Information technique

Fraisage rapide et précis du contour avec une qualitéélevée de la surface
Les processus de fabrication dans les secteurs de l'outillage et de la construction de moules ainsi que dans l'industrie aéronautique etspatiale peuvent être considérablement optimisés grâce aux technologies modernes, par exemple avec l'usinage à grande vitesse(HSC = High Speed Cutting). Mais des avantages sur le plan économique ne peuvent être obtenus que si les machines-outils et lacommande numérique utilisées sont capables de maîtriser des avances de contournage supérieures à celles qui sont pratiquées pourl'usinage conventionnel.
Les déplacements sur la machine qui sont à la fois rapides et fidèles au contour exigent un contrôle très précis des processus d'accélération et de freinage tout au long de la trajectoire programmée. Dans le conflit d'intérêts entre la durée d'usinage, la qualité de surface et laprécision géométrique, les commandes numériques modernes doivent être capables d'optimiser la mise en équation de la fraiseuse et duprocessus de fabrication. Les utilisateurs doivent aussi pouvoir agir sur le résultat du fraisage en procédant à des modifications simples
de paramètres.
Le contrôle du déplacement par la CN a une influence déterminante sur l'optimisation des durées d'usinage dans les conditions posées
au niveau de la précision et de la qualité de surface.

UGV pour la construction de moules:
Exigences posées aux commandes
numériques des machines-outils
La technologie UGV offre de nombreuses
nouvelles possibilités pour l'usinage desaciers trempés ou alliés utilisés pour lesoutils. En marge de l'érosion classique, lefraisage UGV direct des moules en matériaux durcis revêt une importance économique croissante. En comparaison du fraisage traditionnel, l'avantage essentiel del'usinage UGV réside dans la diffusion etl'évacuation de la chaleur engendrée par leprocessus d'enlèvement de matière. Lesvitesses de déplacement et les avancesélevées conjuguées aux faibles profondeurs d'usinage permettent aux copeauxd'évacuer hors de la pièce la plus grandepartie de la chaleur.
Figure 1: Usinage de forme libre (surface à double courbure)Mai 2008

Usinage UGV– Conditions requises et influences

Les vitesses d'avance élevées de l'usinage
UGV impliquent des accélérations de contournage plus importantes au niveau desincurvations de la pièce. Les caractéristiques mécatroniques de la machine-outil
sont par conséquent à observer très attentivement. Lorsque les accélérations desentraînements d'avance augmentent, elles
engendrent aussi de plus grandes forcesd'accélération dans la structure de la machine-outil. Ceci accroît alors le risqued'exciter sur la machine des vibrations
parasites qui peuvent ensuite pénaliser laqualité de la surface. La commande doit
donc disposer d'une stratégie de contrôledu déplacement capable à la fois de limiterla durée de l'usinage et d'obtenir une
excellente qualité de surface tout en
respectant les caractéristiques de précision
requises. De plus, la commande doit offrir
aussi bien au constructeur de la machinequ'à son utilisateur les moyens d'optimiser
le contrôle du déplacement.
Les constructeurs de machines doivent
pouvoir adapter la commande de manière
optimale aux propriétés de la machine. Pourcela, la commande doit disposer d'un concept de paramétrage clairement structuré
pour le contrôle du déplacement et pourles boucles d'asservissement des moteursd'avance. Les machines-outils sont bien
souvent évaluées en fonction de la gamme
des pièces qu'elles peuvent fabriquer.
Chaque opération d'usinage doit être réalisée de manière à ce que la qualité de lasurface de la pièce ne soit pas dégradéepar des vibrations parasites de la machine,y compris lors d'opérations de contournage
à haute dynamique. L'intégration de lacommande dans la machine doit donc
présenter une grande stabilité en présence
de n'importe quelle opération d'usinage.
Les utilisateurs de machines-outils exigent
de la commande qu'elle puisse prendre encompte les conditions en matière de duréed'usinage et de précision de la pièce à réaliser. Les exigences posées doivent êtreréalisées dès la première pièce sans êtreobligé de procéder à de fastidieux essaispréliminaires. Les spécifications doiventêtre définies dans le programme CN de manière à servir de référence pour les ordresde fabrication. En outre, pour contenir lesdurées de fabrication des moules dans deslimites acceptables, les surfaces de forme
libre sont fréquemment fraisées avec inversion du sens d'usinage entre les passes.
La commande doit alors générer des trajectoires d'outils reproductibles lors del'approche des éléments de contour dansdes directions opposées. Dans le cascontraire, la qualité de la surface risqued'en pâtir.

