Optimisation des Trajectoires dans les Opérations de Surfaçage : Impact sur les Coûts, l’Énergie et les Émissions de CO₂
Optimisation des Trajectoires dans les Opérations de Surfaçage : Impact sur les Coûts, l’Énergie et les Émissions de CO
Le fraisage de surface est une opération d’usinage fondamentale qui permet d’obtenir des surfaces planes avec une grande précision. Traditionnellement, il est optimisé en fonction de paramètres tels que la vitesse de coupe, la vitesse d’avance et la profondeur de coupe. Cependant, la trajectoire suivie par l’outil joue aussi un rôle crucial dans l’efficacité globale du procédé, tant en matière de consommation d’énergie que pour la durée de vie de l’outil, la productivité et la qualité de surface.
Types de trajectoires en surfaçage
Grâce au développement des systèmes de FAO, nous disposons désormais d’un large éventail d’options pour les trajectoires d’usinage des surfaces d’ébauche et de finition. Parmi toutes ces options, il y a une différence essentielle : certaines opérations maintiennent l’outil toujours en contact avec la pièce, tandis que d’autres incluent des mouvements à vide (non coupants).
Nous pouvons les classer en quatre catégories de base :
Unidirectionnelle
: l’opération la plus basique et la plus facile à programmer. L’outil suit des trajectoires rectilignes dans la même direction et revient sans couper. Des états de surface acceptables sont obtenus, mais l’utilisation d’une entrée directe peut affecter la durée de vie de l’outil et augmenter la durée totale du cycle.
Zig-zag (bidirectionnel)
: mouvements linéaires avec l’outil se déplaçant dans les deux sens, ce qui réduit les temps morts, mais a des effets négatifs sur la qualité de l’état de surface. La gestion des changements de direction peut avoir une incidence sur la durée de vie de l’outil.
Spirale :
que ce soit vers l’intérieur ou vers l’extérieur de la pièce, elle permet une coupe continue avec un engagement contrôlé, offrant de bons états de surface et un bon contrôle de la durée de vie de l’outil tout en réduisant les temps d’usinage.
Adaptatives et trochoïdales
: trajectoires qui optimisent le contact outil‑matière en maintenant un engagement radial contrôlé et en améliorant la qualité de surface. Elles comprennent généralement de petits mouvements à vide dans les zones difficiles d’accès, mais l’objectif est de maintenir l’outil en contact autant que possible. Elles sont fortement recommandées pour les matières difficiles à usiner.
Chacune de ces trajectoires a des implications différentes en termes de temps d’usinage, de charge de travail, de consommation d’énergie et de production de chaleur.
Émissions de CO
Dans cet article, nous aborderons principalement l’effet énergétique des trajectoires en comparant celles qui maintiennent un contact constant entre l’outil et la pièce à celles qui, en raison de leur configuration et de leur orientation différente, impliquent des mouvements à vide (non coupants). Pour illustrer cette comparaison, nous utiliserons une trajectoire unidirectionnelle alternative et une trajectoire en spirale réalisée depuis l’extérieur, toutes deux dans les mêmes conditions de coupe, et comparerons la consommation d’énergie des deux options. Par la suite, nous comparerons les deux trajectoires avec de meilleures conditions de coupe.
Nous pouvons calculer la puissance consommée sur différents matériaux, sélectionnés à partir d’une large base de données, et en utilisant une combinaison spécifique d’outils et de géométries de plaquettes, au cours d’une opération de fraisage à l’aide de « ToolGuide », disponible à ce lien.
ToolGuide
Pour une opération de surfaçage avec le CM345 réf. 345-050Q22-13H Z6, avec des plaquettes 345R-1305M-PM 1230, sur une pièce en acier 32CrMoV12-28 P3.0.Z.AN de 230 Hb, nous partirons de ces deux conditions de coupe, ce qui nous donnera deux puissances de coupe différentes.
Lors d’un déplacement rapide à des vitesses de 5 000 à 10 000 mm/min (sans charge de coupe) sur une machine CNC 5 axes conventionnelle d’une puissance maximale de 40 kW, la consommation d’énergie typique varie entre 4 et 7 kW. Dans notre exemple, nous utiliserons 5,5 kW comme valeur de calcul.
Les éléments qui composent cette consommation de base de la machine sont les suivants :
Équipement logiciel et électronique de la machine.
Le mouvement de la machine et la rotation de la broche de coupe elle‑même. Plus l’avance est élevée, plus la demande d’énergie est importante.
Le mouvement de la machine et la rotation de la broche de coupe elle‑même. Plus l’avance est élevée, plus la demande d’énergie est importante.
