De la conception à la fabrication assisté par ordinateur CAO - FAO/Fabrication assisté par ordinateur
Définition du terme modifier
La Fabrication Assistée par Ordinateur ou également connu en anglais par Computer-Aided Manufacturing (CAM),) désigne l'utilisation d'applications logicielles de commande numérique (CN) pour créer des instructions détaillées (G-code) qui pilotent les machines-outils de fabrication de pièces à commande numérique par ordinateur (CNC). La FAO fait appel à la fois aux systèmes automatisés et à la technologie informatique. Avantages de la FAO :
- elle a pour but d'accroître la productivité des entreprises
- elle permet d’obtenir des pièces de haute qualité
- elle permet d’optimiser l'utilisation de toute une série d'équipements de production
Liens entre la CAO et la FAO modifier
Les outils de CAO et de FAO peuvent se trouver distincts ou complètement intégrés à une seule application. Lorsque les outils sont distincts, la conception de la pièce à fabriquer est réalisée à l'aide d'un logiciel de Conception assistée par ordinateur (CAO) : on nomme le fichier ainsi obtenu "modélisation 3D". Cette modélisation en trois dimensions de la pièce à réaliser est ensuite « exportée », c'est-à-dire sauvée depuis la CAO dans un fichier intermédiaire, en utilisant un standard d'échange comme IGES, STEP, VDA, DXF ou autre, pour être utilisée en FAO. Nota Bene : Certains outils de FAO sont capables de relire directement les fichiers des grands fournisseurs de CAO.
Dans d'autres cas, la CAO et la FAO sont complètement intégrées et ne nécessitent pas de transfert. Pour ces progiciels, on parle de CFAO Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur) qui est la synthèse de la CAO et de la FAO.
Les logiciels de CFAO ont été inventés pour rassembler la CAO et la FAO sur un même logiciel pour éviter les pertes de temps et d’argent sans compter les risques d’erreur de transcription lors du transfert de données. L’avantage de la CFAO est qu’il n’y a pas d’export, et donc pas de risque de problèmes d’interface.
Détail de la réalisation d’une FAO modifier
À partir d’un besoin, l’entreprise mène une étude de marché, puis établit un cahier des charges à partir duquel les ingénieurs étudient les solutions envisageables, fabriquent un prototype et font des essais de dessins de pièces. Une fois la pièce enfin définie en 3D à l’aide d’un logiciel CAO, il y a quatre étapes pour créer le fichier de fabrication assistée par ordinateur :
– Définir le type de machine
– Quels outils vont être utilisés
– Quelles sont les stratégies d’usinage à adopter par rapport à la vitesse de coupe, d’avance, du nombre et de la profondeur de passes nécessaires
– Définir les trajectoires des outils choisis en fonction du fichier CAO et les transformer en équations
Toutes ces informations vont ainsi être transformées en données numériques qui seront envoyées sous forme d’un fichier FAO à la machine à commande numérique pour la fabrication de la pièce. La fabrication assistée par ordinateur fait partie d’un ensemble de procédés informatiques tels que la CAO, qui permettent de mener la fabrication d’une pièce à l’aide de machines-outils numériques avec une précision extrême.
Définir le type de machine : modifier
Pour choisir la machine sur laquelle nous allons effectuer l’usinage il faut déjà voir si c’est une pièce que l’on peut réaliser sur un tour si elle est cylindrique, sur une fraiseuse si c’est une pièce plane et une machine de décolletage si c’est une pièce plus complexe.
| Type d'usinage | Tournage | Fraisage | Décolletage |
|---|---|---|---|
| Machine utilisée |  |
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| Pièces fabriquée |  |
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Quels outils vont être utilisés : modifier
Pour choisir nos outils, il faut déjà avoir choisi le type de machine utilisée. On n’utilisera pas les mêmes outils sur une décolleteuse que sur une fraiseuse ou un tour.
Les différents modèles de fraise-outils modifier
Selon le modèle, la fraise peut réaliser des opérations totalement différentes : surfaçage, rainurage, chanfreinage, etc. Par conséquent, chacun de ces modèles possède des caractéristiques propres, à tel point que l’on peut parler d’outils distincts. Découvrez ci-dessous les différents outils de fraisage.
- Fraise d'angle :
La fraise d'angle sert au fraisage des guidages coniques (dans le cadre de la fabrication de machines) mais aussi au fraisage en bout et au fraisage roulant.
- Fraise à carotter :
La fraise à carotter permet de percer des trous pouvant aller jusqu’à 32 mm de diamètre sans avant-trou et pour un minimum d’effort car la fraise enlève seulement un fin anneau de matière. Elle se place généralement sur une perceuse à base magnétique ou une perceuse à colonne avec cône Morse.
- Fraise à chanfreiner :
La fraise à chanfreiner ne sert pas à réaliser un trou mais à ôter les résidus de fraisage présents dans un trou (réalisé par une autre fraise). Pour cela, elle évacue les copeaux grâce à une denture fine de 7 à 15 dents.
- Fraise concave :
La fraise concave est demi-ronde et possède une denture détalonnée. Elle sert à réaliser des rainures convexes.