Influence du traitement des données
sur la précision de la pièce
La fabrication d'un élément par enlèvement
de copeaux comporte de nombreuses
phases intermédiaires au cours desquelles
les données de géométrie du modèle CAO
sont converties en trajectoires d'outil:• CAO (Computer Aided Design): Le contour de la pièce est généralement reproduit avec NURBS (non-uniform rational
B-splines). Les NURBS permettent dedécrire mathématiquement les surfaces
de forme libre.
• FAO (Computer Aided Manufacturing):
Les trajectoires d'outils sont calculées
point par point en tenant compte de lastratégie de fraisage et des valeurs decorrection d'outil définies par la géométrie CAO. L'erreur de corde prédéfinie(précision du modèle) détermine la distance entre les points.
• CNC (Computerized Numerical Control):
Le programme CN est converti point parpoint en déplacements d'axes et profilsde vitesse. Les tolérances de trajectoire
définies sont prises en compte. Pouratteindre une excellente qualité de surface, les variations entre deux trajectoires de fraisage adjacentes doivent
rester bien inférieures aux tolérances detrajectoires définies.
• Mécatronique: Les déplacements desaxes sont disponibles à intervalles de durée fixes sous forme de déplacements
nominaux et effectifs. Ils sont convertis
par la géométrie de la machine en déplacements d'outils et déplacements de lapièce. L'erreur de poursuite des axes
d'avance, les écarts par rapport à la géométrie nominale de la machine, lesinfluences thermiques et vibrations dansle bâti de la machine et les moteurs
peuvent diminuer la précision de lapièce.

CAO

DesignCréation de trajectoireFAOCorrection d'outil
Interprète programme CNContrôle du déplacement
CNContrôle de tolérance
Profils de vitesse
Mécatronique

Asservissement de l'avance
Machine et entraînements

Pour optimiser les durées d'usinage, laqualité de surface et la précision de lapièce, la CN doit répondre aux exigences
fondamentales suivantes:• Contrôle efficace des tolérances decontour• Reproduction exacte de trajectoires adjacentes après une inversion de direction• Prévention efficace contre les vibrations
lors de déplacements à haute dynamique
Pour les déplacements d'outils 2D, on peut
examiner les influences de la chaîne detraitement des données sur la précision dela pièce en utilisant un système de mesure
en 2D KGM 182 de HEIDENHAIN. Les caractéristiques du contrôle du déplacement
par une commande iTNC 530 HEIDENHAIN
peuvent être mises en évidence par uneunité de démonstration sur une machine
Gantry. Le KGM sert à évaluer la précisionde contour escomptée.

Rapidité, précision, fidélité de contour– Fraisage à grande vitesse avec l'iTNC 530Contrôle efficace des tolérances ducontourLes programmes CN pour surfaces de forme
libre sont généralement élaborés sur unsystème FAO et ils sont constitutés de séquences linéaires simples. Les commandes
HEIDENHAIN lissent automatiquement lestransitions entre les séquences ce qui permet à l'outil de se déplacer en continu sur
la surface de la pièce. Ce lissage automatique est commandé par une fonction
interne qui contrôle les écarts par rapport
au contour programmé. Cette fonction(cycle 32) permet à l'utilisateur de définir
librement l'écart de contour autorisé. Lavaleur par défaut est définie par le constructeur de la machine dans un paramètremachine de la commande (0,01 à 0,02 mmtyp.). La tolérance agit également pour lesdéplacements sur les arcs de cercle programmés.
Sur les surfaces de forme libre, l'écart parrapport à la géométrie du modèle CAO peutcorrespondre dans le cas le plus défavorable à la somme de la tolérance définie
pour le contour et de l'erreur de corde
définie dans le système FAO. Le résultat
sur la pièce dépend en finale des propriétés globales de la machine et des valeursdéfinies pour l'à coup et l'accélération desaxes d'avance.
Sur la figure, l'angle de la pièce implique
une trajectoire circulaire pour le centre
d'une fraise boule (TCP = Tool Center Point,cf. figure 2). Sans un lissage des données
de la trajectoire nominale, l'axe Y de la machine serait contraint d'accélérer brutalement au point de transition. L'à-coup ainsi
provoqué engendre d'importantes oscillations sur la machine. En outre, les limites
physiques d'entraînements usuels empêchent ceux-ci de générer un tel à-coup
virtuellement infini. Si l'on ne prend pasd'autres mesures pour le contrôle du déplacement, on a pour résultat inévitabledes écarts de contour qui peuvent prendre
d'importantes proportions en fonction duchangement d'incurvation et de la vitessede contournage.
Le contrôle du déplacement de l'iTNC 530
lisse l'à-coup tout en respectant la tolérance définie pour le contour et ce, mêmeen cas de fortes variations de la vitesse decontournage (figure 3). Si l'on est en mesure de définir une tolérance assez large,les durées de production s'en trouvent
alors réduites de manière significative.
Dans cet exemple, la durée de l'usinage
est réduite d'environ 12 % en faisant passer la tolérance de contour de 0,01 mm à0,02 mm.

