtusde TiN

cteC VT n Loi de Taylor


Usinabilité: Acier à moule P20

Songmene v., 2000, Machining conditions optimization seminar, IRDI,



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Étude de cas: Kientzy (2008)

Kientzy G., Étude comparative de l’usinage à sec et lubrifié des aciersà moules : Usinabilité et coûts , Mémoire M. Ing, ETS, Montréal, Canada,Juillet 2008.

Jury: V. Songmene, A. Tahan , H. LeHuy (Sorel Forge)

Procédés étudiés : Fraisage et perçageIndices d’usinabilité

Usure et vie utile des outils de coupeEfforts de coupeForme des copeaux

Fini de surface des piècesParamètres variésVitesse de coupeMode de lubrification.Matériaux: Aciers à outils (300 HB, 341 HB et 352 HB)


Matériaux étudiés



28/51

Kientzy: Efforts de coupe


Kientzy: Efforts de coupe



29/51

Kientzy: Usure des outils


Kientzy: Vie utile des outils



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Kientzy: Modèles de Taylor

Les paramètres de Taylor sont sensibles aux matériaux;Les conditions de coupe modifient les paramètres de Taylor:Optimisation difficiles sans essais


Aux hautes vitesses de coupe, le fluide devient inéficace, les differencesentre les aciers s’amenuisent et la vie des outils devient courte



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Kientzy: Fini de surface

29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information

La lu brification améliore le fini et devrait donc réduire le temps de polissage des moules 61

Kientzy:Les coûts d’usinage varient avec:

Les matériaux

Le mode delubrification;

La vitesse utiliséeLa non utilisation de fluidede coupe génère des gains

pouvant atteindre 20% ducoût d’usinage pour desvitesses de coupe de l’ordre de 200 m/min, pour SF5 etSF2312



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33/51

Amélioration de l’usinage

Lubrification: OUI ou NONAmélioration de la qualité de production

Amélioratin des aspects de santé et desécurité


Rôle du fluide de coupe

Refroidir la pièce et l’outil

Lubrifier l’interface outil -copeauL’huile

L’eau

Fluide à base d’eau Fluide à base d’huile

4. Amélioration de la qualité de productionb) Usinage à lubrification minimale (MQL)

Marek Balazinski, Cours fabrication mécanique avancée, École Polytechnique


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Processus d'usinage: sec ou lubrifié

• Évacuation des copeaux• Durée de vie• Productivité • Forces de coupe

• Qualité des pièces• Coûts d'usinage

Qu' en est-i l ?

Problèmes liés avec l’utilisationabondante de fluide de coupe

Coûts: le coût du fluide de coupereprésente jusqu’à 16 % du coût total

d’une pièce (seulement 4 % pour le

coût des outils de coupe).

Pollution: responsable d’unebonne partie de la pollutionindustrielle, pollution de l’air (coûtsde traitement des déchets)

Utilisation restreinte par des loissévères (surtout en Europe)


35/51

Solutions L’usinage à sec Lubrification de précision (lubrification sous pression directement dans la zone de coupe ) Lubrification minimale (LM). Minimum Quantity Lubrication (MQL)

Sorti e du flui de 1

Sorti e du flu ide 2

Marek Balazinski, Cours fabrication mécanique avancée, École Polytechnique

Risques de l’utilisationdu liquide de

refroidissement

Sans danger

Respectueux del'environnement

Longue dur é e devie

É fficacit é de la production

Dioxine (liquide derefroidissementcontient le chlore)

Pollution

co û t é lev é

Feu (liquide derefroidissement à base d'huile)

MQL


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Les avantages et les désavantages de la lubrification minimale

Avantages :performances de la lubrification minimale sont similaires à la lubrificationabondante ;lubrification minimale assure de meilleures performances que l’usinage à sec ; moins de dommages environnementaux– moins de fluide employé ;réduction des coûts comparé à la lubrification abondante ;

Inconvénients :nombres limités d’applications et de données de production ; peu de recherches scientifiques ;problème d’évacuation du copeau ; émanation de poussières nanométriques ;

À Sec MQL Lubrifié

Brut Achat lubrifiant Traitement Application Nettoyage Décontamination

Application de lubrification minimale

Marek Balazinski, Cours fabricat ion mécanique avancée, École Polytech nique


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K. Weinert et al. (2004)

MQLUsinageconventionnel

Principe du système MQL

Contrôle et gestion des copeaux



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Contrôle et gestion des copeaux

Le secret de son efficacité est sa capacité à concentrerl’action du liquide cryogénique dans la plaquette de coupe.

