ISOSTASIE ET SES CONCEPTS DE BASE

Avant de commencer à expliquer la fixation isostatique d'une pièce, rappelons-nous d'abord le concept d'isostatisme:

Après avoir compris le concept d'isostatique, nous pouvons affirmer que son objectif principal est d'analyser les conditions d'équilibre des corps et des composants mécaniques, assurant ainsi leur stabilité.

Dans ce contexte, la fixation isostatique de la pièce dans les processus de fabrication maintient l'équilibre statique et dynamique en recevant les charges appliquées pendant l'usinage. Cette méthode garantit qu'une pièce ou un composant est maintenu ou solidement fixé dans une position donnée dans une structure ou un assemblage, assurant la précision et la qualité du produit final. Pour parvenir à cette stabilité du processus d'usinage, il est important de comprendre les concepts mécaniques de la physique qui déterminent la mobilité ou les degrés de liberté que tout corps possède dans l'espace

DEGRÉS DE LIBERTÉ

En physique, les degrés de liberté du mouvement de tout corps correspondent à l'ensemble des déplacements et des rotations qu'il peut effectuer. Lorsque nous effectuons n'importe quel processus d'usinage, nous composons essentiellement un système mécanique, et il existe quelques paramètres qui déterminent si ce système est mécaniquement équilibré afin que nous puissions commencer la planification de l'usinage.

La position et l'orientation d'un corps rigide dans l'espace sont définies par une origine dans l'espace (0), trois composantes de translation (sur les axes X, Y et Z) et trois composantes de rotation, une sur chaque axe (Rx, Ry et Rz), ce qui signifie qu'il a six degrés de liberté.

Dans chaque type d'opération d'usinage, un type de fixation de la matière première est attendu pour arriver au produit final. Les conditions d'isostaticité sont obtenues par la liaison ou le contact de positionnement qu'un solide quelconque a avec un solide voisin (liaison).

Le corps solide le plus important pour atteindre la condition d'équilibre est la pièce brute à usiner. Un seul point de contact élimine au moins un degré de liberté de la pièce à usiner (translation sur un axe), et il existe différentes manières de promouvoir ces types de contacts entre la pièce et les accessoires qui la fixeront.

La géométrie tridimensionnelle et le nombre de points d'appui et de fixation détermineront le nombre de degrés de liberté du corps. Certains types de contacts mécaniquement usuels peuvent être observés dans la figure ci-dessous, qui montre plusieurs systèmes de paires d'objets et leurs degrés de liberté (DOF - Degree of Freedom / DDL - Degrés de Liberté) entre parenthèses.:

Ensemble, les accessoires de fixation restreignent de plus en plus les degrés de liberté de la pièce. Un exemple très courant est celui utilisé pour fixer une pièce dans un tour mécanique, le mandrin à trois mors, qui comporte 3 mors (mâchoires) à 120 degrés chacun, bloquant la position d'une pièce à usiner dans un tour. Notez que les translations Tx, Ty et Tz ainsi que les rotations Rx et Ry sont mécaniquement verrouillées, seule Rz sera utilisée, car cette rotation correspond au mouvement de coupe du processus, comme le montre l'image ci-dessous.

Nous avons vu le concept théorique de l'isostaticité appliqué dans la pratique, lors d'une opération d'usinage sur un tour conventionnel. Sur la base de ce principe, il est possible de développer différentes techniques pour garantir l'isostatisme

POSITIONNEMENT ET FIXATION

Maintenant, nous allons comprendre tridimensionnellement comment parvenir à un schéma approprié pour obtenir l'isostatisme nécessaire à l'usinage de pièces de géométries plus basiques: prismatiques, cylindriques courtes et cylindriques longues, afin d'assurer les opérations d'usinage les plus courantes sans aucun problème.

