Rapport PFE Houssem Ayadi [PDF]

Zitiervorschau

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique *-*-*-*-*-*-*-*

Université de Monastir *-*-*-*-*-*-*-*

Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir *-*-*-*-*-*-*-* Année Universitaire : 2017/2018

MEMOIRE DE

PROJET DE FIN D’ETUDES PRESENTÉ POUR OBTENIR LE

Spécialité : GENIE MECANIQUE Par

Houssem AYADI Né le : 24/03/1994 à Tunis

Conception et projet de réalisation d’une machine de découpe automatique de tubes Soutenu le 20/07/2018 ; devant le jury d’examen : M. Ezzeddine FTOUTOU M. Slah MZALI M. Tarak BOURAOUI M. Adnene ARBOUNI

Président Membre Encadrant Encadrant

Dédicaces A ma très chère mère DORRA Autant de phrases aussi expressives soient-elles ne sauraient montrer le degré d’amour et d’affection que j’éprouve pour toi. Tu représentes pour moi la vie, la source de tendresse et l’exemple de la motivation qui n’a pas cessé de m’encourager et me soutenir dans mes moments les plus difficiles. Tu m’as comblé avec ta tendresse et affection tout au long de mon parcours. Tu as toujours pris soin des moindres détails et été présente à mes côtés pour me consoler quand il fallait. Je te dédie ce travail en témoignage de mon amour éternel. Puisse Dieu, le tout puissant, te préserver et t’accorder la santé, la longue vie et tout le bonheur afin que je puisse te combler de retour.

A mon très cher père MONGI Tu as su m’inculquer le sens de la responsabilité, de l’optimisme et de la confiance en soi face aux difficultés de la vie. Tes conseils m’ont toujours guidé vers le succès et la brillance. Tu es vraiment le symbole de persévérance, de sacrifice et ma source inépuisable d’inspiration. Grâce à ton ambition illimitée, ta confiance en moi, ton esprit sain et positif et tes encouragements, j’ai appris à endurer, résister et réaliser mes rêves. Je te dois ce que je suis aujourd’hui et ce que je serai demain et je ferai toujours de mon mieux pour rester ta fierté et ne jamais te décevoir. Que Dieu le tout puissant te préserve, t’accorde santé, bonheur, quiétude de l’esprit et te protège de tout mal.

A mes précieux HATEM et RAHMA Pour vos bonnes humeurs et le soutien moral que vous m’avez prodigué, pour les bons moments qu’on a passés ensemble et les jolis souvenirs, je vous dédie ce travail avec tous mes vœux de joie, santé et succès.

A ma Grande famille Vos prières et encouragements m’ont été un grand soutien pour mener à bien mes études et dépasser tous les obstacles rencontrés durant monparcours. Veuillez trouver dans ce travail l’expression de mon respect le plus profond et ma reconnaissance la plus sincère.

A ma deuxième famille Enactus ENIM Aux frères et sœurs avec qui j’ai vécu les meilleurs jours et les plus précieux moments de ma vie Aux membres de la famille avec laquelle j’ai vécu plusieurs défis et appris des leçons très importantes qui avaient développé ma personnalité et mon savoir-faire. Que cette famille s’agrandit et ses victoires se succèdent.

A mes précieux Amis Je ne peux pas trouver les mots justes et sincères pour vous exprimer mon affection et mes pensées, vous êtes pour moi des frères et sœurs sur qui je peux compter. En témoignage de l’attachement et de l’amour que je porte pour vous et en souvenirs des fous rires et aventures, des larmes que nous avons partagées et de tous les moments que nous avons passés ensemble, je vous dédie ce travail et je vous souhaite une vie pleine de bonheur, de satisfaction et de réussite. Que notre amitié dure pour toujours.

A ceux qui m’ont enseigné, A tous ceux qui m'ont encouragé, A ceux qui j’aime… A ceux qui m’aiment… Je dédie ce modeste travail…

Houssem

Remerciements Au terme de ce travail, il m’est agréable de m’acquitter d’une dette de reconnaissance auprès de toutes les personnes dont l’intervention au cours de ce stage, a favorisé son aboutissement. J’espère que ce présent rapport reflètera tout le travail effectué et satisfera tout consulteur. Tout d’abord, je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Mr. Adnene ARBOUNI mon encadrant au sein de l’entreprise et ingénieur du bureau de méthodes UAP CSR, pour l’aide et les conseils qu’il m’a accordé à propos des missions évoquées dans ce rapport, le soutien et le temps qu’il m’a consacré et la confiance qu’il m’a accordée pour l’étude de ce projet de fin d’études.

Je remercie également Mr. Hassan SANAÂ pour sa patience, son amabilité, ses coopérations et pour tous les conseils et les informations qu’il m’a dispensées afin que ce stage se passe dans les meilleures conditions. Mes vifs remerciements s’adressent également à Mr. Tarak BOURAOUI, mon encadrant académique qui a gardé un œil attentif sur l’avancement du projet et n’a pas cessé de m’encourager. De même, je tiens à remercier aussi toute l’équipe de l’UAP CSR et le bureau de méthodes centrales au sein de l’entreprise Zodiac Interconnect Tunisie, pour m’avoir intégré rapidement et partagé leur expertise au quotidien. Cette grande famille qui, à part son savoir-faire et son expérience, crée en tout temps une atmosphère de travail agréable.

Mes remerciements à Mr. Ezzeddine FTOUTOU le président du jury et Mr. Slah MZALI le rapporteur pour l'honneur qu'ils m'ont fait en participant à ma soutenance. Sans oublier tous mes professeurs de l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Monastir pour la formation qu'ils m'ont apportée.

Enfin, je tiens à exprimer ma gratitude à ceux qui ont contribué à accomplir mon travail dans de bonnes circonstances et ont participé au déroulement cohérent de mon projet de fin d’études.

Sommaire Introduction générale................................................................................................................... 1 Chapitre 1: Cadre du projet ............................................................................................................. 3 Introduction : ........................................................................................................................... 4 1. Zodiac Aerospace [1]........................................................................................................... 4 1.1.

Domaines d’activités ................................................................................................. 4

2. Groupe Zodiac Aerospace Tunisie et BU ZIT..................................................................... 5 2.1. Sites et BU ................................................................................................................... 5 2.2. Zodiac Interconnect Tunisie ........................................................................................ 5 2.3. UAP CSR ..................................................................................................................... 7 3. Présentation du projet .......................................................................................................... 9 3.1. Problématique .............................................................................................................. 9 3.2. Objectif ...................................................................................................................... 12 Conclusion ............................................................................................................................. 12 Chapitre 2: Etude de l’existant et état de l’art............................................................................... 13 Introduction ........................................................................................................................... 14 1. Etude de l’existant ............................................................................................................. 14 1.1. Matière première ........................................................................................................ 14 1.2. Stockage de la matière première ................................................................................ 14 1.3. Machine utilisée ......................................................................................................... 16 1.4. Lame de scie utilisée .................................................................................................. 17 2. Solutions existantes sur le marché ..................................................................................... 17 2.1. Les machines disponibles sur le marché .................................................................... 17 2.2. Autres technologies disponibles ................................................................................ 20 3. Critique des solutions existantes........................................................................................ 22

Conclusion ............................................................................................................................. 22 Chapitre 3: Analyse fonctionnelle et avant-projet de conception ................................................. 23 Introduction ........................................................................................................................... 24 1. Analyse de besoin .............................................................................................................. 24 1.1. Hypothèses de travail ................................................................................................. 24 1.2. Enoncé du besoin ....................................................................................................... 24 1.3. Diagramme bête à cornes ........................................................................................... 25 2. Analyse fonctionnelle du besoin........................................................................................ 25 2.1. Hypothèses de travail ................................................................................................. 25 2.2. Notion de Fonction de Service (FS)........................................................................... 26 2.3. Les étapes de l’AFB ................................................................................................... 26 2.4. Cycle de vie d’un produit ........................................................................................... 26 2.5. Identification des Eléments du Milieu Extérieur ....................................................... 27 2.6. Caractérisation et qualification des fonctions de service ........................................... 28 2.7. Hiérarchisation des fonctions de service.................................................................... 30 3. Analyse fonctionnelle technique ....................................................................................... 31 3.1. Définition ................................................................................................................... 31 3.2. Le diagramme FAST.................................................................................................. 31 4. Présentation générale de la machine .................................................................................. 32 4.1. Mode de fonctionnement de la machine .................................................................... 33 Conclusion ............................................................................................................................. 34 Chapitre 4: Conception et dimensionnement de la machine ......................................................... 35 Introduction ........................................................................................................................... 36 1. Unité de coupe ................................................................................................................... 36 1.1. Choix du procédé de coupe ........................................................................................ 36 1.2. Dimensionnement et choix de la lame de scie ........................................................... 38

