Systémique

Systémique par Marc PolizziS.I. Sciences de l'Ingénieur, Marc Polizzi

 
  Systémique par Marc Polizzi

SE-PC : Cahier des Charges

Comme une version tableur est déjà, en elle-même, une sorte de cahier des charges informatique, nous nous baserons sur cette version et ajouterons toutes les explications nécessaires.

Les calculs de SE-PC sont utilisables dans le cadre d’usinage par enlèvement de copeaux. L'opérateur devra être initié a cette spécialité sans pour autant en être expert. Toute personne ayant eu une formation en STI devra pouvoir utiliser le logiciel.

Interface Homme-Machine

Dans la mesure du possible, un seul écran :

Ecran principal de SE-PC

L'écran regroupe les questions, les choix et bien sûr les réponses. L'ergonomie sera un point clef, l'utilisateur ne doit pas avoir à chercher, l'objectif est une utilisation souple et simple.

Les données issues de SE-PC doivent être directement utilisables afin de mettre en place les essais de pré-industrialisation. SE-PC ne remplace pas les essais proprement dit.

Si l'utilisateur désire analyser le pourquoi du calcul, alors et seulement alors, un compte-rendu sera facilement accessible.

Enfin, si la base de données fournies ne convient pas, chaque entreprise ayant ses bases de connaissances expertes, les données pourront être mise à jour simplement afin de refléter les données propre à chaque atelier de production.

Formulaire

Le tableau suivant synthétise la base de connaissance de SE-PC :

Formulaire de base de SE-PC

Principes de base

La première étape est de déterminer le COM (Couple Outil/Matière). Pour cela l'utilisateur choisit d'une part l'Outil et d'autre part la Matière de la pièce. Ce COM va permettre de fixer les valeurs de base liées à la vitesse de coupe selon le modèle de Taylor :

Couple COM Vco u To
ARS/*Non-ferreux 110 -5 30
ARS/Ferreux 20 -5 30
Carbure/*Non-ferreux 350 -2,5 15
Carbure/Ferreux 160 -2,5 15

La deuxième étape va consister à définir le contexte d'usinage via le choix de l'opération et ces finesses : Option, Nature de l'usinage, Lieu de l'usinage, Rigidité MO-MU, Type de lubrification, diamètre, rayon de bec , durée de vie de l'arête, Z proposé et ap proposé.

Ensuite, l'ensemble des données vues ci-dessus permet via des formules linéarisées et simplifiées au maximum d'obtenir les résultats dont les deux plus importants : Vc optimal qui va déboucher sur n en tr/min et fz optimal qui va déboucher sur Vf en mm/min.

D'autres données seront fournies, celle liées à la finition : R et Ra et celles liées à l'ébauche : Fc, Pc et Pu.

Enfin si la fréquence de rotation proposée (n en tr/min) semble trop élevée à l'utilisateur, il pourra fournir le "n max" et le calcul inverse lui donnera le Vc, Vf et fz correspondant.

Détails des formules

En étudiant le tableur avec ses fonctions d'audit, retrouver les formules est simple et efficace. Voici, donc l'expression littérale de ces formules et, si besoin, des explications complémentaires.

L'idée générale est l'utilisation de coefficient de pondération que l'on retrouve sous forme de tableau à l'onglet Data. Par exemple :

Nature usinage k6_Vc k2_fz
1/2 finition 1 1
Finition 1,1 0,7
Ébauche 0,9 1,5
Ecroutage 0,7 1,4

Vc opt = Vco . k1_Vc.k2_Vc.k3_Vc.k4_Vc.k5_Vc.k6_Vc.k7_Vc.k8_Vc
avec k5_Vc = f(option)
et k8_Vc = f(T,u) = 1 / [ (To/T)^(1/(u.ku)) ]

fz opt = fz . k1_fz.k2_fz.k3_fz.k4_fz

Comme indiqué sur le synoptique général des formules ci-dessus, on en déduit : n, Vf, R, Fc et Pu.

f = fz . Z ,
Ra = Rt /5 ,
Fc = fz opt . ap . kc . Rm . k_Fc ,
Pc = Fc . Vc . Z' / 60 et
Pu = Pc / µ

Les principales particularités sont pour les familles d'usinage : Tournage/Perçage/Fraisage. Tout d'abord la famille est déduite de l'opération puis certaines spécificités sont appliquées (Option, D et Z) :

  • Tournage : on peut travailler au choc, on donne le diamètre de la pièce, il n'y a qu'une dent
  • Perçage : il peut y avoir un avant trou, on donne le diamètre du foret, il y a deux dents, la profondeur de passe est égale au rayon du foret.
  • Fraisage : on peut travailler en pleine matière, on donne le diamètre de la fraise, le nombre de dents est à demander.
Famille usinage k4_Vc fz Z Texte D ap Option k5_Vc k_Fc Z'-Pu
Tournage 1 0,11 1 D pièce 0 Travail au choc ? -0,2 0,1 1
Perçage 0,9 0,1 2 D forêt 10 Y-a-t'il un avant trou ? 0,1 -0,25 1
Fraisage 0,8 0,09 5 D fraise 0 Travail pleine matière ? -0,1 0,25 3