Pièces Prismatiques

Nous savons que le processus de fabrication principalement utilisé pour l'usinage des géométries prismatiques est le fraisage. Nous pouvons utiliser comme exemple élémentaire un cube ou un parallélépipède (6 faces), où nous allons faire une rainure et ainsi transformer une pièce prismatique élémentaire pour l'usinage d'un évidement. La pièce deviendra un prisme à 8 faces, les faces F5 et F6 étant mises en évidence en bleu pour permettre l'usinage

Pour réaliser l'opération de fraisage des faces F5 et F6, nous utiliserons d'autres faces pour restreindre les degrés de liberté de la pièce. La première étape consiste à construire un minimum de 3 points d'appui pour le plan de la face F1 (qui représente la fixation sur un plan de base de la pièce) et ainsi restreindre 3 degrés de liberté (1 translation, Tz, et 2 rotations, Rx et Ry), comme le montre la vidéo suivante:

Le prochain pas consistera à soutenir la face F2 (latérale) sur 2 points qui bloquent les degrés de liberté 4 et 5, limitant ainsi une autre translation (Ty) et une rotation (Rz). Enfin, nous soutenons la face F3 pour restreindre la dernière translation (Tx) et fixer la pièce sur 6 degrés de liberté, sans que les fixations ne soient sur le chemin que l'outil de coupe parcourra pour usiner les faces F5 et F6.

Vérifiez dans la vidéo la séquence de verrouillage des degrés de liberté décrite.

Le résultat tridimensionnel du verrouillage des 6 degrés de liberté sur les faces F1, F2 et F3 de la pièce prismatique est essentiel pour sa fixation. Ce processus élimine les degrés de liberté de 1 à 6, assurant ainsi la fixation isostatique de la pièce, comme illustré dans la figure ci-dessous:

Maintenant, nous représenterons dans un schéma (ou croquis bidimensionnel) la planification de la fixation isostatique tridimensionnelle réalisée sur la pièce précédente. Il est important de noter que la représentation normalisée des points d'appui /normal de repérage doit être faite comme illustré ci-dessous. Chaque point d’appui doit être indiqué par une flèche normale à la surface, et pour l’affichage projeté, un cercle avec hachure carrée / un cercle avec hachures quadrillées doit être utilisé.

Observez sur l'image le schéma de fixation de la pièce, montrant dans 2 vues les emplacements de chaque fixation qui éliminent les degrés de liberté de la pièce de 1 à 6. Les deux vues montrent de manière schématique chaque point de fixation, et dans la vue du bas, il y a un surlignage en rouge pour les deux faces qui seront usinées.

Pieces cylindriques courtes

Maintenant, nous allons créer le même type de schéma de fixation isostatique pour une pièce cylindrique de base avec une longueur courte/centrage court. Il est important de différencier dès maintenant les pièces longues (dont la longueur est supérieure à 1,5 fois le diamètre) des courtes dans leur fixation, car les points d'appui seront différents pour chaque cas.

Dans le cas des pièces courtes, il n'y a pas suffisamment de longueur de surface cylindrique pour une fixation rigide et stable. Commençons d'abord par considérer la pièce suivante, un cylindre court avec la face F1 à usiner à la mesure de 30 +/- 0,25 mm.

La figure précédente montre une pièce cylindrique avec 3 faces identifiées, F3 étant sa surface diamétrale et F1, mise en évidence en rouge, sera la surface usinée. Pour qu'une pièce soit tournée, il est nécessaire de restreindre 5 degrés de liberté et le seul qui sera travaillé est la rotation sur l'axe de la machine pendant l'opération. Ainsi, la pièce sera fixée avec les degrés de liberté restreints dans l'ordre suivant: d'abord les 3 supports de la face F2, limitant une translation (Tz) et 2 rotations (Rx et Ry).

Veuillez vérifier dans la vidéo suivante le processus de verrouillage de 5 degrés de liberté d'une pièce cylindrique courte, simulant la fixation sur une plaque de mâchoires.

Nous pouvons maintenant représenter dans un dessin schématique (ou croquis bidimensionnel) la planification de la fixation isostatique tridimensionnelle que nous avons réalisée sur la pièce cylindrique courte, comme illustré dans l'image ci-dessous.