1.3. Les paramètres optimaux de coupe ............................................................................ 42 1.4. Choix du moteur et réducteur .................................................................................... 43 1.5. Dimensionnement du système de serrage .................................................................. 45 1.6. Dimensionnement du système d’avance de la lame .................................................. 48 1.7. Dimensionnement de l’arbre moteur ......................................................................... 55 1.8. Lubrification et nettoyage de la lame......................................................................... 57 2. Unité de chargement .......................................................................................................... 58 2.1. Vue d’ensemble ......................................................................................................... 59 2.2. Zone d’attente ............................................................................................................ 59 2.3. Système de transfert des tubes ................................................................................... 60 2.4. Zone de retour des tubes ............................................................................................ 63 2.5. Système d’avance des tubes ....................................................................................... 64 3. Unité de tri et d’éjection .................................................................................................... 66 3.1. Butée de longueur ...................................................................................................... 66 3.2. Porte d’éjection .......................................................................................................... 68 3.3. Système de tri ............................................................................................................. 68 Conclusion ............................................................................................................................. 69 Chapitre 5 : Projet de réalisation et prototypage ........................................................................... 70 Introduction ........................................................................................................................... 71 1. Contexte et objectifs du prototype ..................................................................................... 71 2. Conception ......................................................................................................................... 72 2.1. Vue d’ensemble ......................................................................................................... 72 2.2. Estimation du coût ..................................................................................................... 73 3. Automatisation................................................................................................................... 74 3.1. Grafcet........................................................................................................................ 74 3.2. Choix de l’API (Automate Programmable Industriel) ............................................... 78

3.3. Programmation de l’automate .................................................................................... 79 3.4. Conception des interfaces HMI ................................................................................. 79 Conclusion ............................................................................................................................. 80 Conclusion générale .................................................................................................................. 81 Références bibliographiques ..................................................................................................... 83 Annexes......................................................................................................................................... 85 Dossier technique du prototype .................................................................................................... 98

Liste des figures Figure 1: Emplacement des produits ZIT dans l'avion [1].............................................................. 6 Figure 2: Produits de l'atelier cintrage ............................................................................................ 8 Figure 3: Angle de coupe 90° ....................................................................................................... 10 Figure 4: Coupe inclinée ............................................................................................................... 11 Figure 5: Mauvais état de surface de coupe .................................................................................. 11 Figure 6: Déformation du tube après coupe .................................................................................. 12 Figure 7: Étagère des tubes bruts .................................................................................................. 15 Figure 8: Smart Rack .................................................................................................................... 15 Figure 9: Machine de coupe tubes ................................................................................................ 16 Figure 10: BEHRINGER EISELE HCS 90 [3] ............................................................................ 18 Figure 11: EISMO 1 WS 370 ANC [4] ........................................................................................ 18 Figure 12: Baileigh Industrial CS-70 NC [5]................................................................................ 19 Figure 13: BEWO FCH 90 [6] ...................................................................................................... 19 Figure 14: Découpe plasma [7] ..................................................................................................... 20 Figure 15: Découpe Laser [9] ....................................................................................................... 21 Figure 16: Principe de fonctionnement de découpage par jet d'eau [11] ...................................... 22 Figure 17: Diagramme bête à cornes ............................................................................................ 25 Figure 18: Cycle de vie de la machine de coupe tubes ................................................................. 27 Figure 19: Diagramme Pieuvre ..................................................................................................... 28 Figure 20: Diagramme de tri croisé des fonctions ........................................................................ 30 Figure 21: Histogramme des fonctions de service ........................................................................ 31 Figure 22: Diagramme FAST de la fonction principale ............................................................... 32 Figure 23: Vue d'ensemble de la machine .................................................................................... 32 Figure 24: Zone de chargement .................................................................................................... 33 Figure 25: Système d’avance ........................................................................................................ 34 Figure 26: Zone d'éjection et tri .................................................................................................... 34 Figure 27: Matrice de choix .......................................................................................................... 38 Figure 28: Recommandation du fournisseur sur le matériau de la lame [14] ............................... 40 Figure 29: Forme des dents recommandée par le fournisseur [14] ............................................... 40 Figure 30: Revêtement EXCELLENT INOX [14] ....................................................................... 41

Figure 31: Tableau de choix de modules de dents [14] ................................................................ 41 Figure 32: Paramètres de coupe recommandés [14] ..................................................................... 43 Figure 33: Détermination de Kc par régression linéaire ............................................................... 44 Figure 34: Système de serrage ...................................................................................................... 46 Figure 35: Le vérin de serrage choisi [16] .................................................................................... 47 Figure 36: Forme des mors mobiles.............................................................................................. 48 Figure 37: Montage de la vis à billes ............................................................................................ 49 Figure 38: Dimensions entre les chariots [17] .............................................................................. 51 Figure 39: Saisie des données dans le logiciel IndraSize ............................................................. 54 Figure 40: Les résultats affichés par IndraSize ............................................................................. 55 Figure 41: Fixation de la lame sur l'arbre ..................................................................................... 56 Figure 42: Kit de micro-pulvérisation [19] ................................................................................... 58 Figure 43: Position de la brosse et la buse de lubrification [4] ..................................................... 58 Figure 44: Vue d'ensemble de l'unité de chargement ................................................................... 59 Figure 45: Vue d'ensemble de l'unité de chargement ................................................................... 60 Figure 46: La différence entre les types des butées ...................................................................... 60 Figure 47: Mécanisme d'avance des butées .................................................................................. 61 Figure 48: Les trois types de leviers ............................................................................................. 61 Figure 49: Système bielle manivelle ............................................................................................. 62 Figure 50: Schéma cinématique .................................................................................................... 62 Figure 51: Simulation par éléments finis ...................................................................................... 63 Figure 52: Système d'avance des tubes ......................................................................................... 64 Figure 53: Dimensions du système chaîne et pignon [20] ............................................................ 65 Figure 54: Butée de longueur ........................................................................................................ 66 Figure 55: Schéma cinématique de la porte d'éjection ................................................................. 68 Figure 56: Résultats de la simulation ............................................................................................ 69 Figure 57: Méthodologie de réalisation des projets de conception............................................... 71 Figure 58: Exemple de gabarit ...................................................................................................... 72 Figure 59: Vue d'ensemble du prototype ...................................................................................... 73 Figure 60: Grafcet de conduite G0................................................................................................ 76 Figure 61: L'interface du TIA Portal ............................................................................................. 79 Figure 62: L'interface HMI ........................................................................................................... 80

Liste des tableaux Tableau 1: Caractéristiques des tubes ........................................................................................... 14 Tableau 2: Caractéristiques de la machine actuelle ...................................................................... 16 Tableau 3: Caractéristiques de la lame de scie actuelle ................................................................ 17 Tableau 4: Enoncé du besoin ........................................................................................................ 25 Tableau 5: Critères et flexibilités des fonctions de service........................................................... 29 Tableau 6: Barème d'évaluation des fonctions de service ............................................................ 30 Tableau 7: Avantages et inconvénients du sciage......................................................................... 37 Tableau 8: Avantages et inconvénients de la découpe Laser ........................................................ 37 Tableau 9: Avantages et inconvénients du découpage par jet d'eau ............................................. 37 Tableau 10: Les facteurs et leurs coefficients ............................................................................... 38 Tableau 11: Caractéristiques de la lame de scie optimale ............................................................ 42 Tableau 12: Les composants choisis ............................................................................................. 45 Tableau 13: Caractéristiques des vis à billes ................................................................................ 49 Tableau 14: Différence entre les types de glissières ..................................................................... 50 Tableau 15: Articles et composants .............................................................................................. 74 Tableau 16: Les entrées et sorties du système .............................................................................. 75

Liste des abréviations BU: Business Unit ZIT: Zodiac Interconnect Tunisie UAP: Unité Autonome de Production CSR: Cintrage – Soudure – Revêtement interne mm: Millimètre (unité de mesure de longueur) m: Mètre (unité de mesure de longueur) s: Seconde (unité de mesure de temps) min: Minute (unité de mesure de temps) MPa: Mégapascal (unité de mesure de pression) kg: Kilogramme (unité de mesure de masse) N: Newton (unité de mesure de force) FAST: Function analysis system technique OF: Ordre de Fabrication API: Automate Programmable Industriel HMI: Human Machine Interaction Grafcet: Graphe Fonctionnel de Commande des Etapes et Transitions

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Introduction générale

Zodiac Aerospace

Introduction générale Le développement technologique au sein de l’industrie connait un essor important et l’intégration de l’intelligence dans les chaines de production devient une nécessité pour améliorer la productivité et la qualité des produits. Dans cette optique, plusieurs entreprises spécialement dans le domaine aéronautique essayent d’innover et d’intégrer les nouvelles technologies (automatisation, IoT, industrie 4.0) dans leurs sites. Consciente de ce fait, l’entreprise ZIT lance une action d’innovation qui englobe l’ensemble du site nommé WINGZ (Wave of Innovation and Growth of ZIT 2020). Dans ce cadre, l’entreprise cherche à automatiser un grand nombre de ses process de fabrication et de contrôle afin d’augmenter la cadence de production et améliorer la qualité de ses produits. Parmi ces process, il existe le process de coupe tubes qui est actuellement manuel et qui connaît de grands problèmes de qualité et un taux élevé de rebut, d’où la nécessité de l’automatiser. Ainsi, notre projet intitulé « Conception et réalisation d’une machine de découpe automatique des tubes » s’intègre dans le cadre du projet WINGZ. Le projet consiste à concevoir et fabriquer une machine capable de couper des tubes en acier inoxydable de différents diamètres et longueurs d’une façon automatique et contient une unité de chargement, une unité de coupe et une unité de tri et éjection. Le travail est organisé essentiellement en 5 chapitres. Le premier est une mise en contexte et introduction du cadre de travail et de la source de naissance de l’idée de ce projet. Le deuxième chapitre contient une étude de l’existant qui donne une idée sur la machine actuelle, ses composantes et ses défauts et les problèmes rencontrés par les opérateurs et une recherche sur les machines et les technologies de coupe disponibles sur le marché avec leurs avantages et inconvénients. Machine automatique de découpe tubes

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Introduction générale

Zodiac Aerospace

Le troisième chapitre intitulé « Analyse fonctionnelle et avant-projet de conception » contiendra l’analyse fonctionnelle interne et externe du projet c’est-à-dire l’analyse de besoin, les fonctions de service et le diagramme FAST. Ce chapitre va se clôturer par déterminer les solutions technologiques qui vont assurer la réalisation de la fonction principale et une vue d’ensemble de la machine conçue et ses éléments principaux. Le quatrième chapitre détaille les étapes de conception des différentes parties de la machine sous le titre « Conception et dimensionnement de la machine ». En effet, cette partie va commencer par le choix de la technologie de coupe puis expliquer les méthodes et théorèmes utilisés afin d’assurer le bon dimensionnement de toutes les composantes de la machine. Le dernier chapitre met en évidence la phase de prototypage pour valider le principe et les paramètres optimaux de coupe calculés dans la phase de dimensionnement. Il contient l’étude de conception du prototype, sa partie commande, la programmation et les interfaces de l’automate. Nous finissons par une conclusion dans laquelle nous allons récapituler l’ensemble du travail réalisé en citant des idées qui peuvent être mises en place pour assurer la continuité du projet.