L'option prendra 3 niveaux (oui/un peu/non), 3 valeurs (2/1/0) qui seront utilisés pour le calcul de Vc, Fc et Pu (k5_Vc, k_Fc et Z'-Pu) :

Choix des Options Indice  


non 0

Option



un peu 1
un peu
0.9
1.4
oui 2
1
k5_Vc
k_Fc

Pour k_Fc et Z'-Pu on retrouve une particularité du fraisage liée à l'option "pleine matière". En effet, l'épaisseur du copeau hm n'est égale à fz que dans l'axe de la fraise. On utilisera l'approximation suivante : k_Fc = 0,5 + coef*Indice (soit 0.5 / 0.75 / 1 ) alors que pour le Tournage et le Perçage on utilise ; k_Fc = 1 + coef*Indice

De même, la puissance dépend du nombre de dents en prise. La formule utilisée ici est une approximation linéaire basée sur : Z/2 en pleine matière, et Z/6 dans le cas d'un petit épaulement soit Z/(6-2*Indice)).

Bilan fourni

La première partie du bilan est une simple remise en forme de toutes les données et résultats :

Rapport d'expertise


Paramètres et correcteurs pris pour le calcul de Vc



Pour le couple 'ARS/Ferreux' la Vc de base est de 20m/min pour une durée de vie de 30min.

Le coef sur Vc pour un 'ARS Standard' est de k1_Vc=1

Le coef sur Vc pour un 'Acier standard' est de k2_Vc=1

Le coef sur Vc pour du 'To Contournage' est de k3_Vc=0,8

Le coef sur Vc pour du 'Tournage' est de k4_Vc=1

Le coef sur Vc pour l'option 'Travail au choc ? : non' est de k5_Vc=1

Le coef sur Vc pour une '1/2 finition' est de k6_Vc=1

Le coef sur Vc pour du 'Lubrification : Normale' est de k7_Vc=1

Le coef sur Vc avec T=45min est de k8_Vc=0,92

> SOIT une Vc préconisée de 15 m/min


Paramètres et correcteurs pris pour le calcul de fz



La valeur de fz de base en 'Tournage' est : 0,11 mm/tr/dent

Le coef sur fz pour du 'To Contournage' est de k1_fz=0,8

Le coef sur fz pour une '1/2 finition' est de k2_fz=1

Le coef sur fz pour un usinage 'Extérieur' est de k3_fz=1

Le coef sur fz pour une rigidité 'Fragile' est de k4_fz=0,7

> SOIT une fz préconisée de 0,06 mm/tr/dent


Calculs déduits de Vc et fz



Pour un diamètre de 20mm, n = 234 tr/min

Pour 1 dent(s), Vf = 14 mm/min

La rugosité attendue avec 0,4mm de rayon de bec est de R = 2µm soit un Ra ~ 0,4 µm

Le coefficient spécifique de coupe retenu est Ks = 2400 MPa

Le coef sur Fc lié à l'option 'Travail au choc ? : non' est de k_Fc=1

> Soit un effort sur chaque dent de : 296 Newtons

Pour le calcul de la puissance, le rendement de la machine est supposé égal à : 0,8

Pour le calcul de la puissance, le nombre moyen de dents en prises considéré est : 1

> Soit une puissance utile nécessaire de : 91 Watts
   

La deuxième partie explicite les problèmes (warning) probables. Il s'agit de comparer les valeurs obtenues avec des seuils :

Msg Pu> Vc< n> fz> ap<
ok 0 0 0 0 0
Pb 4500 60 4200 0,04 0,4
Warning 9000 35 7000 0,03 0,5
Pb-

100

Ainsi si Pu>4500W on affiche Pb et si Pu>9000W on affiche Warning. Pour n on a aussi le cas on n est n<100 et on affiche Pb-. Enfin, pour ap, un des seuils est rb que l'on va donc chercher dans les données

En plus de l'affichage direct dans l'écran principal, on va retrouver les warnings en fin d'expertise. Ce qui donnera :

Analyse experte





Ras pour Vc


Ras pour fz


Ras pour ap


Ras pour n


Ras pour Pu/n


Ras pour Pu

si aucun warning n'est actif et :

Vc certainement trop basse pour une bonne coupe avec du Carbure
fz certainement trop bas pour une bonne coupe
ap certainement trop petit pour une bonne coupe
n certainement trop haut pour la machine
n certainement trop bas pour avoir de la puissance à la broche
Pu est certainement trop haut pour la machine

si tous les warnings sont actifs.

La démarche SE-PC

L'objectif de SE-PC est une assistance aux choix des paramètres de coupe dans le cas d'un usinage par enlèvement de copeaux. Un petite étude de cas "Alésage" va permettre de mieux comprendre la démarche experte d'un système expert.
Pour établir un Système Expert une démarche de modélisation est obligatoire. En science et technique l'aspect "formules" est incontournable. Le tuto vidéo ci-dessous présente partiellement l'étude de cas: usinage en alésage avec des plaquettes carbure Sandvik:

Ainsi, par rapport à "SE-PC", vous comprendrez mieux que les gens qui "chipote" sur les valeurs proposées par SE-PC sont souvent très loin de la compréhension globale du problème, et évoque un cas particulier: le leur, qu'elle connaisse très bien, mais qui n'est pas généralisable.


©  Marc Polizzi