Génération de trajectoires d'ébauches 5 axes de surfaces complexes

par Baptiste Jousselin

Projet de thèse en Génie mécanique

Sous la direction de Christophe Tournier et de Yann Quinsat.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LURPA - Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (laboratoire) , Géométrie tridimensionnelle des pièces et des mécanismes (equipe de recherche) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2017 .


  • Résumé

    L'entreprise Missler Software, développeur de logiciels de Fabrication Assistée par Ordinateur, souhaite proposer des cycles d'ébauches 5 axes performants et innovants à destination des industries aéronautiques et spatiales. La génération de trajectoires d'ébauches en fraisage 5 axes de surfaces complexes s'appuie sur 2 problématiques conjointes, à savoir d'une part l'identification des entités caractéristiques qui définissent la forme à ébaucher et le calcul à proprement parler des positions et orientations de l'outil d'autre part. La première problématique est donc d'identifier de manière automatique les entités caractéristiques du modèle CAO qui permettent de définir les éléments géométriques de base sur lesquels s'appuie le calcul des trajectoires. Par exemple les surfaces à usiner, les courbes de guidage de l'outil, les courbes et surfaces d'arrêts pour la gestion des collisions, les courbes et surfaces de relimitation, etc. La décomposition de la géométrie la plus globale possible permettrait de traiter des familles de pièces différentes et de conserver une certaine généricité de la méthode. La particularisation à des famille de pièces de type ferrures, rouets et aubes de turbine est également envisagée afin d'optimiser autant que possible les trajectoires pour garantir la productivité et la qualité des pièces produites. Enfin, dans une perspective d'intégration des contraintes de fabrication dans la phase de conception, on peut envisager de définir des méthodologies de conception des pièces à l'aide de TopSolid afin de faciliter la détection des entités caractéristiques pour la génération des trajectoires en FAO avec TopSolid'Cam. Une fois les éléments géométriques caractéristiques identifiés, il faut procéder au calcul des positions et orientations de l'outil en fraisage 5 axes. L'objectif est de maximiser la productivité, garantir des surépaisseurs d'usinage constantes pour la finition et éviter les reprises d'ébauches dans les coins ou zones difficiles d'accès. Dans la littérature, plusieurs travaux ont porté sur le calcul de trajectoires d'ébauches 5 axes, en particulier pour l'usinage de rouets. D'une manière générale cela correspond à une opération de vidage de poche 5 axes pour laquelle des algorithmes de base existent, dans la littérature comme chez Missler Software, mais doivent être adaptés pour traiter les cas envisagés. En effet nous considérons dans ces travaux des outils toriques afin de garantir des débits de copeaux élevés et des angles d'orientation fixes ou variables de l'outil par rapport à la normale à la surface afin d'assurer les évitements de collisions. Dans ce cas, la gestion des surépaisseurs laissées par l'outil sur les surfaces à usiner, les fonds comme les bords, est plus difficile. Enfin, l'objectif est bien de proposer le démonstrateur d'une solution industrialisable, c'est à dire implémentée dans TopSolid'Cam dans la suite de la thèse. Il est donc nécessaire d'intégrer dans les travaux des contraintes géométriques liées aux modèles CAO industriels, comme les surfaces multi patches, la présence de discontinuités en position ou en tangence entre les carreaux ou les courbes, etc.

  • Titre traduit

    Trajectory planning for five axes roughing of complex shapes


  • Résumé

    Missler Software, a company specialized in the development of Computer-Aided Manufacturing software, wishes to propose efficient and innovative 5-axis roughing cycles for aeronautical and space companies. 5-axis roughing tool path computation applied to complex shapes is based on two linked problematics: the identification of the representative entities which define the shape to rough on one hand, and the tool positions and orientations computation on the other hand. Thereby the first problematic is to automatically identify the CAD model's specific entities which allow the basic geometric elements' definition on which the trajectory computation depends. For example, the surface to machine, the tool guiding curves, the curves and surfaces to take into account in the collision avoidance computation, the curves and surfaces' relimitation, etc. The decomposition of the geometry as much global as possible would allow to treat different parts' families and maintain the generality of the method. The particularisation to parts' families such as impellers is also considered to optimize the trajectories as much as possible and thus ensure the productivity and the quality of the manufactured parts. Finally, in order to include manufacturing constraints in the design stage, design methodologies of the parts could be defined using TopSolid to ease the representative entities detection for the trajectory generation in the CAM module TopSolid'Cam. Once the representative geometric entities have been identified, tool positions and orientations must be computed. The aim is to maximize productivity, to ensure constant manufacturing thicknesses for the finishing stage, and to avoid re-roughing in the corners or in the difficult to access areas. In the literature, several works tackled the 5 axis roughing trajectories computation, especially for the impellers machining. From a global point of view it corresponds with a 5 axis pocket machining operation for which there are basic algorithms in the literature as well as among the Missler Software's algorithms, but they need to be improved or adapted to other cases. Indeed, in this work toric tools are considered to ensure higher chip flows and fixed or constant orientation angles of the tool compared with the surface's normal in order to guarantee collision avoidance. In this case, the allowances management along the surfaces to machine is more difficult, along the bottoms as well as along the edges. Finally, the aim is to propose a solution which can be implemented in TopSolid'Cam after the thesis. Then it is necessary to integrate in these works geometric constraints linked to industrial CAD models, like multi-patches surfaces, position or tangency discontinuities between the curves or the patches, etc.