Machine automatique de découpe tubes

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

Chapitre 1: Cadre du projet

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

Introduction : Ce chapitre est consacré à la présentation de l’organisme d’accueil, notamment le périmètre de travail, l’énoncé de la problématique et des objectifs visés et à l’identification de la méthodologie du travail.

1. Zodiac Aerospace [1] Zodiac Aerospace est une entreprise aéronautique française créée en 1896 et fournissant des systèmes et des équipements à destination des aéronefs. Elle est spécialisée dans les systèmes embarqués d’avion, les systèmes de sécurité d’avion et l’aménagement de cabine. Elle compte 117 sites répartis à travers le monde sur 16 pays et emploie près de 36 667 personnes avec un chiffre d’affaires de 15 Md€ à la fin de l’exercice 2016/2017. Zodiac Aerospace fournit des équipements à destination des avions commerciaux, des avions régionaux, des avions d’affaires ainsi que des hélicoptères et du spatial.

1.1.

Domaines d’activités

Le Groupe se structure en trois branches opérationnelles, soutenues par une activité de service : -

Zodiac Cabin : conçoit et fabrique des intérieurs de cabine pour l’aménagement d’avions neufs et le réaménagement d’avions anciens. Elle est principalement présente aux ÉtatsUnis.

-

Zodiac Seats : conçoit, commercialise et fabrique des sièges passagers (première classe, classe affaires premium éco et classe économique) pour les avions commerciaux et régionaux, des sièges techniques (pilotes d’avions, sièges pour hélicoptères, sièges pour le personnel navigant).

-

Zodiac Services : s’occupe du service après-vente du Groupe Zodiac Aerospace. Elle est présente en Europe, aux États-Unis, au Moyen-Orient et en Asie.

-

Zodiac Aerosystems : rassemble les activités développant des systèmes de sécurité à bord et au sol, ainsi que des solutions de protection et sauvetage. De plus, elle est spécialisée

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

dans les systèmes embarqués qui assurent des fonctions essentielles en vol. Cette branche englobe les activités suivantes : ▪

Safety Systems

▪

Electrical & CockpitSystems

▪

Control Systems

▪

Fluid and Water & WasteSystems

▪

Connected Cabin

2. Groupe Zodiac Aerospace Tunisie et BU ZIT Le groupe Zodiac Aerospace Tunisie, créé en 2003 est spécialisé dans les structures et équipements aéronautiques.

2.1. Sites et BU Le groupe possède 3 sites industriels en Tunisie (Soliman, Grombalia, et Dhhari). Ce dernier site compte 3 Business Units (B.Us) dont chacune est spécialisée dans une activité aéronautique : ZIT, ZST et ZET.

2.2. Zodiac Interconnect Tunisie Zodiac Interconnect Tunisie est une BU (Business Unit) créée en 2005. Elle présente une division de l’activité Aerosafety Systems qui fait partie de la branche Aerosystems. Le site est situé à Dhhari, Soliman et compte 456 employés qui travaillent en alternance sur deux équipes. ZIT possède un chiffre d’affaires de 15 millions d’euros et elle est spécialisée dans la protection des câblages et des systèmes d’interconnexion.

2.2.1. Gamme de produits Le site Zodiac Interconnect Tunisie (ZIT) travaille pour Zodiac Interconnect France (situé à Loches) et Zodiac Interconnect UK (situé à Slough) sur une large gamme de produits : -

Des faisceaux électriques équipant les trains principaux et les trains avant.

-

Des faisceaux électriques utilisés dans l’habillage du train.

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

Des faisceaux « LVDT » et « LSDS » installés sur les amortisseurs et sur le système d’activation des volets hydrauliques situés dans les ailes.

-

Des raccords composites, Inox suivant norme ABS qui servent pour le raccordement lors du câblage des harnais.

-

Des conduits qui équipent les voilures.

-

Des boîtes électriques installées sur le train avant qui désactivent le circuit de l’orientation de la roue lors du tractage de l’avion.

-

Des boîtes électriques pour alimenter les moteurs des freins électriques du BOEING 787.

-

Des faisceaux réservoir qui font partie du système de surveillance et de gestion du niveau du carburant.

Les produits énumérés ci-dessus sont montés sur l’avion dans des différents emplacements comme le montre la figure 1.

Figure 1: Emplacement des produits ZIT dans l'avion [1]

2.2.2. Clients Les principaux clients du ZIT sont : -

Boeing Airbus Eurocopter

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

Dassault Aviation Embraer Bombardier Aerospace

2.2.3. Organisation de la ZIT Afin d’avoir une meilleure organisation, la BU est divisée sur 3 UAP (unité autonome de production) suivant les processus disponibles : -

UAP CSR (Cintrage – Soudure – Revêtement interne) : cette unité est consacrée pour la production des coudes et des tubes cintrés dont une partie des produits est fournie aux autres UAP comme une matière première.

-

UAP Montage : cette unité est spécialisée dans le montage des gaines, des tubes et des pièces mécaniques pour avoir des faisceaux complètement équipés.

-

UAP Câblage : c’est une unité de câblage spécialisée dans l’équipement des gaines ou des pièces mécaniques provenant de l’UAP CSR ou du magasin par des câbles électriques.

Le site est actuellement organisé comme le montre le Lay-out disponible dans l’annexe 1.

2.3. UAP CSR Cette UAP est consacrée pour la production des tubes cintrés équipés par des embouts, des coudes, des raccords, des boitiers… Elle se divise sur trois ateliers : atelier de cintrage, atelier de soudure et un atelier de revêtement interne.

2.3.1. Atelier de cintrage L’atelier de cintrage présente le périmètre de notre projet et il contient les premières opérations de production de l’ensemble de l’UAP, ce qui justifie son emplacement en amont de la chaîne de production. Il présente un fournisseur interne pour le reste de l’UAP en coudes et en tubes cintrés. La figure 2 présente les produits de l’atelier de cintrage.

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Cadre du projet

Coude

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Tube cintré

Figure 2: Produits de l'atelier cintrage La matière première de cet atelier est sous la forme de tubes en acier inoxydable et elle possède l’effectif de 7 opérateurs et un leader ilot. L’atelier contient les machines suivantes : -

Une machine de coupe tubes

-

Deux machines de coupe coudes

-

Une machine d’ébavurage

-

Une machine d’évasement

-

Trois perceuses/bosseuses à colonne

-

Une cintreuse numérique

-

Une cintreuse conventionnelle

-

Une machine de dégraissage

-

Un bras ROMER pour le contrôle

-

Deux postes de contrôle

2.3.2. Atelier de soudure Cet atelier est réservé pour effectuer toutes les opérations de soudage en utilisant le soudage TIG (Tungsten Inert Gas). Ce procédé est utilisé pour l’encastrement des composants comme les écrous et les embouts sur les tubes cintrés et les boitiers. Certains produits par la suite sont soumis à une opération de microbillage qui consiste à projeter des microbilles de verre sur les surfaces du produit dans le but de le protéger et d’améliorer son aspect esthétique.

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

2.3.3. Atelier de revêtement interne La fonction principale dans cet atelier consiste à appliquer deux couches de produit chimique sous le nom de XYLAN sur les parois internes des tubes et des articles provenant de l’atelier de soudage. Ce traitement est indispensable pour protéger en premier lieu les produits de la corrosion et puis les câbles qui viendront équiper le produit ultérieurement.

3. Présentation du projet Dans la démarche d’amélioration de qualité et de sécurité et dans le cadre du projet WINGZ qui vise à employer les nouvelles technologies au sein de la ZIT, un problème est détecté dans l’atelier de cintrage ce qui a conduit au lancement de ce projet fin d’étude.

3.1. Problématique L’atelier de cintrage est alimenté par des tubes en acier inoxydable, comme matière première, suivant la demande, provenant d’un fournisseur externe avec un cycle d’approvisionnement périodique. La longueur des tubes bruts à la réception varie entre 4,8 m et 6 m, leurs diamètres sont entre 6,35 mm et 28 mm et leurs épaisseurs sont entre 0,5 mm et 1 mm. Pour obtenir un produit fini, cette matière première passe par les opérations suivantes : -

Rassemblement des documents de production (ordre de fabrication, liste du prélèvement, plan).

-

Approvisionnement en tubes et vérification de la correspondance des dimensions.

-

Coupe et ébavurage.

-

Cintrage.

-

Vérification de l’aspect du tube.

