Développement d'une méthodologie de génération de trajectoires d'ébauche en usinage 5 axes

Development of a toolpath planning methodology for roughing in five-axis machining

• Auteur / Autrice : Baptiste Jousselin
• Direction : Christophe Tournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1981-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Dessein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Duc, Matthieu Rauch, Yann Quinsat, Sylvain Lavernhe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Duc, Matthieu Rauch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Courbes sur les surfaces

CFAO, Systèmes de

Conception assistée par ordinateur

Mots clés libres

Conception Assistée par Ordinateur

Ébauche 5 axes

Fabrication Assistée par Ordinateur

Génération de trajectoires

Optimisation d'orientation d'outil

Synchronisation de courbes

Computer Aided Design

Computer Aided Manufacturing

Curve synchronisation

Five-Axis roughing

Trajectory planning

Tool orientation optimisation

Résumé

La complexité des pièces à fabriquer ne permet plus de s’affranchir d’aides numériques à la programmation de trajectoires d’usinage telles que les logiciels de Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO). Cependant, la large gamme d’opérations pour la finition 5 axes généralement proposée par les logiciels contraste avec le manque de solutions concernant la phase d’ébauche. Cette séquence peut pourtant améliorer la productivité du processus d’usinage global.Les travaux présentés dans cette thèse portent donc sur le développement d’une méthodologie de génération de trajectoires d’usinage 5 axes simultanés pour la séquence d’ébauche. L’utilisation de courbes pour guider l’outil dans le volume de matière à retirer garantit le parcours de la totalité de celui-ci, et donc un enlèvement de matière maximal. Les courbes guides sont construites automatiquement à partir du modèle numérique de la pièce à usiner et mettent en œuvre des algorithmes de calcul d’offsets de courbes et de surfaces au moyen de méthodes vectorielles ou de champs scalaires. Les orientations de l’outil de long des courbes guides sont ensuite déterminées par un algorithme d’Optimisation Quadratique Successive, selon des critères de productivité, de comportement de l’outil, et de qualité de surface, par la recherche d’un paramétrage spécifique des courbes guides.L'implémentation de la stratégie d'ébauche 5 axes dans le logiciel de FAO TopSolid a permis de réaliser des essais d’usinage avec outils toriques et valider la stratégie sur des pièces industrielles typiques de l’industrie aéronautique.

The complexity of the parts to be manufactured leads to an indispensable recourse to digital media for trajectory planning such as Computer Aided Manufacturing (CAM) software. However, a real imbalance is noted between the wide range of 5-axis finishing operations currently available in CAM software and the lack of solutions for the roughing sequence, which can though improve the productivity of the overall machining process.This thesis manuscript therefore tackles the development of a simultaneous 5-axis toolpath planning methodology for the roughing sequence. Guiding curves are used to create a geometric path which allows the tool to travel the whole volume to remove, and thus ensure a maximum material removal. Guiding curves are built automatically from the numerical model of the workpiece and implemented algorithms for calculating curve and surface offsets using vector methods or scalar fields. The orientations of the tool along the guiding curves are then determined by a Sequential Quadratic Programming algorithm, according to criteria of productivity, tool behaviour, and surface quality, by searching for a specific parameterization of the guiding curves.The implementation of the 5-axis roughing strategy in the TopSolid CAM software enabled machining tests with toroidal cutter, which allowed the strategy's validation on typical parts of the aerospace industry.