Cours de CFAO - Machines




INTRODUCTION A LA C.F.A.O

La conception et la fabrication assistées par ordinateur se définit comme l'ensemble des aides informatiques au bureau d'études. De l'établissement d'un cahier de charges relatif à un nouveau produit jusqu'à la génération des documents et des fichiers nécessaires à la fabrication.
La technique utilisée permet à l'homme et à la machine d'être liés pour résoudre un problème en utilisant au mieux les compétences de chacun. L'historique de la CFAO nous permet d'affirmer que ses débuts remontent aux années 70. Il a été dès lors possible de mettre en place des logiciels spécifiques destinés à résoudre le problème des surfaces complexes pour l'industrie aéronautique et automobile.
Les années 80 ont vu l'arrivée de la représentation 3D volumique (ou solide) qui permet une interprétation non ambiguë des pièces mécaniques.
La représentation 3D volumique se caractérise par la définition des lignes cachées, l'obtention automatique des coupes et sections… Malgré les progrès technologiques, force est de constater que vers le fin des années 80, la CFAO est restée essentiellement un outil de présentation des pièces et assemblages plutôt qu'un outil de conception. Au début des années 90, une nouvelle approche révolutionne la CFAO traditionnelle. L'idée est de ne plus considérer la géométrie comme l'information de base, mais plutôt d'interpréter la pièce comme un ensemble logique et cohérent de "fonctions mécaniques", la géométrie 2D ou 3D n'est plus qu'un attribut de ces fonctions.

Finalement la CFAO c'est :

 



1 - Avoir une idée
2 - Concevoir
3 - Fabriquer
4 - Assembler

2 = C.A.O

4 = F.A.O

C.A.O  +  F.A.O   =   CFAO






1     Organisation architecturale d'une Machine Outil à Commande Numérique


  Ordinateur                                                                 MOCN

                                   










2     Les différents types de machines en fabrication

2.1 Les machines traditionnelles

2.1.1Le tour traditionnel




Cette machine sert principalement à usiner des pièces de révolution. La pièce est fixée dans le mandrin. Celui-ci est mis en rotation par le moteur de broche.
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2.1.2La fraiseuse traditionnelle




Cette machine sert principalement à usiner des pièces prismatiques. La pièce est fixée dans l’étau. L’outil est mis en rotation par le moteur de broche.
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Sur ces deux machines le déplacement de l’outil sur la trajectoire d’usinage est réalisé par un opérateur. Pour cela, il utilise les manivelles permettant de générer les mouvements suivant les axes. Les mouvements ne sont possibles que sur un seul axe à la fois. Des moteurs permettent aussi de choisir des vitesses d’avance suivant les axes de déplacements. Le choix de ces vitesses s’effectue par l’intermédiaire d’une boîte de vitesse mécanique.

2.2       Les machines à commande numérique

Le déplacement de l’outil sur la trajectoire d’usinage est décrit par l’opérateur à l’aide d’un programme. On utilise pour cela les coordonnées des différents points de passage de l’outil par rapport à la pièce. Les mouvements sont possibles sur plusieurs axes simultanément.
Les mouvements sur les axes sont générés par des moteurs qui permettent aussi de choisir des vitesses d’avance.

Fraiseuse à commande numérique

jeulin tour

Tour à commande numérique
 fraiseuse micrelec

tournagecn
ugvbis


3     Les axes de déplacements

3.1      Tournage

Afin de décrire la trajectoire suivi par l’outil pour usiner la pièce, un système d’axe est normalisé.
En tournage, l’axe de broche correspond à l’axe de rotation de la pièce.
L’axe Z correspond à l‘axe de broche. L’axe X correspond à l’axe perpendiculaire à Z.
Le sens positif est donné suivant cette règle : la pièce étant la référence, l’outil s’éloignant de la pièce est en mouvement suivant le sens positif des axes.
Les axes Z et X définissent un plan. Cela est suffisant pour décrire une trajectoire plane, et donc générer un volume de révolution autour de l’axe de révolution (qui est l’axe de broche).
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3.2      Fraisage