-

Contrôle dimensionnelle à 100% en utilisant une machine de mesure tridimensionnelle ROMER.

-

Recoupe et ébavurage des extrémités.

-

Vérification de la qualité de recoupe et l’absence de bavures.

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Cadre du projet

Zodiac Aerospace

-

Contrôle et impression du rapport.

-

Perçage et ébavurage du trou de trainage à l’aide du gabarit.

-

Vérification de la position du trou et l’absence de bavures.

-

Brossage par scotch brite.

-

Vérification de la conformité du brossage et que l’aspect est homogène sur tout le long du tube.

-

Dégraissage.

-

Vérification de la qualité du dégraissage.

-

Introduction de la manchette dans le tube et dans le bon sens.

-

Evasement du tube.

Comme déjà mentionné, la première opération est la coupe qui consiste à couper les tubes bruts en longueurs différentes selon l’OF avec un angle de coupe de 90° comme indiqué dans la figure 3.

Figure 3: Angle de coupe 90° Cette opération produit un grand nombre de produits semi-finis non conformes qui cause trop de perte de temps et de matière première. Cette non-conformité est due à différentes causes qui sont principalement : -

La coupe inclinée : ce phénomène produit une coupe inclinée qui ne peut pas être utilisée dans l’opération de cintrage. Il apparaît lorsque l’angle de coupe est différent de 90° à cause du mauvais serrage de la pièce, le diamètre de la lame de scie circulaire qui est grand et cause une déformation due à l’effet porte à faux, la grande vitesse d’avance et les vibrations dans la machine. La figure 4 illustre une pièce qui contient une coupe inclinée.

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Figure 4: Coupe inclinée -

La longueur non exacte : Il y a quelques post-opérations qui exigent des longueurs de tubes précises avec des intervalles de tolérance serrés, et la machine actuelle n’est pas capable de satisfaire cette exigence ce qui résulte en un taux élevé de rebut.

-

L’état médiocre de la surface de coupe : L’état de la machine actuelle avec la lame de scie utilisée, le mauvais serrage, les grandes vibrations et surtout la vitesse de rotation de la lame de scie et sa vitesse d’avance qui sont loin des valeurs optimales, causent un mauvais état de surface de coupe (figure 5) qui empêche la pièce d’être utilisée dans les opérations de soudage qui suivent.

Figure 5: Mauvais état de surface de coupe -

La déformation du tube : Le serrage du tube dans la machine actuelle se fait d’une manière manuelle, ça veut dire qu’il n’est pas constant et il varie surtout avec le changement d’opérateur

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et lorsque la force de serrage est plus grande de la valeur suffisante, le tube va se déformer et prendre une forme ovale (figure 6) d’où il devient endommagé et doit être jeté.

Figure 6: Déformation du tube après coupe

3.2. Objectif La problématique présentée précédemment, a incité l’entreprise à lancer un projet dans le but de concevoir une machine automatique de découpe de tubes capable de : -

Couper des tubes en acier inoxydable de différents longueurs, diamètres et épaisseurs d’une façon automatique.

-

Charger les tubes et les amener à la partie de coupe automatiquement.

-

Couper les tubes avec les paramètres de coupe optimaux et la meilleure lame de scie.

-

Ejecter les tubes coupés et les trier selon le besoin

-

Connecter avec l’étagère intelligente « Smart Rack » pour avoir les combinaisons de découpe optimales afin de minimiser les chutes.

-

Améliorer les conditions de sécurité pour éviter les accidents.

-

Avoir une interface de communication simple, claire et facile à manipuler.

Conclusion Dans la cadre du projet WINGZ, l’entreprise ZIT a lancé ce projet de fin d’étude afin de concevoir une machine automatique de découpe tube pour résoudre les problèmes de qualité rencontrés avec la machine actuelle. Machine automatique de découpe tubes

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Chapitre 2: Etude de l’existant et état de l’art

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Introduction Ce chapitre est consacré à la présentation du process actuel y inclus la machine utilisée avec tous ses composantes, ses propriétés et ses défauts ainsi que la méthode de travail actuelle. Le chapitre contient aussi une étude comparative sur les machines similaires disponibles sur le marché avec une critique sur leurs caractéristiques.

1. Etude de l’existant 1.1. Matière première La matière première de l’opération de découpe est sous la forme des tubes en acier inoxydable qui possèdent les caractéristiques mentionnées dans le tableau 1 : Tableau 1:Caractéristiques des tubes Longueur

Entre 4,8 et 6m

Diamètre

Entre 6,35 et 28 mm

Epaisseur

Entre 0,5 e 1 mm

Le matériau des tubes est l’acier inoxydable 304 L ou 1.4306 – X2 CrNi 19 11 suivant la désignation DIN. Il est choisi grâce à sa résistance à la corrosion exigée dans l’environnement de travail de l’avion, sa teneur limitée en carbone prévient spécialement la corrosion intergranulaire et il possède les propriétés physiques et mécaniques mentionnées dans l’annexe 2 [2].

1.2. Stockage de la matière première Les tubes sont stockés dans une étagère en nid d’abeille, qui contient 45 alvéoles rectangulaires de dimensions 24 cm / 25 cm où leurs capacités dépendent de la référence stockée. Pour des exigences de qualité, une alvéole ne peut contenir qu’un seul lot. Ces emplacements sont couverts par des tubes en PVC pour les protéger contre le grattage qui est considéré parmi les défauts de qualité comme montré dans la figure 7.

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Figure 7: Étagère des tubes bruts Ce type de stockage possède beaucoup de défauts qui sont principalement le problème d’optimisation dans l’opération de découpe des tubes, ce qui engendre un gaspillage de matière première qui augmente continument, la méthode d’extraction des tubes qui engendre des défauts d’aspect à cause de l’apparition des rayures sur quelques tubes, la longue durée de choix des tubes et d’extraction et la mauvaise apparence esthétique dans l’atelier. Pour ces raisons, l’entreprise a commencé à concevoir et réaliser une nouvelle solution de stockage intitulée « Smart Rack » présentée dans la figure 8 qui va résoudre le problème de gaspillage de matière à l’aide d’un logiciel d’optimisation et faciliter l’opération de chargement et extraction des tubes. Ce projet est actuellement dans la phase de prototypage et sera fonctionnel prochainement.

Figure 8: Smart Rack

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1.3. Machine utilisée Actuellement, l’UAP CSR utilise la machine Promac SY 315 L pour la découpe des tubes, la machine est manuelle où l’opérateur doit amener le tube à couper, régler la longueur souhaitée à l’aide de la butée réglable, serrer le tube à l’aide d’une sauterelle, mettre la lame de scie en marche et enfin la descendre vers le tube en la tirant à l’aide d’un poignet. La figure 9 illustre la machine dans l’atelier de cintrage.

Figure 9: Machine de coupe tubes

Les caractéristiques de la machine sont citées dans le tableau 2 : Tableau 2: Caractéristiques de la machine actuelle Moteur

Triphasé 1,3 kW

Vitesses de rotation

22/44 tr/min

Diamètre maximal de la lame de scie Diamètre intérieur de la lame de scie

320 mm 32 mm

Lubrification

Par arrosage

Dimensions

1020 x 990 x 1830 mm

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1.4. Lame de scie utilisée La lame de scie est responsable d’une façon très significative sur la qualité de coupe c’est pour ça qu’elle doit être choisie soigneusement. La lame actuelle prend la désignation suivante : HSS 250 x 1.5 x 32 Z250 TiCN de la marque espagnole JEM. Cette lame possède les caractéristiques citées dans le tableau 3 : Tableau 3: Caractéristiques de la lame de scie actuelle Diamètre (mm) Epaisseur (mm) Diamètre intérieur (mm) Nombre de dents Type de revêtement Dureté (HRC)

250 1,5 32 250 TiCN 62-65

Selon le catalogue du fournisseur, ce type de lame de scie n’est pas destiné à la découpe des aciers inoxydables, mais il est spécialisé dans la découpe d’aluminium et ça peut expliquer la mauvaise qualité de surface de coupe et la durée de vie courte de la lame (200 coupes avant affûtage puis 100 coupes après chaque affûtage). En plus, le diamètre extérieur de 250 mm est plus grand que nécessaire ce qui augmente l’effet porte-à-faux d’où les vibrations et l’inclinaison dans la coupe.

2. Solutions existantes sur le marché La découpe des tubes avec leurs différents types présente un besoin pour beaucoup d’industries, c’est pour ça qu’il existe une large variété de technologies et machines disponibles sur le marché. Dans cette partie nous allons citer ces technologies et les machines que l’entreprise a consulté avant de décider de fabriquer la machine souhaitée.

2.1. Les machines disponibles sur le marché • BEHRINGER EISELE HCS 90 Machine automatique capable de couper des tubes ronds de diamètre qui varie entre 8 et 90 mm grâce à une lame de scie de diamètre maximal de 315 mm et un moteur de puissance égale à 8 kW permet de fournir une vitesse de rotation variable entre 25 et 215 tr/min. La vitesse de pénétration est réglable en continu de 0,5 à 40 mm/sec.

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La lubrification se fait par un dispositif de micro-pulvérisation qui minimise le volume de lubrifiant utilisé. La machine (figure 10) contient aussi un dispositif d’amenage de matière et une unité de tri et d’évacuation.