- Fraise conique :
La fraise conique est utilisée pour la création de guides de coupe pour queue d’aronde (que l’on retrouve dans les angles des boites ou les côtés d’un tiroir). Elle peut avoir un cône direct pour une exécution des queues d’arondes normales ou un cône renversé pour une exécution des queues d’aronde renversée. Elle peut aussi servir à la réalisation de rainures de guidage.
- Fraise convexe :
La fraise convexe est demi-ronde et possède une denture détalonnée. Elle est utilisée pour réaliser des rainures concaves.
- Fraise à détourer :
La fraise à détourer permet le détourage des profilés en aluminium et en PVC.
- Fraise d'ébauche :
La fraise d’ébauche a pour but d’enlever beaucoup de métal avec peu d’effort. Elle peut réaliser cette tâche grâce à sa double denture qui facilite le fraisage et qui donne une surface lisse tout particulièrement sur les métaux et aciers trempés. Elle possède des dents dont la partie coupante est munie de brise-copeaux disposés en spirale tout autour de la fraise. Il existe deux types de brise-copeaux : le brise-copeaux d’ébauche et le brise-copeaux de demi-finition.
- Fraise à ébavurer :
La fraise à ébavurer ne sert pas à réaliser un trou mais à ôter les résidus de fraisage présents dans un trou (réalisé par une autre fraise). Pour cela, elle évacue les copeaux grâce à une denture fine de 7 à 15 dents.
- Fraise de finition :
La fraise de finition permet de terminer le travail de fraisage en laissant une surface parfaitement lisse.
- Fraise isocèle :
La fraise isocèle est une fraise 2 tailles qui permet d’usiner des empreintes à un angle précis de 30°, 45°, 60° ou 90° (par exemple : l’usinage d’un vé) ou bien réaliser 2 chanfreins simultanément dans des rainures. Elle possède une denture droite et un alésage (son attachement se fait à l’aide d’un arbre équipé d’une clavette).
- Fraise lime rotative :
La fraise lime rotative est utilisée pour enlever des copeaux manuellement sur diverses matières. Elle est parfaitement concentrique, assure un travail en douceur et évite la formation d’ondulation en superficie. Elle existe en différentes formes : conique, cylindrique, ovale, ogive, sphérique, conique inversée. Elle peut être à bout pointu ou à bout arrondi, avec coupe en bout ou sans coupe en bout. Il existe trois types de dentures pour les fraises limes rotatives :
-la denture alu qui est particulièrement adaptée pour le travail des alu, matières plastiques et matériaux tendres.
-la denture de finition moyenne qui est particulièrement adaptée pour le travail de l’acier, même trempé, le cordon de soudure… Permet d’obtenir un très bon état de surface.
-la denture de taille croisée qui est la taille universelle. Elle permet d’usiner toutes les matières. Sa coupe permet de réduire les vibrations et d’obtenir un enlèvement de copeaux avec une très bonne finition.
- Fraise monobloc :
La fraise monobloc permet un usinage sans rayon dans le coin sur une petite surface seulement. Son diamètre varie entre 1 et 20 mm et elle peut être fabriquée en acier HSS ou en carbure. Elle peut réaliser des opérations de surfaçage, de rainurage et surfaçage-dressage en ébauche ou en finition.
- Fraise à noyer :
La fraise à noyer permet de fraiser les chanfreins servant à noyer les têtes de vis dans du bois ou matière assimilée.
- Fraise à plaquettes interchangeables :
La fraise à plaquettes est idéale pour les grands diamètres d’outils (de 1 à 160 mm). Elle ne nécessite pas de réaffutage car les plaquettes sont jetables.
- Fraise à rainurer :
La fraise à rainurer sert à usiner des rainures droites ou circulaires, ce que ne peut pas faire une fraise 3 tailles. Elle possède une queue cylindrique pour les petits diamètres et une queue conique pour les gros diamètres.
- Fraise à rainures en T :
Il ne faut pas confondre la fraise à rainurer et la fraise pour rainures en T ! La fraise à rainures en T ressemble à une fraise 3 tailles et sert à usiner les deux parties en retrait d’une rainure en T. Elle possède généralement une denture alternée mais il est possible de trouver des modèles à denture droite.
- Fraise à trou :
La fraise à trou est utilisée pour les grands diamètres d’outils allant de 32 à 100 mm. Elle doit être montée sur un arbre. Elle est très productive pour les opérations d’ébauche sans coupe au centre. Mais, son corps reste fragile à cause du grand diamètre de son trou.