DétailFraise boule

Pièce
Trajectoire d'outil(avec correction de rayon)
Figure 2: Trajectoire d'outil TCP pour une fraise boule

3a: Tolérance 0,01 mm[µm]
20100–10–20

3b: Tolérance 0,02 mm[µm]
20100–10–20

Figure 3: Détail grossi de la trajectoire nominale contrôlée par TCPGrande reproductibilité sur trajectoires
adjacentes avec inversion de direction
La figure 4 illustre le détail d'une pièce etles séquences linéaires correspondantes
de la trajectoire TCP. Des trajectoires adjacentes ont été fraisées efficacement pardéplacements en avalant et en opposition(usinage ligne à ligne avec inversion dedirection). Les différentes passes sont constituées de quelques séquences linéaires delongueur variable. L'erreur de corde définie
dans le système FAO est de 3 µm.

en avalanten opposition

Figure 4: Contour de la pièce et séquences linéaires correspondantes avec déplacement
en avalant et en opposition. Les points représentent les points d'appui dans leprogramme.

La figure 5 donne une représentationagrandie de la déviation du déplacementd'outil par rapport au contour programmé.
Les écarts portent sur la transition idéale
droite/cercle tandis que le programme CN(fig. 4) est constitué de séquences linéaires
avec une erreur de corde de 3 µm par rapport au modèle. L'erreur de corde n'affecteque les zones incurvées et se superpose àla tolérance de contour définie dans la CN.
Les commandes HEIDENHAIN attestentd'une grande reproductibilité dans les déplacements ligne à ligne avec inversion du sensd'usinage (fig. 5). Les écarts de contour
entre les trajectoires usinées en avalant ou
en opposition restent négligeables et on
obtient ainsi une très grande qualité desurface.

Les photos de la pièce (figure 6) illustrent
le progrès obtenu en optimisant le contrôledu déplacement. Les surfaces de forme
libre représentées ont été usinées ligne àligne avec inversion du sens d'usinage(avance programmée 10 m/min., surépaisseur de finition 0.1 mm). La qualité de surface de la pièce de la figure 6a est inacceptable. En revanche, le résultat de l'usinage
réalisé avec une iTNC 530 (figure 6b)
témoigne de la grande reproductibilité destrajectoires adjacentes.

en avalanten opposition[µm]
20
100–10–20

Figure 5: Déviation de la trajectoire de l'outil dans la zone d'incurvation du contour de lapièce (avance = 10 m/min., tolérance = 0,01 mm).

6a6bFigure 6: Usinage ligne à ligne avec inversion de direction: Reproductibilité de trajectoires
de fraisage adjacentes
6a: Les déviations entre trajectoires adjacentes sont à l'origine d'une surface médiocre
6b: Résultat du fraisage réalisé avec une iTNC 530: Surface régulière avec déplacements
en avalant/en oppositionPrévention efficace contre les vibrations
lors de déplacements à haute dynamique
Les vitesses d'avance pratiquées par latechnologie de fraisage UGV confrontent
les machines-outils à un énorme challenge.
On ne peut avoir de courtes duréesd'usinage que si l'avance de contournage
moyenne est élevée. Et pourtant, il fautréduire drastiquement la vitesse aux endroits à faibles rayons sur la trajectoire demanière à contenir les écarts de trajectoiredans la bande de tolérance autorisée. Les
déplacements d'accélération et de freinage
peuvent en outre engendrer dans le bâti dela machine des vibrations susceptibles dese répercuter négativement sur la surface
de la pièce.
Les à-coups et accélérations sont lissésgrâce au remarquable contrôle du déplacement des commandes HEIDENHAIN. Il
permet limiter très efficacement les vibrations de la machine. Si nécessaire, la commande diminue automatiquement l'avance
programmée de manière à réduire au minimum l'excitation des vibrations. La prévention efficace contre les vibrations de la machine permet d'éxécuter le programme CNà très grande vitesse et donc de réduire
considérablement les durées d'usinage.
La figure 7 illustre la trajectoire effective del'outil sur une machine-outil avec contour
2D programmé. Sans lissage de l'à-coup,on constate des vibrations dans les phasesd'accélération de la machine (figure 7a). Lecontrôle du déplacement de l'iTNC 530 deHEIDENHAIN permet de réduire efficacement les vibrations (figure 7b). Là encore,la surface de la pièce illustrée sur lafigure 8 témoigne des atouts offerts par lecontrôle du déplacement des commandesHEIDENHAIN. Le déplacement le long del'arc de cercle représenté exige au niveaude chaque point un changement d'accélération de l'axe qui engendre généralement
des vibrations sur la machine (figure 8a). En
lissant l'à-coup, l'iTNC 530 permet d'obtenir une qualité de surface élevée sans êtreconfronté aux effets perturbateurs desvibrations (figure 8b).

