Logo ETI Quitter la lecture facile

publi-rédactionnel

L’Usinage Grande Vitesse : une technologie d’avenir !

Posté le par La rédaction dans Matériaux, Biotech & chimie

L’usinage, une technologie ancienne ? Laissez-vous surprendre !

L’usinage, fabrication de pièces par enlèvement de matière, est une technologie ancienne.

Ce terme d’usinage a souvent une connotation péjorative et évoque des images d’ateliers salles, bruyants, occupés par des machines compliquées à utiliser, dégoulinantes d’huile…

Mais, depuis quelques années, le terme UGV, Usinage Grande Vitesse, a fait son apparition.

Derrière ce concept ne se cache pas un terme « marketing » mais une véritable révolution technologique.

Chez DATRON, l’UGV, on ne connait que ça… et nous croyons en cette vision novatrice de l’usinage tant en termes de caractéristiques de coupe que d’optimisation et de rationalisation totale des process.

Petite histoire de l’UGV

Si les applications industrielles de l’UGV remontent seulement à la fin des années 80, ses racines prennent naissance dans les travaux de plusieurs chercheurs allemands à partir des années 20.

Ils vont s’intéresser à ce qui se passe lorsqu’on augmente les vitesses de coupe et constater que les efforts de coupe augmentent dans un premier temps pour baisser ensuite instantanément lorsqu’on dépasse une vitesse « critique ».

On peut ainsi citer les travaux de :

  • Salomon (1931)
  • M. Kustnezov (1947)
  • M. Kronenberg (1958)
  • M. Arndt (1972)

Les recherches de l’époque trouvent leurs limites dans les capacités alors restreintes des broches, CN, machines…

Mais en 1980, Mr Schulz est nommé professeur à l’institut PTW de l’Université de Darmstadt (Institut für Productiontechnik und Spanende Werkeug- machinen). Il lance une série d’études rendues possibles grâce à l’évolution des broches, CN, outils… qui aboutiront au développement de nouvelles machines conduisant l’UGV vers de véritables applications industrielles …

L’UGV va progressivement devenir un « must » dans de nombreux domaines, en répondant aux nouvelles exigences de l’industrie.

 

DATRON dans l’histoire de l’UGV

Notre Société, créée en 1959, est basée à Darmstat.

A l’origine fabriquant de composants pour l’électronique, DATRON va développer, en collaboration avec l’Université de Darmstadt, une nouvelle génération de centres d’usinage innovants pensés UGV.

Aujourd’hui encore, DATRON collabore sur de nombreux projets de recherche avec « the Machinery University » de Darmstadt.

 

Mais alors l’UGV, c’est quoi ?

L’usinage Grande Vitesse est une opération d’enlèvement de matière à des vitesses de coupe élevées.

On résume souvent l’UGV, à une méthode d’usinage qui favorise l’évacuation de la chaleur émise lors de la coupe vers le copeau plutôt que la matière usinée. C’est vrai ! Mais bien restrictif.

Grâce aux vitesses de coupe élevées, c’est l’ensemble des phénomènes intervenant entre la pièce, l’outil et le copeau qui différent de ceux observés en usinage conventionnel.

Si vous avez vu tourner des centres UGV et conventionnels, vous avez constaté une différence majeure d’aspect des copeaux :

À faible vitesse de coupe le copeau est continu et se forme par un phénomène mécanique de déformation et arrachement.

À vitesse de coupe élevée, se forment de petits copeaux fins qui semblent générés par une rupture du matériau plus que par une déformation et un cisaillement.


Pourquoi ces différences de copeaux ?

Les phénomènes mécaniques

La puissance absorbée par la coupe résulte principalement de 3 composantes :

  • Puissance due aux frottements.
  • Puissance nécessaire à la déformation plastique du matériau.
  • Puissance liée au cisaillement (rupture).

C’est sur l’équilibre entre ces trois composantes que diffèrent totalement usinage conventionnel et UGV.

En usinage conventionnel, le processus de formation du copeau est basé sur des déformations plastiques.

Lorsqu’on augmente la vitesse de coupe, dans un premier temps, les frottements et déformations augmentent ainsi que le dégagement de chaleur et les conditions de coupe vont se dégrader.

Mais si la force nécessaire à la déformation plastique augmente initialement avec la vitesse, elle baisse avec l’augmentation de température.

En augmentant encore la vitesse de coupe, la température prend le dessus jusqu’à réduire les efforts de déformation et de frottement.

On assiste à un basculement instantané de l’équilibre. Les frottements, efforts de déformation et de cisaillement baissent de façon soudaine et on entre dans la zone UGV, régit principalement par des phénomènes thermiques (phénomène d’impact proche de la fusion) :

  • Le copeau glisse mieux sur la face de coupe de l’outil
  • La puissance liée à la déformation devient négligeable
  • L’angle de frottement baisse
  • La force totale baisse
  • Le copeau devient moins épais
  • La réduction des efforts de coupe diminue les vibrations
Les phénomènes thermiques

En usinage conventionnel, l’énergie calorifique s’évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l’outil dans des proportions non négligeables (seulement 40% d’énergie évacuée par le copeau).