Afin de décrire la trajectoire suivi par l’outil pour usiner la pièce, un système d’axe est normalisé.
En fraisage, l’axe de broche correspond à l’axe de rotation de l’outil.
L’axe Z correspond à l‘axe de broche. L’axe X correspond à l’axe perpendiculaire à Z qui permet le plus grand déplacement de la table de la fraiseuse.
L’axe Y correspond à l’axe perpendiculaire à Z et X.
Le sens positif est donné suivant cette règle : la pièce étant la référence, l’outil s’éloignant de la pièce est en mouvement suivant le sens positif des axes.
Les axes Z, X et Y définissent une base en 3 dimensions.
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4        Les différents type d’outils

Les outils permettent d’enlever le copeau. La géométrie de l’outil influe directement sur les formes usinables sur la pièce. Ceci vous sera présenté plus loin. Tout d’abord, on va s’attarder sur les outils eux-mêmes.

4.1      Les matériaux à outil

4.1.1       ARS

ARS = acier rapide supérieur
Les outils en ARS sont constitués le plus souvent d’un barreau monobloc en acier rapide supérieur, l’arête de coupe est affûtée.
Foret ARS
Fraise 2 tailles ARS
Fraise 3 tailles ARS
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4.1.2       Carbure

Pour améliorer les performances des outils, l’arête de coupe est placée sur une plaquette amovible en carbure. Ce matériau est très résistant par rapport à ARS. La plaquette carbure est obtenue en compressant différentes poudres de carbure. Dès que l’arête de coupe est usée, il suffit de changer la plaquette.

Fraise 2 tailles (Carbure)
Outil d’ébauche (Carbure)
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5   Les formes simples usinables et les outils associés

Le déplacement de l’outil suivant les axes définis précédemment permet de générer des formes usinées.
Voici une liste des principales formes que vous allez rencontrer pendant les TP. On trouve aussi le vocabulaire technique qui est associé à ces usinages.

5.1      Tournage


Dessin
Opération
Outils utilisés
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Dressage
C’est la réalisation d’un plan perpendiculaire à l’axe de la pièce. (surface rouge)
A5Outil à charioter coudé
Chariotage
C’est la réalisation d’un cylindre ayant le même axe que celui de la pièce. (surface grise)
A4Outil à charioter droit
Plan épaulé
C’est l’association d’un dressage et d’un chariotage. (surface verte)
A8Outil à dresser les angles


 
A2Outil couteau
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Perçage
C’est un trou dans la pièce. Il peut être débouchant ou borgne. Attention en tournage, l’axe du trou est confondu avec l’axe de la pièce.
  image014   image018      image020       A11





Foret à centrer

Foret

Alésoir

Outil à aléser
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Les gorges
C’est l’association de 2 plans parallèles avec un cylindre (surface vertes)


 
A13A12Outil à saigner            outil à tronçonner
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Quelconque
C’est l’association de plusieurs surfaces élémentaires : sphère, cylindre, plan, cône …

5.2      Fraisage


Dessin
Opération

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Surfaçage
Le surfaçage c’est l’usinage d’un plan par une fraise. (surface rouge)


  
                   Fraise à surfacer
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Plans épaulés
C’est l’association de 2 plans perpendiculaires (surfaces vertes)
     image048   Fraise de tailles        
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Rainure
C’est l’association de 3 plans. Le fond est perpendiculaire au deux autres plans. (surfaces vertes)
   image048   image006Fraise 2 tailles

Fraise 3 tailles
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Poche
La poche est délimitée par des surfaces verticales quelconque (cylindre et plan). C’est une forme creuse dans la pièce. (surface cyan)
   image048   Fraise 2 tailles
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Perçage
Ce sont des trous. Ils sont débouchant (surface bleu) ou borgnes (surface jaune).
   image018    image020   image048
  Foret

Alésoir

Fraise 2 tailles (pour le plastique)



 

6      Les porte-outils

Il existe différent système pour placer les outils sur la machine, voici un petit récapitulatif non exhaustif.
Nom / utilisation
photos
Porte pince
(tournage / fraisage)
Cela permet de monter une fraise ou un foret sur une machine.
L’outil est placé dans la pince. La forme conique de la pince associée au serrage d’une bague permet le serrage de l’outil.
ATTENTION, la pince est choisie en fonction du diamètre de la queue de l’outil.