(Image) Machines Production 921 du 08/04/11, page 47. Copyright SOFETEC 2011 - 2012

VIDEO

4. Amélioration de la qualité de productionc) Usinage cryogénique


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procédé de réfrigération del’usinage

Augm enter les vi tesses deco up e, don c la p rod uct ivit é,

Prolonger la vie des outi ls .

Met en œuvre un liquide à base

d’azote qui abaisse fortement

(jusqu’à -200 °C) la température

de l’arrête de coupe de l’outil

Usinagecryogénique

Intérêts

Filtrat ion,

Élimination des b oues,

Essorage des copeaux

Co ûts liés à la c on so m m ati ondes pom pes hydrau l iques ,

Manutention et le transport deslubrif iants

L'u sin age cr yog éniq ue dev ient

enco re plus c om pétiti f lors qu e l'on

co ns id ère les co ûts

en vi ro nn em en tau x li és à la

lubrif icat ion tradit ionnelle.

Coûtséliminés

Inconvénien t : Coûteux et set-up compliqué

Avantages de l’usinage cryogénique

Usinage Écologique comparé à l’usinage conventionnelle

• Amélioration de la durée de vie de l’outil (moins de sollicitationthermique)

• Amélioration de l’état de surface

• Réduction des effort de coupe grâce à la fragilité engendrée parrefroidissement

• Forme de copeau amélioré


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Images AFM de particules lors de l'usinage

Vitesse : 200 m/min

Zones typiques de production de particules

Djebara et al., ETS, 2012

6. Contrôle des émissions de particules en usinage

Image MEB du copeau montrant des particules émisesde la zone segmentée de copeau (Djebara, 2012)

29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information stratégique, 1er mai 201380

Djebara et al., ETS, 2012


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Forme des particules

29 mai 201481

R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013


Equipement de contrôle des nanoparticules enusinage

Particlesof 100 nm:1000 p/cm 3

Qualité de l’air – lab d’usinage -ETS


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l’influence de la vitesse et de l’avance sur les émissions de NPspour l’alliage Al6061-T6 (Khettabi et al. 2010a).

29 mai 2014ETS/VS/Atelier d'information 850 50 100 150 200 250 300

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10-5

Cutting speed (m/min)

D u s t

U n

i t D

u

Al 6061-T6

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Feed (mm/rev)Rake angle: -7o

Émission de particules en usinage haute vitesse

Fraisage grande vitesse de l'aluminium 6061-T6

Réduction des particules en utilisant des vitesses élevées,ce qui améliore également la productivité

Zaghbani, Songmene et al., 2009

Dust

Chip

m Du

m


44/51

Influence de la dureté des matériaux coupés

0

0.05

0.1

0.15

0.2

40 60 80 100 120 140

Dureté HRB

C o n c e n

t r a t

i o n

( m g

/ m 3 )

2 00 m/min 1 00 m/min

A319

6061-75HB

6061-95HB

6061-125HB

Aluminium alloys: 6061 & A319

Significant influence

Copper alloys:C661; C694, C360 & C642

No influence

Particules métalliques ( aérosols )

Effet de l'angle de coupe (rake angle) sur la tailledes particules

Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: + 7 °

Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: - 7 °

La plupart des particulesgénérées par les procédésd'usinage sont submicroniqueou des nanoparticules

5 -10 milliers particules/cm3 pour des particules de 20 nm

Material : 1018 steelSpeed: 200 m/minFeed: 0.002 in/revRake angle: - 7 °


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Effet de lubrifiant: cas des nanoparticules:10 nm à 1 mm

Fr ais ag e à se c6061-T6Speed: 300 m/minFeed : 0.125 mm

Fraisage lubrifié 6061-T6

Speed: 300 m/minFeed: 0.125 mm

Usinage lubrifié produit plus denanoparticules (20 - 700 nm)que l'usinage à sec, qui produit10 fois moins et leur tailles vontde 700 nm à 300 nm.

Cela confirme Sutherland et al.(2000): usinage lubrifié génère

plus des aérosols et les particules fines en suspensionque l'usinage à sec

Réduction des particules à l'aide des stratégies d’usinage à grande vitesse

12

8

1,2510,4

Aluminium (6061-T6) Aluminium (A356) Brass(70/30)Matériaux usinés

D u s

t e m

i s s

i o n

( m g

/ m 3 )

Approche traditionnelle - vitesse constante

Nouvelle approche - vitesse variable

91%95%

96%

Opération: PerçageDiamètre du forêt: 10 mmFluide de coupe : Non


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Influence de l’usure des outils


Figure 2 – Influence del’état de l’outil et des matériaux de la pièce sur les émissions de microparticules (P2.5)lors du perçage (Songmene et al., 2008).