Schéma d’une fraise : modifier
Nombre de dents : comment choisir ? modifier
Mais, la sélection de votre fraise ne s’arrête pas au choix du modèle. Il faut également choisir le bon nombre de dents selon l’utilisation que vous souhaitez en faire. Une fraise possède de 2 à 5 dents. Quels sont les avantages de tel ou tel nombre de dents ? C’est simple, si vous possédez :
- 2 dents : la fraise à 2 dents possède une grande poche à copeaux mais un petit diamètre d’âme, idéal pour le fraisage d’ébauche et le rainurage dans des alliages d’aluminium et des matériaux à copeaux longs
- 3 dents : la fraise à 3 dents est la fraise la plus utilisée, idéal pour le rainurage et les descentes en rampe des matériaux ferreux et des alliages résistants à la chaleur
- 4 dents : la fraise à 4 dents possède une géométrie courante très utilisée pour le fraisage mixte et le contournage, cependant elle est très rigide à cause du diamètre d’âme qui est très important, l’évacuation des copeaux en rainurage est moins bonne qu’avec une fraise 3 dents
- 5 dents : la fraise 5 dents permet de grandes avances mais aussi une coupe douce car une dent est toujours en prise avec la matière, elle est principalement utilisée pour la finition en contournage car elle obtient un bon état de surface
Sachez également que plus la fraise a de dents, plus le taux d’usure est réduit, ce qui se traduit par une durée de vie prolongée de l’outil.
Zoom sur le nombre de tailles modifier
On entend souvent parler de fraises à 1 taille, 2 tailles ou 3 tailles. A quoi correspond la taille d’une fraise ? Quelle différence entre une fraise 2 tailles et une fraise 3 tailles ? La taille correspond à une face de la fraise qui a été conçue pour usiner la matière. Comme vous l’aurez compris, la fraise-outil peut avoir une, deux ou trois faces qui façonnent cette matière pour un résultat différent. Ainsi :
- la fraise 1 taille usine uniquement en bout ;
- la fraise 2 tailles usine de côté (au niveau des lèvres) et en bout, elle peut aussi surfacer en bout ;
- la fraise 3 tailles sert au rainurage de côté, que la fraise soit à denture droite ou alternée.
La fraise-outil la plus répandue est la fraise 2 tailles, elle se décline en plusieurs matières. Ainsi, il n’est pas rare de trouver des fraises 2 tailles HSS et des fraises 2 tailles carbure. Quelles sont les caractéristiques de chacune des matières ?
Autre outils utiliser pour le perçage modifier
Nous utilisons aussi des forets à centrer pour effectuer un perçage avec un foret de tout type de diamètre puis on peut aussi utiliser un taraud pour faire un filetage. L'alésoir nous permet d’atteindre une certaine précision dans un alésage. Il y a aussi les forets à fond plat permettant de faire un alésage à fond plat.
Outils les plus utilisés dans le tournage : modifier
-Les plaquettes :
-Les portes plaquettes extérieurs :
-Les portes plaquettes intérieurs :
-Détermination du rayon de bec :
Outils les plus utilisés dans le décolletage : modifier
Dans le décolletage, on utilise tous les éléments expliqués pour le fraisage et pour le tournage. il y a un outil en plus qui s’appelle le tronçonneur, il sert à tronçonner la pièce pour que la contre broche puisse la finir en contre opération.
Quelles sont les stratégies d’usinage à adopter par rapport à la vitesse de coupe, d’avance, du nombre et de la profondeur de passes nécessaires : modifier
Dans le tableau ci-dessous, on retrouve quelques informations importantes telles que l’avance (Vf), la vitesse de coupe (Vc), et la profondeur de passe (a) en fonction de la machine utilisée, de la matière usinée et de la matière de l’outil utilisée :
Si nous n’avons pas directement la valeur de l’avance (Vf), nous pouvons la calculer grâce à cette formule :
Vf = fz*n*Zn
fz = avance par dent (mm/dent)
n = vitesse de rotation (tr/min)
Zn = nombre de dents
Pour pouvoir faire le calcul ci-dessus, il faudra que l’on calcule n :
n = (1000*Vc) / (π x d)
avec : Vc = vitesse de coupe (m/min)
d = diamètre de l’outil
Exemple : usinage d’un bloc d'alliage AU4G en fraisage, lors de la première phase on utilisera une fraise à plaquette carbure de diamètre 63 avec 6 dents.
D'après le tableau fourni précédemment, on obtient une profondeur de passe de 2mm, une vitesse de coupe de 450m/min. Nous pouvons donc calculer n.
n = (1000*450) / (π*63) = 2270 tr/min
On recherche aussi l'avance par dent dans notre tableau : fz = 0.1
Et par la suite on calcule Vf. Vf = 0.1*2270*6 = 1360 mm/min
Définir les trajectoires des outils choisis en fonction du fichier CAO et les transformer en équations : modifier
On définit les trajectoires d’usinage en fonction des outils choisis et de la forme de la pièce souhaitée. Pour obtenir une surface propre, il faut souvent faire un premier usinage d’ébauche puis un usinage de finition.
Dès lors que nous avons défini tous ces éléments, il faut exporter le programme en langage compréhensible pour la machine choisie.
Explication du lien entre la FAO et la réalité modifier
L'intérêt de la FAO c’est que nous pouvons réaliser des simulations de l’usinage complet ce qui nous permet de savoir si notre gamme est bonne, que l’on usine bien la pièce comme prévu mais aussi de connaître le temps d’usinage. Grâce au temps d’usinage obtenu après simulation, nous pouvons faire des améliorations du programme afin de réduire ce temps. Nous pouvons aussi voir s'il y a des chocs entre les outils et le brut afin de régler ces problèmes pour que ça ne se passe pas lors de l’usinage réel.