Figure 10 : BEHRINGER EISELE HCS 90 [3] • EISMO 1 WS 370 ANC Machine semi-automatique capable de réaliser des coupes entre -60° et +45° par pivotement manuel de la tête de sciage dans des tubes de diamètre allant jusqu’à 120 mm, équipée d’un moteur triphasé 400 V de puissance 1,5 / 2,2 kW donnant deux vitesses de broche (15 et 30 tr/min). La lubrification est effectuée par micro-pulvérisation et le couvercle contient une brosse à copeaux qui aide à enlever les copeaux de la lame de scie pour minimiser le frottement. Cette machine ne contient ni unité de chargement, ni unité de tri et évacuation. La figure 11 illustre la machine.

Figure 11: EISMO 1 WS 370 ANC [4]

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• Baileigh Industrial CS-70 NC Cette machine est automatique destinée à la découpe des tubes de différents diamètres et longueurs, elle possède un moteur de 7,5 kW qui peut fournir des vitesses de rotation entre 17 et 200 tr/min à l’aide du variateur de fréquences, le serrage se fait par vérin hydraulique et la commande par un pupitre tactile pour faciliter la tâche de l’opérateur. La machine assure aussi le chargement, tri et évacuation automatique des tubes. La figure 12 illustre la machine.

Figure 12:Baileigh Industrial CS-70 NC [5] • BEWO FCH 90 Equipée par un moteur de 5,5 kW et une vitesse de coupe qui peut atteindre 240 m/min, cette machine (figure 13) peut produire jusqu’à 2800 pièces/h de diamètre entre 8 et 90 mm et de longueur initiale entre 30 et 5000 mm. Elle contient une unité de chargement et une unité de tri et d’évacuation.

Figure 13: BEWO FCH 90 [6]

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2.2. Autres technologies disponibles A part l’utilisation d’une lame de scie circulaire, Il existe plusieurs solutions qui sont capables de découper des tubes en acier inoxydables. La liste suivante présente la majorité de ces procédés.

2.2.1. Découpe Plasma [7] Le découpage plasma fait partie des procédés de découpage par fusion qui est constitué par un arc électrique resserré par une tuyère. Au cours du processus de coupe, un arc pilote est d'abord allumé par haute tension entre la tuyère et l'électrode (cathode). Il est pauvre en énergie et permet l'ionisation partielle du trajet entre la torche plasma et la pièce à découper. Dès que l'arc pilote touche la pièce à usiner, le circuit électrique se ferme et l'arc principal s’allume par une augmentation de puissance. La grande énergie thermique de l'arc électrique et la forte énergie cinétique du gaz plasma permettent de faire fondre le matériau et d'expulser le métal fondu hors de la gorge de coupe. La figure 14 illustre le procédé de découpe plasma.

Figure 14: Découpe plasma [7]

2.2.2. Oxycoupage [8] L'oxycoupage est un procédé de découpe des métaux par oxydation localisée mais continue à l'aide d'un jet d'oxygène pur. Il est nécessaire, pour cela, de porter à une température d'environ 1300 °C appelée température d'amorçage (ou d'ignition). L'oxycoupage est utilisé pour des aciers doux ou faiblement alliés et sur des épaisseurs allant de quelques millimètres jusqu’à un mètre pour les pièces les plus massives.

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2.2.3. Découpe Laser [9] La découpe laser (figure 15) est un procédé de fabrication qui consiste à découper la matière grâce à une très grande quantité d’énergie générée par un faisceau laser et concentrée sur une très faible surface. Cette technologie est généralement destinée aux chaînes de production industrielles, mais peut également être utilisée aux boutiques, aux établissements professionnels et aux tiers-lieux de fabrication.

Figure 15: Découpe Laser [9]

2.2.4. Découpe par jet d’eau [10] La découpe au jet d'eau est un procédé de fabrication qui découpe la matière grâce à la projection d'eau sous haute pression pouvant aller jusqu'à 6150 bars. Le découpage au jet d'eau permet de découper presque tous les matériaux peu importe leur épaisseur. Entre la découpe au plasma et la découpe au laser, c'est le seul procédé capable de découper tout type de matériaux excepté le verre trempé (exemple: pierre, métaux, verre, marbres, élastomères, matériaux composites ...). Pour cela il existe deux techniques de découpage au jet d'eau : - la découpe à l'eau pure : ce type de découpe au jet d'eau permet de découper les matériaux pouvant être découpés par un cutter, principalement les matériaux fins et peu solides. L'eau est propulsée à travers une buse de coupe pouvant aller de 0,08 mm à 0,3 mm.

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- la découpe à l'eau chargée d'abrasif : ce type de découpe au jet d'eau permet de découper les matériaux les plus résistants. Donc, l'eau est mélangée avec un abrasif qui est le plus souvent du sable. L'eau chargée en sable est propulsée à travers une buse de coupe pouvant aller de 0,2 mm à 0,4 mm. La figure 16 explique le principe de la découpe par jet d’eau.

Figure 16: Principe de fonctionnement de découpage par jet d'eau [11]

3. Critique des solutions existantes Les solutions et les machines citées n’ont pas pu satisfaire le besoin de la société pour plusieurs raisons qui sont principalement : -

Quelques solutions sont très coûteuses par rapport au besoin ce qui rend l’investissement non justifié tel que la machine BEWO FCH 90.

-

Quelques solutions sont limitées et ne satisfont pas complétement les exigences de l’entreprise tel que la machine Eismo.

-

D’autres technologies sont très compliquées et exigent des installations très coûteuses et des normes de sécurité spécifiques tel que le découpage par jet d’eau.

Conclusion La déficience et l’imperfection des solutions existantes dans le marché justifient le lancement de ce projet dans le but de satisfaire les exigences citées précédemment dans les objectifs.

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Chapitre 3: Analyse fonctionnelle et avant-projet de conception

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Introduction Dans l’analyse fonctionnelle d’une machine ou produit, l'objet technique remplit une fonction déterminée qui répond au besoin d'un utilisateur lui-même conditionné par différents facteurs (techniques, économiques, réglementaires, logistiques...). La fonction ainsi déterminée est décomposée en sous - fonctions de plus en plus simples auxquelles on apportera des solutions techniques. Il existe deux types d’analyse : 1) Analyse fonctionnelle de besoin ou externe : C’est une observation extérieure du produit en utilisation qui fournit une vision globale de celui-ci. Il faudra recenser les relations qu’il établit avec son environnement (utilisateurs et les éléments de son environnement). Ces relations constituent les finalités du produit, à savoir les services qu’il rend dénommés les fonctions de services. 2) Analyse fonctionnelle technique ou interne : C’est l’analyse de la solution en fonctionnement par un examen systématique de toutes les relations entre les composants du produit. Le but est d’assurer les fonctions techniques nécessaires à la bonne réalisation des fonctions de services. Dans ce troisième chapitre, nous allons élaborer les deux types d’analyse fonctionnelle de la machine automatique de coupe des tubes afin de connaître ses fonctions de service et les solutions technologiques nécessaires pour les réaliser.

1. Analyse de besoin 1.1. Hypothèses de travail La méthode de l’analyse du besoin s’appuie sur deux hypothèses : • •

Hypothèse 1 : La satisfaction du besoin est réalisée par l’utilisation du produit à concevoir. Hypothèse 2 : Le besoin est satisfait par le changement d’état d’une matière d’œuvre.

1.2. Enoncé du besoin Cette étape consiste à répondre à trois questions qui aident à bien expliquer et verbaliser le besoin. Ces questions sont posées dans le tableau 4 :

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Tableau 4:Enoncé du besoin Questions

Réponses

« A qui le système rend-il service ? »

L’entreprise ZIT

« Sur quoi le système agit-il ? »

Un tube en acier inoxydable

« Dans quel but ? »

Découper le tube en différentes longueurs

1.3. Diagramme bête à cornes Le diagramme bête à cornes (figure 17) est une modélisation qui contient les questions et les réponses du tableau 4.

Figure 17 : Diagramme bête à cornes

2. Analyse fonctionnelle du besoin 2.1. Hypothèses de travail Hypothèse 1 : Le besoin est satisfait par l’utilisation d’un produit. Hypothèse 2 : Le produit est un générateur de services.

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2.2. Notion de Fonction de Service (FS) Action attendue d'un produit (ou réalisée par lui) pour répondre au besoin d'un utilisateur donné. D'une façon générale, il faut plusieurs fonctions de service pour répondre à un besoin. Dans une étude donnée, leur énumération et leur formulation résultent de l'analyse du besoin à satisfaire et le décrivent d'une manière nécessaire et suffisante. Les fonctions de service comprennent les fonctions d'usage et les fonctions d'estime. Ainsi, pour une automobile, transporter serait une fonction d'usage, plaire une fonction d'estime. [12]

2.3. Les étapes de l’AFB L’Analyse Fonctionnelle du Besoin est une démarche relativement longue, qui conditionne grandement la réussite du projet et demande donc beaucoup de rigueur et de soin, [13]. Ses étapes sont les suivantes : 1. Identification des phases de vie du produit. 2. Pour chaque phase de vie (à minima les principales) : a. Identification et caractérisation des Eléments du Milieu Extérieur (EME). b. Identification et validation des Fonctions de Service (FS). c. Caractérisation des F.S et rédaction de CdCF. 3. Hiérarchisation des fonctions.

2.4. Cycle de vie d’un produit Chaque produit possède un cycle de vie qui commence par une idée concrétisée par une conception et qui finit par l’opération de recyclage. Dans le processus de fabrication des machines spéciales, chaque entreprise ou bureau d’études suit une méthodologie qui affecte le cycle de vie de la machine. La figure 18 contient un diagramme qui illustre le cycle de vie des machines fabriquées au sein de l’entreprise ZIT.