Réduction des particules par un pré-refroidissement de la pièce

0

5

10

15

20

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30

Temperature (°C)

A v e r a g e c o n c e n

t r a t

i o n

( m g

/ m 3 )

Cutting speed : 188.4 m/minCutting depth : 12 mmFeed : 0.22 mm/rev

A356

6061-T6

0

5

10

15

20

6061-T6 A356 AZ91E Brass

Alloys

A v e r a g e c o n c e n

t r a t

i o n

( m g / m

3

22 °C

- 40 °C

93 %80 %70 %

Cutting speed: 184 m/minFeed : 0. 22 mm /revCutting depth: 12 mm

94 %

Le pré-refroidissement de la

pièce réduit l'émission des

particules de 70%

Copeau fragile

Copeau ductile

Source:Balout et al., 2007


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Cas spécifiques des nanoparticules:Choix de la métrique


Distribution ensurface spécifique (B =10 -9 )

Distribution en nombre (M = 10 6 )

Distribution en masse

direction prise par les particules émises lors derainurage (750 m/min, 0.165 mm/tr, diamètre d'outilde 19 mm)



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Facteurs déterminants les émissions deNPs

29 mai 201495

Pareto des effets standardisés

Diagrammes de Pareto des effets des facteursd’usinage sur les émissions de particules ( Djebara ,.2012) : concentration en nombre

Influence des procédés et des matériaux

29 mai 201496

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Concentration enNombre

Concentration enMasse

Surfacespécifique

20 24 -T 35 1 6 06 1- T6 7 07 5- T6

C o m p a r a

i s o n r e

l a t i v e

d e s

c o n c e n

t r a

t i o n s

d e p a r t

i c u

l e s

l’influence des matériaux sur les émissions de NPslors du fraisage des alliages d’aluminium parrapport à l’alliage 2024 -T351.

Comparaison des émissions de différentsprocédés en se servant du Dust Unit(Eq. 2); Khettabi et al. (2011).


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Remarques

Usinage à sec produit des particules métalliques: fines et ultrafines (aussi bas que20 nm).

L'usinage à sec et l’utilisation de certains paramètres conduisent à unchangement de la taille et de la concentration des particules.

Des travaux expérimentaux montrent qu'il est possible de réduire les émissionsde particules fines, sans effets négatifs sur la productivité et la qualité despièces:

Usinage avec des vitesses de coupe plus élevées ou début de l'usinage avec une vitesse decoupe basse et augmente lorsque l'outil est complètement engagé dans la pièce usinée.Sélection de la géométrie appropriée de l'outil et des paramètres d'usinageEn utilisant des procédés de pré-refroidissement de la pièce à usiner ou refroidir le copeau demanière à le fragiliser

L'étude sur les émissions de nanoparticules est à ses débuts et nécessite:Une procédure standard pour l'évaluation et la caractérisationLe développement de stratégies de contrôle et de réductionUn effort de collaboration de chercheurs multidisciplinaires

Effets de la vitesse et de l’avance sur le fini

29 mai 201498R. Kamguem, A, Djebara et V. Songmene, Advanced Manufacturing Technology, 2013


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Effets de la vitesse et de l’avance sur lesémissions des particules

29 mai 201499

N o m

b r e

M a s s e e t s u r f c a e s p e c

i f i q u e s


29 mai 2014100

Optimiser à lafois:

- Fini desurface

&

- Émissions departicules



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Fabrication durable et environnement-ÉTS

Développement des outils de contrôle et deprédiction des émissions;Développement des stratégies de réductionà la source des nanoparticules;Étude des efficacités des équipements deprotection contre les nanoparticules;Développement d’équipement de captation;Développement d’outils de modélisation et de simulation du comportement des nanoparticules

Protection de la qualité de l’air

Nanotoxicologie: Protection dela santé des travailleursOptimisation de la fabrication pourla rendre propre et concurrentielle

Projets visant le contrôle & la réduction des émissions de nanoparticules lors de lafabrication et la mise en forme d’alliages/matériaux exotiques

sys849 4 usinage partie 2

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