Est-il possible d'élaborer le schéma de fixation de la pièce cylindrique courte, en montrant dans 2 vues les emplacements de chaque fixation qui éliminent les degrés de liberté de la pièce de 1 à 5 ? Dans les deux vues, chaque point de fixation est démontré de manière schématique, avec les points 1, 2 et 3 sur la face opposée à celle qui sera usinée, et les points 4 et 5 disposés à 90 degrés de manière diamétrale sur la surface cylindrique. La face à usiner est représentée en rouge dans la vue frontale, dessinée à droit.

Pièces cylindriques longues

Maintenant, nous allons élaborer le même type de plan de fixation isostatique pour une pièce cylindrique de base avec une longueur importante. Pour une pièce dont la longueur est supérieure ou égale à 1,5 fois son diamètre, la surface cylindrique de la pièce brute offre une plus grande longueur pour un support efficace, permettant ainsi une fixation rigide et stable. Par conséquent, la stratégie de fixation isostatique est légèrement différente.

D'accord, nous allons considérer l'exemple suivant, qui montre une pièce cylindrique longue avec 3 faces identifiées en bleu pour l'usinage sur l'une de ses extrémités, où F1 et F3 sont ses surfaces les plus critiques à être usinées.

D'accord, dans la vidéo suivante, nous allons démontrer la fixation isostatique des pièces cylindriques longues avec le verrouillage des 5 degrés de liberté nécessaires à leur tournage.

Par conséquent, ce serait le schéma de fixation isostatique pour la pièce cylindrique longue /centrage long, précédente:

Le schéma de fixation de la pièce cylindrique longue reste donc tel que démontré dans la figure précédente, avec 2 vues montrant les emplacements de chaque fixation qui élimine les degrés de liberté de la pièce de 1 à 5. Dans les deux vues, chaque point de fixation est démontré de manière schématique, avec 1 et 3 sur la face cylindrique à 90 degrés de 2, et 4 et 5 sur la face arrière gauche où aucune usinage de la pièce n'aura lieu.

Nous avons donc vu l'élaboration de différents systèmes de fixation isostatique pour une pièce prismatique (6 degrés de liberté verrouillés), une pièce cylindrique courte (5 degrés verrouillés) et une pièce cylindrique longue (5 degrés verrouillés). Ils servent de guide pour les pièces de géométries plus complexes, et la symbolique du schéma de fixation isostatique avec des flèches et des cercles est également standard pour les vues en dessin de fabrication.

RÉFÉRENCEMENT DE LA PIÈCE

La définition du référencement de la pièce est très importante pour le développement des opérations d'usinage, car c'est sur la base de ces références que la fixation isostatique de la pièce sera effectuée et la planification de sa production en série sera réalisée. Les références de travail sont les coordonnées initiales du processus, et pour les définir, nous utiliserons les informations du projet mécanique de la pièce, la géométrie de la pièce et les tolérances dimensionnelles (y compris les tolérances géométriques et de position).

Le référencement est une tâche confiée à un technicien spécialisé pour l'élaboration complète d'un programme d'usinage. En analysant les caractéristiques du projet, il aura la perspective appropriée pour déterminer ce qui convient le mieux à chaque opération sur une pièce donnée.

En général, les références de travail ont pour fonction principale de définir le point d'origine ou le point de départ pour les coordonnées de mouvement des axes X, Y et Z lors des processus d'usinage, tandis que la pièce reste en position isostatique. Ce point est connu dans le domaine de la fabrication mécanique sous le nom de point zéro de la pièce.

Dans l'image suivante, observez l'emplacement du point zéro sur une pièce plate, où les trois axes de travail sont correctement référencés, avec X0 et Y0 situés à l'extrémité inférieure gauche et Z0 à la même position, mais sur la face de la pièce.