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Figure 18: Cycle de vie de la machine de coupe tubes

2.5. Identification des Eléments du Milieu Extérieur On peut énumérer les éléments suivants qui agissent directement sur le système : -

Opérateur Tubes Sécurité Energie Maintenance Environnement Coût Milieu de travail Encombrement

Le diagramme pieuvre illustre les relations entre ces éléments qui constituent les fonctions de service. Ce diagramme est présenté dans la figure 19.

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Figure 19: Diagramme Pieuvre D’après ce diagramme, on peut extraire les fonctions de service suivantes : -

FP1 : Permettre à l’utilisateur de couper automatiquement des tubes en acier inoxydables de différentes longueurs et diamètres. FC1 : Etre facile à utiliser par l’utilisateur. FC2 : Supporter tous les types et les diamètres des tubes disponibles dans le magasin. FC3 : Respecter toutes les normes de sécurité. FC4 : Etre capable de fonctionner par le réseau électrique et l’installation d’air comprimé disponibles au milieu de travail. FC5 : Etre facile à entretenir. FC6 : Ne doit pas nuire à l’environnement. FC7 : Avoir un coût acceptable. FC8 : S’adapter et résister au milieu de travail. FC9 : Etre conçue d’une manière à éviter l’encombrement.

2.6. Caractérisation et qualification des fonctions de service Dans cette étape, nous précisons un critère pour chaque fonction et définissons une flexibilité pour pouvoir juger le niveau de satisfaction de la fonction. Nous rappelons le code de flexibilité normalisé : -

F0 : Niveau impératif

-

F1 : Niveau peu négociable

-

F2 : Niveau négociable

-

F3 : Niveau très négociable

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Tableau 5: Critères et flexibilités des fonctions de service Fonction

Libellé

Critère(s)

Niveau

FP1

Couper automatiquement des tubes en acier inoxydables de différentes longueurs et diamètres.

Angle de coupe

90°

2°

F1

Longueur

Selon l’OF

0.5 mm

F0

-

-

F1

Diamètre (mm)

[6,35 ; 28]

2 mm

F2

Longueur (mm)

[80 ; 6000]

500 mm

F2

Norme de sécurité

OHSAS 18001

-

F0

Courant électrique

Tension : 380 V 240 V Fréquence : 50 Hz Pression : 7 bar -

5%

F1

5%

F1

5%

F1

-

F1

ISO 14001

-

F0

3 ans maximum

-

F2

FC1

Etre facile à utiliser par Interface facile à manipuler l’utilisateur.

FC2

Supporter tous les types et les diamètres des tubes disponibles dans le magasin. Respecter toutes les normes de sécurité.

FC3 FC4

Etre capable à fonctionner par le réseau électrique et l’installation d’air comprimé disponible au milieu de travail.

Air comprimé

FC5

Etre facile à entretenir.

Accès rapide

FC6

Ne pas nuire à Norme l’environnement. d’environnement Avoir un coût ROI (Retour sur investissement) acceptable.

FC7 FC8

FC9

S’adapter et résister au milieu de travail. Etre conçue d’une manière à éviter l’encombrement.

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Tolérance Flexibilité

Température ambiante Humidité

20 °C

50%

F2

%H < 60%

50%

F2

-

-

-

F1

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2.7. Hiérarchisation des fonctions de service Bien que les fonctions de service doivent être satisfaites, une analyse de leurs importances relatives est nécessaire pour définir le poids à affecter à chaque fonction lors de l’évaluation du niveau de satisfaction du besoin par les fonctions en analyse fonctionnelle technique. Le principe de hiérarchisation consiste à attribuer à chaque fonction une note selon le barème cité dans le tableau 6 puis appliquer la méthode du tri croisé comme indiqué dans la figure 20. Tableau 6: Barème d'évaluation des fonctions de service Note

Degré d’importance

0

Equivalent

1

Légèrement supérieur

2

Moyennement supérieur

3

Nettement supérieur

Figure 20: Diagramme de tri croisé des fonctions L’étape prochaine consiste à classer les fonctions de service selon leur degré d’importance (en pourcentage) pour savoir les fonctions de services qui possèdent la priorité et les fonctions qui peuvent être négligées dans les prochaines études. La figure 21 contient l’histogramme des fonctions de service basé sur ce classement.

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40.00% 35.00% 30.00% 25.00% 20.00%

15.00% 10.00% 5.00% 0.00% FP1

FC2

FC1

FC3

FC4

FC5

FC6

FC8

FC9

FC7

Figure 21: Histogramme des fonctions de service On peut tirer de cet histogramme la conclusion que les fonctions de service qu’ils possèdent une priorité par rapport aux autres fonctions de service sont FP1 et FC2, la fonction qui peut être négligée est FC7 et les fonctions à ne pas négliger sont FC3, FC4, FC5, FC6, FC8 et FC9.

3. Analyse fonctionnelle technique 3.1. Définition L’Analyse Fonctionnelle Technique (ou interne) permet la transition entre l’Analyse Fonctionnelle du Besoin et la conception détaillée, qui entre de plain-pied dans les considérations technologiques. Les outils de l’AFT permettent aux concepteurs d’associer d’une façon immédiate toute Fonction Technique (F.T.) et toute Solution Technologique (S.T.) à la Fonction de Service (F.S.) qui la justifie. Cela permet un suivi optimal du projet/produit durant toute sa vie, y compris pour les évolutions du produit. [13]

3.2. Le diagramme FAST Le diagramme FAST est un outil qui traduit les fonctions de service en des fonctions techniques puis en des solutions technologiques. Il se construit de gauche à droite dans une logique qui passe du pourquoi au comment. Le diagramme FAST réalisé est représenté dans la figure 22.

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Figure 22: Diagramme FAST de la fonction principale

4. Présentation générale de la machine L’avant-projet de conception est réalisé à l’aide du logiciel SolidWorks ce qui nous a permis de définir les pièces du système étudié tout en respectant les données de l’analyse fonctionnelle. La figure 23 présente une vue d’ensemble de la machine et montre ses constituants principaux. Unité d’éjection et tri Unité de coupe Unité de chargement

Figure 23: Vue d'ensemble de la machine

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4.1. Mode de fonctionnement de la machine 1- L’opérateur met les tubes à couper dans la zone de chargement (Figure 24) selon l’ordre fourni par l’étagère intelligente « Smart Rack » et démarre le cycle de travail depuis le pupitre de l’automate après avoir préparé tous les réglages. 2- Les butées avancent selon le diamètre du tube suivant pour permettre à un seul tube de descendre et puis les leviers déplacent ce dernier vers le chemin d’avancement où il va être déplacé vers la zone de coupe à l’aide des rouleaux supérieurs et inférieurs qui changent de distance entre eux selon le diamètre du tube (Figure 24). 3- Le tube avance jusqu’à atteindre la butée de longueur qui modifie sa position selon la longueur de coupe souhaitée, la tige du vérin de serrage sort pour bien serrer le tube et puis le moteur avance avec la lame de scie à l’aide du système vis-écrou avec la vitesse d’avance optimale pour couper le tube (Figure 25). 4- Après le desserrage et le recul de la lame, la porte de l’éjecteur s’ouvre à l’aide d’un vérin pneumatique (Figure 26), d’où le tube tombe par gravité et s’installe dans l’un des trois étagères selon la position des deux séparateurs. Enfin l’opérateur récupère le tube coupé.

Zone de chargement des tubes

Leviers

Rouleaux supérieurs et Butées

inférieurs

Figure 24: Zone de chargement

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Figure 25: Système d’avance

Porte d’éjection Vérin pneumatique Séparateurs

d’éjection

Etagères

Figure 26: Zone d'éjection et tri

Conclusion Dans ce chapitre nous avons étudié notre système dans son environnement pour déterminer les fonctions qu’il doit remplir et élaboré l’analyse technique du système à l’aide d’un diagramme FAST afin de déterminer les solutions technologiques. Dans le chapitre suivant, nous allons nous concentrer sur la conception, le choix des pièces et le dimensionnement nécessaire.

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Conception et dimensionnement de la machine

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Chapitre 4: Conception et dimensionnement de la machine

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Conception et dimensionnement de la machine

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Introduction Dans ce chapitre, nous allons élaborer l’étude de conception et le dimensionnement des différentes pièces et modules de la machine de coupe qui vont être soit fabriquées ou achetées en expliquant le critère de choix de ces pièces et les méthodes choisies pour le dimensionnement. Le travail va être divisé en trois parties qui correspondent aux trois unités principales de la machine qui sont l’unité de chargement, l’unité de coupe et finalement l’unité de tri et éjection et il va se baser sur les solutions technologiques choisies dans le diagramme FAST.

1. Unité de coupe L’unité de coupe est l’unité principale de la machine, elle est responsable de la transformation de la matière d’œuvre entrante en matière d’œuvre sortante, c’est-à-dire qu’elle contient l’organe qui va agir sur les tubes en les coupant. Nous allons commencer par le choix de la technologie de coupe sur laquelle tout le reste de l’unité va être basé. Le procédé choisi doit réaliser une coupe précise avec un bon état de surface, moins de copeaux et sans changer les propriétés de la pièce.