7a7btraj. nominale
traj. effective

traj. nominale
traj. effective

Figure 7: Positions effectives enregistrées avec un système de mesure 2D sur un arrondi
d'angle sans (7a) et avec (7b) filtre de valeur nominale de position pour les données CN

8a8b

Figure 8: Effets des vibrations de la machine sur la pièce:
8a: Sans lissage de l'à-coup, une vibration sur l'axe Z engendre une encoche sur la surface
8b: Le contrôle du déplacement de l'iTNC 530 élimine efficacement les problèmes desurfaces dues aux vibrations

En résumé
La technologie de fraisage UGV joue un rôledécisif dans les processus de fabrication
utilisés pour la construction de moules etdans l'industrie aéronautique et spatiale.
Les vitesses d'avance pratiquées confrontent
les machines-outils à un énorme challenge.
Dans le conflit d'intérêts entre les duréed'usinage, la précision du contour et la qualité de surface, la commande numérique
iTNC 530 de HEIDENHAIN veille à ce quel'usinage corresponde bien au cahier descharges. Par conséquent, les trajectoires
d'outils sont gérées de manière à• éviter les vibrations de la machine,• respecter les exigences en matière deprécision et• réduire les durées d'usinage.

En outre, l'iTNC 530 garantit une grandereproductibilité des trajectoires de fraisage
adjacentes ce qui permet de satisfaire lesexigences les plus pointues en matière dequalité de surface et de réduire la duréed'usinage lors d'opérations de fraisage ligne
à ligne avec inversion du sens d'usinage.
De nouveaux jalons ont ainsi été posés par
l'iTNC 530 pour harmoniser la commandenumérique, les entraînements et le bâti dela machine. On peut désormais produire
une large gamme de pièces dans la qualité
requise et ce, dès la première pièce.

Compatibilité persistante efficace– une assurance sur l'avenir avec les commandes de contournage
HEIDENHAIN
Depuis plus de 25 ans, HEIDENHAIN livre
des commandes destinées aux opérations
de fraisage et de perçage. Depuis lors, lescommandes ont continuellement évolué, denombreuses fonctions ont été rajoutées – ycompris pour des machines plus complexeséquipées de nombreux axes. Mais le conceptd’utilisation créé à l’origine n’a pas varié.
L'opérateur qui travaille déjà sur une machineoutil équipée d'une TNC, n'a pas à tout
réapprendre. Toute son expérience TNC, il laréutilise immédiatement sur l'iTNC 530 pourprogrammer et travailler
comme il en a l'habitude.
2004: iTNC 530
avec smarT.NC
2003: iTNC 530 avec
Windows 2000
2001: iTNC 530

1997: TNC 426 M
TNC 430
1993: TNC 426 C/P
Sur l’iTNC 530, vous trouverez ces touches defonctions déjà disponibles sur la TNC 145

1988: TNC 407
TNC 415

1987: TNC 355

1984: TNC 155
1983: TNC 150

HEIDENHAIN FRANCE sarl2 avenue de la Cristallerie
92310 Sèvres, France{ 0141 143000| 0141 143030
E-Mail: info@heidenhain.fr
www.heidenhain.fr

636 225-31 · 10 · 5/2008 · F&W · Printed in Germany · Sous réserves de modifications

1981: TNC 145, lapremière commandede contournage deHEIDENHAIN

Autres informations:• Catalogue Commande decontournage iTNC 530