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Mandrin de perçage
(tournage / fraisage / perçage)
Cela permet de monter un foret sur une machine.
On utilise la clé de mandrin pour serrer le foret.

 
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Adaptateur de cône
(tournage / fraisage / perçage)
Certain outil comme les forets de diamètre supérieur à 13 mm ont des embases coniques.
Ces cônes nécessitent parfois des adaptateurs suivant les machines.
Pour désolidariser le cône et le foret, on utilise un chasse-cône. Il suffit de l’enfoncer dans la lumière latérale et de frapper à l’aide d’un maillet.
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7         Les paramètres de coupe

7.1 Principe

Une lame d’outil pénètre dans la matière et enlève un copeau.
L’outil suit une trajectoire par rapport à la pièce à usiner. Ces mouvements sont assurés par les éléments constitutifs de la machine outil.
Pour obtenir un travail satisfaisant (bon état de la surface usinée, rapidité de l’usinage, usure modérée de l’outil, ...) on doit régler les paramètres de la coupe.
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7.2  Analyse tournage, Fraisage

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Il y a plusieurs critères qui permettent de définir les paramètres de la coupe, notamment :

7.2.1  Vitesse de coupe

C'est l'espace parcouru en mètres par l'extrémité d'une dent de la fraise en une minute.  Si d est le diamètre de la fraise et n le nombre de tours
par    minute, on a :
Vc = ¶ x d x n

¶d : espace parcouru en mètres pour un tour  -  n : fréquence de rotation en tours par minutes

La vitesse de coupe a une influence capitale sur la durée de vie des outils.  Elle varie notamment avec la matière à usiner, le matériau de l'outil, la nature de l'opération (ébauche ou finition), les conditions de lubrification (travail à sec ou lubrifié).
Tableau des vitesses de coupe et de l'avance par dent pour les outils en ARS

Tournage
Matières
Vitesse de coupe en mètre/minute
Avance par dent en millimètre

Ebauche
Finition
Acier E24
30
45
0,1
PVC
90
150
0.3
Nylon PA6
90
120
0.2
Plexi PMMA
75
90
0.2
Laiton UZ30
70
110
0.3
BronzeUE12P
32
43
0.2
Dural AU4G
200
250
0.3

Fraisage en bout
Acier E24
29
40
0.11
PVC
200
300
0.2
Nylon PA6
100
200
0.15
Plexi PMMA
60
80
0.15
Laiton UZ30
72
95
0.09
BronzeUE12P
23
31
0.07
Dural AU4G
150
190
0.07

Perçage
Acier E24
25
0.025
PVC
60
0.02
Nylon PA6
30
0.02
Plexi PMMA
40
0.02
Laiton UZ30
45
0.03
BronzeUE12P
20
0.037
Dural AU4G
65
0.032

 7.2.2  Détermination de la fréquence de rotation

La vitesse de coupe Vc étant donnée par des tableaux, il convient de déterminer la fréquence de rotation n.


Vc vitesse de coupe en mètres par minute  -  d : diamètre de la fraise en millimètres.

7.2.3  AVANCE

L'avance s'exprime par le déplacement de la pièce en millimètres pour :

q  Une dent, c'est l'avance par dent fz.
q  Un tour, c'est l'avance par tour f
q  Une minute, c'est l'avance par,  minute Vf.


Vf = fz . Z . n

Z = nombre de dents de la fraise

Lorsque l'on a calculé l'avance qui est exprimé en mm/mn, il est facile de déterminer le temps d'usinage.



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