1.1. Choix du procédé de coupe Comme indiqué dans le chapitre précédent, il existe un grand nombre de procédés de coupe qui servent à couper les tubes en Aluminium, nous allons citer leurs avantages et les inconvénients. •

Découpe Plasma

Cette méthode est à éliminer parce qu’elle cause beaucoup de chaleur qui change les propriétés de l’acier inoxydable et elle produit un état de surface médiocre. •

Oxycoupage

Ce procédé est aussi à éliminer pour les mêmes raisons que la découpe plasma. •

Sciage

Le bon choix des paramètres de coupe (vitesse de rotation, vitesse d’avance, pas, nombre de dents), et de la scie (choisir une scie destinée à couper le matériau voulu) et bien lubrifier le système assure beaucoup d’avantages. Les avantages et inconvénients du sciage sont cités dans le tableau 7 : Machine automatique de découpe tubes

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Tableau 7: Avantages et inconvénients du sciage Avantages Bon état de surface

Inconvénients Génération des copeaux (peut être minimisée en optimisant les paramètres de coupe)

Température minimale

Nécessite un changement régulier de la lame et un nettoyage fréquent)

Bonne productivité Bonne précision en cas d’automatisation Procédé simple et pas cher

•

Découpe Laser Tableau 8: Avantages et inconvénients de la découpe Laser

•

Avantages Très haute précision

Inconvénients Procédé très cher

Très petite incision

Très haute température

Génération des copeaux presque nulle

Procédé relativement lent

Bonne précision en cas d’automatisation

Nécessite un gaz de protection

Découpage par jet d’eau Tableau 9: Avantages et inconvénients du découpage par jet d'eau Avantages Incision minimale

Inconvénients Procédé compliqué et difficile à installer

Pas de génération de chaleur

Nécessite une grande pression d’eau ce qui implique la nécessité d’une installation spéciale très coûteuse et dangereuse Nécessite une rotation pour couper les tubes creux sans les déformer Très cher

Très peu de copeaux produits Excellente qualité de surface Très haute précision

Afin d’assurer le bon choix de la technologie de coupe qui satisfait le besoin de l’entreprise avec le moindre coût, nous avons décidé de mettre la liste des facteurs qui caractérisent les procédés et affecter un coefficient à chaque procédé selon son importance pour l’entreprise puis préparer une matrice de choix qui contient les notes de chaque procédé afin de les comparer. Le tableau 10 contient les différents facteurs et leurs coefficients.

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Tableau 10: Les facteurs et leurs coefficients Facteur Facilité Coût Qualité Rapidité Précision Incision

Coefficient 0,1 0,1 0,35 0,2 0,2 0,05

Il est très important de mentionner que ces coefficients présentent une approximation sur l’ordre d’importance et ne sont pas calculés d’après des équations ou en se basant sur une méthodologie concrète. Après avoir affecté une note à chaque procédé, nous avons trouvé que le sciage présente la meilleure technologie à utiliser surtout pour son coût réduit et la bonne qualité de surface en cas d’automatisation et aussi il présente le process actuel ce qui facilite la tâche de l’implantation de la nouvelle machine car les ouvriers se sont habitués à cette technologie, cependant si on choisit une nouvelle méthode, les opérateurs doivent être formés de nouveau. La figure 27 présente la matrice de choix qui résume la méthode de choix.

Figure 27: Matrice de choix

1.2. Dimensionnement et choix de la lame de scie Après le choix de la méthode de coupe, nous avons passé au choix d’effecteur qui va être une lame de scie circulaire. Nous avons déjà mentionné que la lame actuelle n’est pas destinée à couper les aciers inoxydables selon le fournisseur et elle possède un grand diamètre qui peut être réduit dans Machine automatique de découpe tubes

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la nouvelle machine dans le but de minimiser l’effet porte-à-faux. Nous avons commencé par une recherche sur les plus grands fournisseurs des lames de scies circulaires et systèmes de sciage à l’échelle mondiale et exploré leurs catalogues et produits destinés à la coupe des métaux afin de trouver la meilleure lame. Finalement, nous avons trouvé deux fournisseurs qui possèdent une diversité des lames dédiées à la coupe des aciers inoxydables. Ces deux fournisseurs sont : -

JEM (fournisseur actuel) : C’est un fournisseur espagnol spécialisé dans le domaine de fabrication des outils de coupe des métaux.

-

Karnasch : Entreprise allemande fondée en 1961 qui fabrique des fraises à aléser, d'outils à dents carbure, de lames de scies circulaires, de scies cylindriques, etc.

Les deux ont des produits similaires en termes de matériau de la lame, diamètre, nombre de dents et même le type de revêtement. Dans la suite, nous allons dimensionner la lame étape par étape.

1.2.1. Diamètre de la lame de scie Tout d’abord, nous allons dimensionner le diamètre extérieur de la lame de scie et comme déjà indiqué, notre but est de minimiser ce diamètre le plus possible pour bien stabiliser la lame en minimisant la distance entre le point de contact et l’axe de rotation. D’où, en prenant compte des dimensions des pièces du mécanisme de coupe choisies (moteur, bride, réducteur, etc.) qui vont être mentionnés ultérieurement, et en minimisant l’encombrement pour avoir un meilleur fonctionnement, nous avons décidé d’utiliser une lame de diamètre extérieur égal à 160 mm au minimum. Chez Karnasch, les diamètres commencent à partir de 200 mm alors que chez JEM il existe des lames avec un diamètre de 175 mm. D’où, en prenant compte de cette information et vu l’histoire entre la ZIT et JEM nous avons décidé d’acheter une lame du fournisseur espagnol et qui possède un diamètre de 175 mm.

1.2.2. Matériau de la lame de scie Selon le fournisseur, on doit choisir une lame de matériau HSS Co 5% qui est un alliage d’acier rapide et 5% de Cobalt pour couper les aciers inoxydables (Voir figure 28).

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Figure 28: Recommandation du fournisseur sur le matériau de la lame [14]

1.2.3. Forme des dents Pour couper les tubes, le fournisseur recommande les lames avec dents de forme BW comme indiqué dans la figure 29.

Figure 29: Forme des dents recommandée par le fournisseur [14]

1.2.4. Type de revêtement JEM présente un revêtement spécial pour les lames destinées à la découpe des aciers inoxydables, il s’appelle EXCELLENT INOX (Voir figure 30) et il garantit une productivité et une durée de vie plus longue avec moins de temps nécessaire pour compléter l’opération. Le fournisseur a réalisé une expérience en utilisant une scie traitée par ce revêtement, une machine automatique de coupe (BEWO FCH 90M) et des tubes en acier 304 L et avec un diamètre de 14 mm et une épaisseur de 1.5 mm qui est très proche de notre cas et la lame a pu terminer presque 5000 coupes (11000/2) qui est énorme comparé aux lames actuelles qui ne peuvent pas dépasser les 1000 coupes.

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Figure 30: Revêtement EXCELLENT INOX [14]

1.2.5. Module et nombre de dents D’après le catalogue JEM, le module des dents recommandé est 3 mm pour les tubes d’épaisseur égale à 1 mm ce qui représente le maximum des épaisseurs disponibles au ZIT. Ce module donne un nombre de dents égal à 180 dents pour une lame de 175 mm de diamètre. La figure 31 montre le tableau de choix des modules de dents.

Figure 31: Tableau de choix de modules de dents [14]

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1.2.6. Récapitulation Le tableau 11 contient toutes les caractéristiques de la lame de scie optimale que nous allons acheter et utiliser dans la nouvelle machine. Tableau 11: Caractéristiques de la lame de scie optimale Fournisseur

JEM

Matériau

HSS Co 5%

Revêtement

EXCELLENT INOX

Forme des dents

BW

Diamètre extérieur

175 mm

Diamètre intérieur

32 mm

Module des dents

3 mm

Nombre de dents

180

Epaisseur

1,6 mm

1.3. Les paramètres optimaux de coupe L’optimisation de la lame de scie n’a aucun effet si nous n’optimisons pas les paramètres de coupe aussi. Travailler avec de faux paramètres de coupe résulte en mauvaise qualité de surface et état de pièce parce que l’avance rapide par exemple cause la déformation de la pièce ou la détérioration de la lame et l’utilisation d’une fausse vitesse de coupe augmente les vibrations. Le fournisseur nous a fourni les paramètres optimaux à utiliser avec ses lames de scie. La figure 32 présente un extrait du catalogue qui montre que pour couper l’inox, il est recommandé d’utiliser une avance par dent (fz) égale à 0.01 mm/dent et une vitesse de coupe égale à 15 m/min. D’après ces données on peut calculer les paramètres suivants : -

Vitesse de rotation : 𝑁 =

1000∗𝑉𝑐 𝜋∗𝐷

=

1000∗15 𝜋∗175

= 27,28 𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛

- Vitesse d’avance : 𝑉𝑓 = 𝑓𝑧 ∗ 𝑧 ∗ 𝑁 = 0,01 ∗ 180 ∗ 27,28 = 49,11 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛

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Figure 32: Paramètres de coupe recommandés [14]

1.4. Choix du moteur et réducteur L’opération de coupe nécessite une rotation de la lame de scie et une avance pour effectuer la pénétration dans la matière. Pour assurer la rotation de la lame, nous allons utiliser un moteur triphasé comme indiqué dans le diagramme FAST de la machine. Ce choix est justifié par la robustesse et le prix économique des moteurs triphasés ce qui les rend le meilleur choix pour notre application. Le choix d’un moteur asynchrone est basé sur deux critères, la vitesse de rotation et le couple moteur nécessaire. Commençons par le calcul du couple moteur, nous devons tout d’abord calculer la force de coupe où nous allons utiliser les mêmes équations qui s’appliquent à l’opération de fraisage car la lame de scie est une fraise à une seule taille. La force de coupe est donnée par la formule suivante : 𝐹𝑐 = 𝐾𝑐 . 𝑎 . 𝑓 Kc : Pression spécifique de coupe en fonction de l’épaisseur du copeau (h) et du matériau usiné. a : Valeur de la profondeur de passe (c’est l’épaisseur de la lame dans notre cas) f : Valeur de l’avance (c’est l’avance par dent dans notre cas)

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Afin de calculer la pression spécifique de coupe Kc de notre cas, nous avons utilisé les données disponibles dans le tableau de l’annexe 3, et puisque ce tableau n’affiche des valeurs de Kc que pour des valeurs d’avance entre 0,1 et 0,8 mm nous avons calculé la valeur de pression spécifique qui correspond à notre valeur d’avance (0,01 mm) à l’aide de la méthode de régression linéaire comme indiqué dans la figure 33, qui nous a donné une valeur de Kc égale à 8869,77 N/mm².