Théoriquement, le point zéro pièce pourrait être défini dans n'importe quelle région de la pièce, mais notre objectif principal sera toujours la simplification du processus, la réduction des temps d'opération, la simplification des dispositifs, la standardisation des outils, etc. L'intention sera toujours de rechercher la meilleure méthode de travail et l'élimination des difficultés pour les processus de programmation et de fabrication. Les référencements les plus courants se font donc aux points suivants:

1. Référencement sur la face: Appliqué au processus de tournage, cette méthode de référencement consiste à définir le point zéro sur la face du matériau cylindrique. Ainsi, toutes les coordonnées d'usinage partent de la face de la pièce en direction du mandrin, comme présenté dans la figure suivant.

2. Référencement sur l'appui: Également utilisé dans le processus de tournage, le référencement sur l'appui consiste à définir le point zéro sur la face du matériau fixée sur la plaque pendant le processus d'usinage. Ainsi, les coordonnées de mouvement des axes de la machine passent du "fond" de la pièce à sa face, comme illustré dans l'image ci-dessous.

3. Référencement sur les faces des extrémités: appliqué généralement au processus de fraisage, où le point zéro pour les axes X, Y et Z est défini à l'intersection entre les faces externes de la pièce. Dans ce cas, les coordonnées partent d'une extrémité du matériau vers l'autre, où le déplacement des axes X et Y pendant le processus d'usinage peut être représenté par des valeurs négatives ou positives, en fonction de la position du point zéro.
   On utilise généralement le point zéro à l'extrémité inférieure gauche, car les coordonnées sont représentées par des valeurs positives, ce qui facilite le développement de la programmation et le suivi des étapes du processus d'usinage. Observez l'image qui présente une perspective d'une pièce en forme de parallélépipède montrant le point zéro pour les axes X, Y et Z sur l'un de ses sommets.

4. Referencement au centre: tout comme le référencement sur les extrémités, celui-ci est également mieux adapté au processus de fraisage et consiste à définir le point zéro en coïncidence avec le centre exact de la pièce, cette coordonnée centrale étant adoptée comme point de départ pour les autres. Observez l'image en perspective d'une pièce en forme de parallélépipède montrant le point 0 pour les axes X, Y et Z en son centre.

Maintenant, vous êtes capable de reconnaître les principaux types de fixation et de référencement d'une pièce à usiner dans les opérations de tournage et de fraisage, qui sont les processus les plus courants. D'autres types de machines-outils utilisent également les mêmes principes de référencement et de fixation à l'aide d'accessoires similaires, ce qui permet d'assurer l'isostaticité du solide à usiner et la qualité finale du produit conforme attendu.

ACCESSOIRES DE SERRAGE

Les accessoires et dispositifs de fixation des pièces sur les machines-outils sont utilisés pour garantir la restriction des degrés de liberté afin d'atteindre une fixation isostatique. Ces dispositifs s'adaptent au processus de production ainsi qu'au type de machine et de fabricant.

Les plateaux de mandrin, les plateaux de mandrin indépendants sont utilisés sur l'arbre porte-pièce des tours mécaniques. Les vis, les serre-joints, les cales, les écrous, les tiges filetées, les étaux et les tables magnétiques sont utilisés pour fixer les pièces sur les fraiseuses, les aléseuses et les rectifieuses en fonction des besoins et de la complexité géométrique.

La correcte serrage de la pièce et des outils revêt une grande importance pour le bon déroulement des processus de fabrication, influant directement sur des facteurs tels que la précision géométrique et dimensionnelle, ainsi que sur la qualité de la finition des surfaces à la fin de l'usinage.

Nous sommes arrivés à la fin de la leçon! Vous avez compris les concepts de base du serrage isostatique dans la production et l'exécution d'une pièce, la définition du point zéro de la pièce et, en fonction du type de référence, nous pouvons élaborer une stratégie de serrage isostatique pour que celle-ci, ou un lot de production, puisse être usinée. L'objectif est de garantir la stabilité dimensionnelle, la flexibilité du serrage et la qualité du produit final.