Modélisation et quantification tridimensionnelles des écarts de fabrication pour la simulation d'usinage - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2004

## Modélisation et quantification tridimensionnelles des écarts de fabrication pour la simulation d'usinage

• Function : Author
• PersonId : 867274

#### Abstract

During the industrialization of a manufacturing process, tolerance charting is an essential step of process planning. This activity is needed to validate and optimize process plan by dimensioning acceptable geometrical errors on parts. The two main stages of tolerance charting are usually:  Dimensional and geometrical manufacturing simulation: validation of the process plan by predicting and estimating the minimal manufacturable values for each tolerance of each set-up.  Optimization: enlarge some tolerances in order to reduce manufacturing costs while satisfying the functional and manufacturing constraints. In an integrated design and manufacturing context this is useful to know as soon as possible the effects of the manufacturing errors on the product characteristics. The main objective of our work is to define a global and realistic model of the manufacturing errors for the machining simulation. In the first part, a geometrical model of the whole process plan is proposed and formalized using charts. Each component of the process and its geometrical errors are considered in our approach. Based on this model, a first method for the machining simulation is proposed using a CAM system. All manufacturing errors are integrated in order to generate a virtually manufactured workpiece. The resulting numerical model of the part can be measured using a CAD system, this virtual metrology approach allows us to measure manufactured errors and control the virtual part. In the second part, a formal approach of the machining simulation is proposed. Using our model, all mathematical relations between the manufacturing errors and the resulting errors on the finished workpiece are easily defined. All errors are modelized using small displacements torsors. This linear model already proved its efficiency in the field of metrology and design tolerancing to modelize three-dimensional geometrical errors. Our approach considers each set-up as a mechanism and each manufacturing error is defined with a torsor. It is thus possible to add them according to the process plan. Starting from à CAD model of a part and its process plan (a kind of design for manufacturing CAD model), we have developed an application of our method in order to generate automatically the torsor chains of manufacturing errors. Using an example, we show that the results of the two approaches (the CAM simulated and the formal one) converge towards comparable values. An analysis of benefits and drawbacks of each method is presented in order to associate them and to make them complementary. Lastly, to validate our models and approaches, we propose an experimental method to measure the three-dimensional manufacturing errors. Different types of manufacturing dispersions are identified and their contributions and effects on the workpiece geometry are establishes. These methods and the associated measuring processes were developed to be adapted to the industrial context and knowledge capitalization.
Dans le processus d'industrialisation d'un produit, l'étude de la cotation de fabrication est une étape de l'élaboration de la gamme de fabrication des pièces à produire. Grâce à la simulation d'usinage, elle met en évidence les variations dimensionnelles et géométriques probables des pièces tout le long de leur processus de fabrication, c'est à dire phase après phase. Ces écarts, dus à la fabrication, doivent être tolérés afin de respecter l'ensemble des contraintes fonctionnelles et manufacturières du produit. On distingue généralement deux étapes lors de la cotation de fabrication : • Tout d'abord, la simulation dimensionnelle et géométrique d'usinage qui permet l'expertise et la validation d'un avant projet d'étude de fabrication par la prédiction des variations géométriques des surfaces réalisées. • Puis, l'optimisation qui permet l'augmentation potentielle des tolérances de fabrication afin de respecter l'ensemble des contraintes associées au produit et d'intégrer au plus tôt, dès la conception, les contraintes de fabrication et de constater leurs effets sur les caractéristiques du produit. L'objectif principal de ce travail est d'aboutir à un modèle global réaliste des défauts fabriqués afin de mener à bien la simulation d'usinage. Dans un premier temps, une modélisation des phases d'usinage et, une représentation graphique des gammes de fabrication sont proposées. Une première approche de la simulation d'usinage est présentée en intégrant les écarts de fabrication sur un logiciel de FAO afin de générer une pièce simulée avec défauts. Sur cette maquette numérique, est effectuée la métrologie virtuelle qui caractérise grâce à un modeleur volumique, les défauts de la pièce simulée. Dans un second temps, une approche formelle de la simulation d'usinage est proposée. Des relations sont crées entre les défauts des pièces fabriquées et les écarts de fabrication. Des travaux de recherche initiés dans le domaine de la cotation fonctionnelle ont montré que l'utilisation des torseurs permet une modélisation tridimensionnelle des défauts géométriques. En considérant une phase d'usinage comme un empilage de composants, c'est à dire comme un mécanisme, il est possible de modéliser les défauts de fabrication inhérents à chaque phase puis de les cumuler suivant le processus de fabrication. Une démarche méthodologique permet de générer automatiquement les chaînes de torseurs relatifs à l'ensemble des défauts de fabrication de la pièce brute à la pièce finie. Suite à une étude de cas, les deux approches convergent vers des résultats comparables. Un bilan des apports des deux méthodes de simulation est présenté afin de les associer et de les rendre complémentaires. Enfin, pour permettre de valider expérimentalement les modèles et les approches, un processus opératoire de mesure des défauts tridimensionnels de fabrication est proposé. Il identifie les types de dispersions de fabrication et établit leurs contributions et leurs effets sur la géométrie des pièces. Ces méthodes et les moyens de mesure associés ont été développés dans l'optique d'être adaptés au contexte industriel afin de favoriser la capitalisation du savoir-faire.

#### Domains

Mechanics [physics.med-ph]

### Dates and versions

tel-00456836 , version 1 (15-02-2010)

### Identifiers

• HAL Id : tel-00456836 , version 1

### Cite

Stéphane Tichadou, Stéphane Tichadou. Modélisation et quantification tridimensionnelles des écarts de fabrication pour la simulation d'usinage. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Centrale de Nantes (ECN), 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00456836⟩

### Export

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