Cette plage est utile pour estimer la consommation d’énergie lors de phases de positionnement rapide ou de mouvements entre les opérations, en particulier dans les cycles d’usinage intensifs.
Étude de cas
Cas 1 : Trajectoires unidirectionnelle vs. spirale.
Lors d’une opération de surfaçage sur une plaque d’acier de 250 250 mm, deux trajectoires ont été comparées : unidirectionnelle et spirale. La trajectoire en spirale a une longueur de coupe totale de 1 250 mm, ce qui équivaut à un temps de coupe de 38,26 secondes. Dans la trajectoire unidirectionnelle, il y a 5 trajets de 300 mm chacun, et il faut ajouter 4 chemins de retour avec une avance de table de 7 500 mm/min. L’usinage total peut ainsi être effectué en 45,918 9,6 55,51 secondes, une augmentation due au temps de retour sans coupe.
La puissance de coupe est de 16,7 kW et la puissance consommée au ralenti est de 5,5 kW. Par conséquent, la consommation totale d’énergie pendant le temps de coupe est de 0,2276 kWh pour la trajectoire unidirectionnelle et de 0,1774 kWh pour la trajectoire en spirale. Le graphique ci‑dessous donne une vision plus claire des économies en kWh.
Comparaison entre trajectoires unidirectionnelles et spirales
Cas 2 : Comparaison entre les conditions de coupe d’origine et les conditions de coupe supérieures Fz0,4.
Nous avons déjà vu comment les mouvements à vide de la machine affectent la consommation d’énergie. Maintenant, si nous prenons notre deuxième série de conditions de coupe, avec une avance par dent de 0,4 mm, nous pouvons observer l’effet de l’augmentation des paramètres de coupe sur les deux consommations d’énergie. La puissance utile passera à 18,1 kW, mais le temps de coupe pour la trajectoire en spirale diminuera à 33,48 secondes. Dans le fonctionnement unidirectionnel, le temps de coupe sera de 40,17 9,6 50,07 secondes. Par conséquent, la nouvelle consommation totale d’énergie pendant le temps de coupe est de 0,2166 kWh pour la trajectoire unidirectionnelle et de 0,1683 kWh pour la trajectoire en spirale.
C’est un résultat contre‑intuitif, car avec une puissance de coupe plus élevée, nous obtenons une consommation totale d’énergie plus faible grâce à la réduction du temps de cycle.
Effet d'augmentation de l'avance sur les trajectoires unidirectionnelles
Effet d'augmentation de l'avance sur les trajectoires unidirectionnelles
Analyse des coûts de l’énergie et des machines CNC par région
Le tableau suivant présente une analyse comparative des coûts énergétiques, des taux horaires des machines CNC et des émissions moyennes de CO par kilowattheure (kWh) dans différentes régions. Ces données sont utiles pour évaluer l’impact environnemental et économique des opérations CNC à l’échelle mondiale.
Et voici les données pour tous les cas étudiés : kWh et émissions de CO ainsi que le coût, basés sur des données moyennes pour toutes les régions.
Conclusion
Le choix de la trajectoire dans les opérations de surfaçage affecte non seulement la qualité et la productivité, mais a également un impact direct sur la durabilité des processus : coûts énergétiques, coûts directs des machines et émissions de CO dans l’atmosphère. L’adoption de trajectoires optimisées grâce à des logiciels de FAO avancés vous permet de :
Améliorer l’efficacité énergétique.
Réduire l’usure de l’outil.
Réduire les émissions de CO.
Réduire le coût direct d’usinage et augmenter la capacité de production.
Pour la consommation de CO, la réduction est de 26 %
si l’on compare la trajectoire unidirectionnelle avec Fz0,35 à la trajectoire en spirale avec Fz0,4. Cela se traduit également par une
réduction économique de 40 %
.
Dans un environnement industriel de plus en plus axé sur la durabilité, ces décisions techniques peuvent faire une différence significative. En choisissant des outils qui nous permettent de travailler dans les meilleures conditions de coupe, nous réaliserons à la fois des économies directes et une réduction des émissions de CO.
Alvaro Ruiz
Global product solution specialist Milling
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Optimisation des Trajectoires
L'optimisation des trajectoires de surfaçage peut réduire les coûts et émissions.
Cet article explore l'optimisation des trajectoires lors du surfaçage et son impact sur la consommation d'énergie, la durée du cycle, et les émissions de CO. Il compare des trajectoires unidirectionnelles et en spirale pour réduire les coûts d'usinage et améliorer l'efficacité énergétique. Des analyses de l'effet sur la durabilité et la réduction des émissions sont présentées. chevron_right