En UGV, la formation du copeau est différente, l’énergie de coupe s’évacue à plus de 80% dans les copeaux, lubrifiants… Ainsi, bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre copeau et pièce n’ont plus le temps d’avoir lieu : le matériau usiné ne chauffe pas.

Avantages de l’UGV pour l’industrie d’aujourd’hui :

Productivité accrue surtout pour les pièces complexes

Polyvalence : alliages légers, plastiques variés même fragiles ou thermosensibles (peek, coc…), composites (chargés époxy, graphite…)

Très bons états de surface, vous réduisez les traitements post-usinage (polissage). Possibilité de réaliser des effets de texture par gravure

l’UGV préserve l’intégrité des matériaux et leurs caractéristiques intrinsèques car la chaleur transmise à la pièce et les efforts mécaniques sont plus faibles limitant les modifications structurelles

Meilleures précisions, dans les matériaux mous, thermosensibles (cuivre, plastiques…), mais aussi de façon plus générale en limitant les déformations dues aux efforts de coupe mécaniques

Possibilité d’usiner des parois très fines grâce à la réduction des efforts et d’utiliser des micro-fraises, pointes à graver… grâce aux rotations élevées

Adapté au prototypage, à la réalisation de préséries et à la production avec des temps d’usinage extrêmement réduits pour les pièces complexes ou exigeantes en états de surface

Consommation d’énergie inférieure à l’usinage conventionnel

Les fabricants de centre d’usinage numériques plus conventionnels se sont intéressés à l’UGV espérant répondre à de nouveaux marchés.

Mais beaucoup ont monté une broche qui tournait vite sur des machines inadaptées aux exigences de l’UGV, souvent utilisées chez le client final comme une machine conventionnelle.

Cette nouvelle technologie nécessitait le développement de machines totalement « repensées » et optimisées.

La Technologie UGV DATRON :

La broche doit fournir de hautes vitesses de rotation pour atteindre des vitesses de coupe élevées. Elle doit offrir une bonne précision d’excentricité et des bridages d’outils parfaitement équilibrés pour limiter les vibrations et qui offrent une bonne transmission du couple.

Les bâtis en béton polymère ou en granite absorbent les vibrations. Les entrainements sont montés directement sur ce bâti rigide qui ne se dilate pas et stabilise la machine.  Les éléments mobiles de faible masse minimisent les effets d’inertie permettant d’exploiter des dynamiques très élevées pour rester constamment dans les bons paramètres de coupe.

Les matériaux et la géométrie de ces éléments sont dimensionnés en prenant en compte les phénomènes vibratoires grâce à l’utilisation d’outils de modélisation aux éléments-finis.

La CN joue un rôle essentiel car les dynamiques et les vitesses d’avance élevées nécessitent une gestion de trajectoire hautement performante. Elle doit gérer et anticiper des parcours complexes à des vitesses élevées, et maitriser parfaitement les interpolations et dynamiques pour être au plus près du parcours (limiter les erreurs de poursuite, jerk…).

Quitte à développer des machines « différentes » l’idée a ensuite été d’optimiser l’ensemble des accessoires avec des solutions orientées application.

Avec ces machines polyvalentes, il fallait pouvoir changer d’application rapidement. Nous avons donc développé des modules de bridage amovibles : Table à vide, étaux, 4ème axe, table 5 axes, tout peut se positionner et s’enlever de l’air de travail en quelques minutes.

Des composites poussiéreux, prévoyons des aspirations… pour les plastiques thermosensibles, le soufflage d’air refroidi et pourquoi pas le soufflage d’air ionisé pour démagnétiser les pièces et copeaux…

Il nous faut lubrifier les alliages légers sans graisser la machine, ce serait incompatible avec les poussières de composites… Développons et brevetons une solution de lubrification air/éthanol. Ainsi, pas de logistique pour le lavage des pièces ni d’achat de solvants coûteux.

Pour des gravures parfaites, utilisons le palpeur matière XYZ pour développer une fonction spécifique de palpage de surface avec correction de trajectoire en Z.

Et si en 2016, avec la sortie de son nouveau logiciel de commande DATRONnext à interface tactile et intuitive, DATRON crée à nouveau l’évènement et rend l’UGV haut de gamme accessible à tous, c’est que dans cette société familiale de 280 employés on reste féru d’innovation avec 25% de l’équipe dédiée au R&D…

Posté le par La rédaction


Réagissez à cet article

Commentaire sans connexion

Pour déposer un commentaire en mode invité (sans créer de compte ou sans vous connecter), c’est ici.

Captcha

Connectez-vous

Vous avez déjà un compte ? Connectez-vous et retrouvez plus tard tous vos commentaires dans votre espace personnel.

INSCRIVEZ-VOUS
AUX NEWSLETTERS GRATUITES !