Démarche de conception d'une cellule de parachèvement

Aluminum precision foundry with sand moulds allows to produice complex and large sized parts including high technicality. However industrial needs in security and profit make incompatible to achieve manually completion operations. First, this article describes the constraints formalisation in finition process. Then, we present some aspects of the design method, geometrical analyis, accessibility study, precision, stiffness, that allow to define a 8axis robotized cell. Current works deal with optimal use of kinematic redundancy with aim to improve global cell behaviour. This cell is operational now and the optimisation is being validated with industrial parts. This work is completed in collaboration with the Societe des Fonderies d'Ussel (SFU) of the Alcan group, specialized in the high technology aluminium moulding parts. The applications relate to mainly parts of the aeronautical, energie and transports activities. Mots clefs : parachevement, redondance cinematique 1 Definition d’une cellule de parachevement en fonderie 1.1 Interets et contraintes du procede de fonderie Le procede de fonderie sable permet de realiser des pieces de grandes dimensions et de formes complexes integrant un grand nombre de fonctions : structure generale, reprises d’effort, canaux de passages de fluides, surfaces d’assemblage, surfaces d’echange, cosmetique, . (Fig. 1) En raison de la complexite des pieces et des contraintes de poids (pieces aeronautiques en particulier), les pieces presentent de faibles epaisseurs et sont fortement nervurees. Les contraintes metallurgiques de coulee imposent une alimentation multiple en alliage qui se traduit par la presence de tres nombreuses « attaques de coulees ». Leur suppression est un des problemes majeurs du parachevement. Le moulage sable induit une variabilite dimensionnelle elevee et les pieces structurales de faibles epaisseurs presentent des deformations difficilement previsibles : ouverture, torsion, . Ceci est corrige par une operation de redressage mais qui n’intervient que plus tard dans le processus. 18eme Congres Francais de Mecanique Grenoble, 27-31aout 2007 Figure 1 : Pieces complexes de fonderie sable 1.2 Automatisation du parachevement Les operations de parachevement sont donc realisees sur une piece deformee et ont pour objectif d’approcher la surface (meme deformee) de la piece. Cette etape est suivie d’un poncage global impose pour des raisons metallurgiques et mecaniques voire cosmetiques. En raison de la variabilite dimensionnelle et de l’accessibilite difficile aux zones de travail l’ensemble de ces operations : sciage, burinage et poncage, est encore realise manuellement. Cependant les exigences industrielles actuelles en terme de securite et de rentabilite, notamment dans la concurrence avec les autres procedes de fabrication, remettent fortement en cause la realisation manuelle de ces operations. Dans le domaine de la cosmetique (aspect exterieur des pieces visibles) la qualite obtenue manuellement reste egalement limitee et soumise a une forte variabilite. Ces contraintes orientent vers une demarche d’automatisation des etapes de demasselottage et de poncage avec une integration de fonctions cosmetiques. Une etude de faisabilite a permis dans un premier temps de valider un processus robotise de parachevement constitue d’une phase d’usinage et d’une phase de poncage. 2 Caracterisation du probleme 2.1 Contraintes liees a la tâche et choix de solutions La premiere etape est de caracteriser les exigences fonctionnelles vis-a-vis de la piece et les contraintes associees aux operations de parachevement. Les principales exigences fonctionnelles concernent : • La tolerance du parachevement vis-a-vis de la piece finie (au dixieme de millimetre) • L’etat de surface final desire • Les contraintes morphologiques des pieces : volume maximum (inclus dans un cylindre de dimensions D=1.5m, L=3m), accessibilite, variabilite dimensionnelle, . Pour repondre a la contrainte d’automatisation du procede, l’outil utilise est une cellule robotisee. Les outils d’enlevement de matiere associes doivent etre compatible au support robotise : portables et sans contrainte mecanique forte (chocs, .). Les solutions choisies sont : • l’usinage pour affleurer la forme • le poncage par disque pour realiser l’etat de surface. Pour ces dimensions de piece et la complexite d’accessibilite, une solution avec une machine de type 5 axes conventionnelle ne se justifie pas notamment en termes de cout (trop elevee), de precision attendue (surqualite) et d’accessibilite aux zones de travail. De plus l’integration d’outils complementaires (compliance, vision) n’est pas adaptee a ce type de machine. 2.2 Contraintes liees au process Les contraintes de process sont liees a la strategie choisie. Dans le cadre de l’usinage et le poncage, la strategie caracterise de facon complete [1] : • un outil • un mode de balayage • une direction d’avance en chaque point • un pas transversal et un pas longitudinal • des parametres de coupe dont la vitesse d’avance 18eme Congres Francais de Mecanique Grenoble, 27-31aout 2007 Dans les deux phases qui nous concernent (usinage et poncage), le mode de balayage est de type Zig ou Zig-zag en 5 axes. La trajectoire est une courbe discretisee par un ensemble de poses auxquelles on affecte une direction d’avance (Fig 2.) . Les poses sont definies par la position d’un point caracteristique de l’outil et par la direction de l’axe de l’outil. La direction d’avance appartient au plan tangent a la surface. L’angle entre la normale a la surface et l’axe de l’outil est appele angle de depincage. Cet angle influe sur le profil et le taux d’enlevement de matiere. Le choix des parametres de la strategie est en lui-meme un probleme contraint par le respect des specifications geometriques de la surface.