Figure 33: Détermination de Kc par régression linéaire D’où : 𝐹𝑐 = 𝐾𝑐 × 𝑎 × 𝑓 = 8869,77 × 1.6 × 0,01 ≈ 142𝑁 Comme cette force est appliquée sur l’extrémité de dent de la lame de scie nous trouvons que : 𝐶𝑚 = 𝐹𝑐 . 𝑅 Cm : Couple moteur en N.m R : Rayon de la scie en m A.N : 𝐶𝑚 = 𝐹𝑐 . 𝑅 = 142 × 87,5. 10−3 = 12,425 𝑁. 𝑚 Concernant la vitesse de rotation, nous devons garantir une vitesse égale à 27,28 tr/min d’où il est impératif d’utiliser un variateur de fréquence pour avoir cette exacte valeur et avoir une marge de flexibilité en même temps pour pouvoir faire des changements dans les paramètres de coupe à l’avenir.

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Un variateur électronique de fréquence est un dispositif employé pour régler la vitesse et le moment d'un moteur électrique à courant alternatif en faisant varier sa fréquence et la tension, respectivement le courant, délivrées à la sortie de celui-ci. [15] Nous avons décidé de laisser la possibilité de varier la vitesse de rotation entre 70 tr/min et la valeur minimale que le variateur de vitesses peut fournir (10% de la vitesse maximale = 7 tr/min). D’après ces résultats, il est constaté que nous devons utiliser un ensemble de moteur et réducteur qui peut fournir à sa sortie un couple minimal de 12,425 N.m et une vitesse de rotation aux alentours de 70 tr/min. Donc, d’après les données de l’annexe 4, nous avons choisi de travailler avec le moteur, le réducteur et le variateur de fréquence mentionnés dans le tableau 12. Tableau 12: Les composants choisis Composant

Référence

Caractéristiques

Moteur

GAMAK AGM 71 4b B5

Pu :0,37 kW, N :1390 tr/min Mn : 2,54 N.m, Bride : B5

Réducteur

NMRV 40 B5

i : 20, N1 : 1400 tr/min N2 : 70 tr/min, P1 : 0,37 kW Mn2 : 39 N.m

Variateur de vitesses

DELTA 0,37kW

P : 0,37 kW

1.5. Dimensionnement du système de serrage L’opération de découpe ne peut pas être réalisée sans serrer le tube, c’est pour cela que le dispositif de serrage doit être bien dimensionné pour garantir la valeur exacte de force de serrage afin d’éviter toutes les vibrations et ne pas déformer le tube. Le système de serrage contient deux mors fixes (1) et deux mors mobiles (2) qui se déplacent par un vérin pneumatique (3) (Figure 34).

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3 1

2

Figure 34: Système de serrage

1.5.1. Dimensionnement du vérin pneumatique Le vérin pneumatique va déplacer les deux mors mobiles et fournir la force nécessaire de serrage. Avant d’acheter un vérin pneumatique, il nous faut d’abord connaître la longueur de course minimale que la tige du vérin peut sortir et le diamètre minimal du piston. Dans notre cas, la course nécessaire est égale à 22 mm (6,35 mm < diamètres des tubes < 28 mm) d’où, nous avons décidé de choisir un vérin qui garantit une course de 50 mm pour permettre à la machine de couper de plus grands tubes si c’est nécessaire. Concernant le diamètre du piston, il existe deux types de fonctionnement : - Fonctionnement en statique : C’est lorsque le vérin est utilisé pour serrage ou bridage, c’est l’effort en fin de course qui est recherché, dans ce cas, l’effort développé par le vérin est égal à : – Fsp =

𝜋 4

× 𝐷2 × 𝑝 pour la sortie de tige

𝜋

– Fst = 4 × (𝐷² – 𝑑²) × 𝑝 pour la rentrée de tige, avec : D : diamètre de piston (cm), d : diamètre de la tige (cm), p : pression d’alimentation (bar). Fsp : effort statique développé en poussant (daN) et Fst : effort statique développé en tirant (daN).

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- Fonctionnement en dynamique : C’est lorsque le vérin est utilisé en manipulation ou déplacement, c’est l’effort pendant la course qui est recherché, dans ce cas : – Fdp = Fsp × tc, l’effort dynamique développé en poussant – Fdt = Fst × tc, l’effort dynamique développé en tirant avec tc est le taux de charge connu par le rendement global du vérin. tc=µP × µM avec µP est le rendement pneumatique et µM et le rendement mécanique du vérin. Dans notre cas, le vérin fonctionne en mode statique car il est utilisé pour le serrage des tubes, l’effort minimal que le vérin doit fournir est égal à l’effort produit par la lame de scie pour couper le tube, d’où d’après le calcul réalisé dans la section du dimensionnement du moteur, Fsp = 0,15 x 2 = 0,3 daN avec 2 est le coefficient de sécurité et p= 7 bar car c’est la pression disponible dans 𝐹𝑠𝑝×4

l’usine. D’où : Diamètre du piston : 𝐷 = √

𝜋×𝑝

0.3×4

= √ 𝜋×7 = 0,074 𝑐𝑚 = 0,74 𝑚𝑚

Puisque le fournisseur des vérins actuel de la ZIT est FESTO, nous avons cherché dans son catalogue pour trouver un vérin qui satisfait notre besoin, et enfin notre choix était le vérin avec un diamètre de piston égal à 12 mm (le minimum possible) qui porte cette référence : ADN-12-50-A-P-A. La figure 35 présente une photo de ce vérin.

Figure 35: Le vérin de serrage choisi [16]

1.5.2. Forme des mors mobiles La forme des mors mobiles est très importante dans l’opération de serrage, nous avons conçu ces mors avec une inclinaison dans la face de contact avec le tube (1) pour qu’ils empêchent toute tentative de glissement du tube vers le haut d’où il existe des obstacles dans 4 sens. La forme du mors est expliquée dans la figure 36.

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1

Figure 36: Forme des mors mobiles

1.6. Dimensionnement du système d’avance de la lame Ce système va être composé par trois parties principales : -

La vis et son écrou Les chariots et les rails Le moteur pas à pas

Le choix d’un système vis-écrou pour avancer la lame est justifié par sa capabilité de fournir une vitesse d’avance très faible ce qui est impossible dans le cas des vérins pneumatiques par exemple.

1.6.1. Choix de la vis Il existe seulement deux types différents des vis : - Vis trapézoïdale : Contient un filetage normal (rendement = 30%). - Vis à billes : c’est un système qui contient une vis et un écrou avec des billes intercalées entre les deux. Ces billes diminuent fortement le frottement entre la vis et l’écrou et augmentent le rendement du système pour atteindre jusqu’à 80%. Vu la grande différence en termes de rendement entre les deux types de vis et le petit écart de prix, nous avons choisi d’utiliser la vis à billes. Le tableau 13 présente les caractéristiques des différentes vis à billes fabriquées par la société française FLI en fonction du diamètre de la vis.

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Tableau 13: Caractéristiques des vis à billes

Diamètre (mm) Pas (mm) 16 5 20 5 25 5 32 5 32 10

Bille Ø (mm) 3,175 3,175 3,175 3,175 3,175

Charge de base dynamique (N) 8880 9990 11190 12640 30930

Charge de base statique (N) 15250 19950 25810 34030 61020

Rigidité K (N/µm) 200 250 350 400 400

D’après ces données nous allons choisir une vis de diamètre égal à 16 mm parce que les charges statiques et dynamiques dans notre système ne dépassent pas 400 N (poids de l’ensemble moteur +réducteur + lame + plaque et la force de coupe) et le pas de 5 mm est suffisant parce que nous allons travailler en faibles vitesses. La vis se monte avec un écrou et deux supports BK 12 et BF 12 l’un à droite et l’autre à gauche comme indique la figure 37.

Figure 37: Montage de la vis à billes

1.6.2. Choix et dimensionnement des glissières Nous avons choisi les glissières car elles possèdent les propriétés suivantes : -

Grande précision de fonctionnement et de positionnement (sans jeu).

-

Grande rigidité.

-

Capacités de charge statique et dynamique élevées.

-

Bonnes propriétés d’amortissement.

-

Bonne résistance à la rupture.

-

Bonne étanchéité.

-

Montage simple.

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Il existe aujourd’hui différents types de glissières dont les plus importants sont : -

Les glissières à contact direct.

-

Les glissières hydrostatiques.

-

Les glissières à éléments roulants.

Le tableau 14 présente la différence entre ces trois types de glissières en termes de performance en plusieurs critères. Tableau 14: Différence entre les types de glissières

Précision Rigidité Charge statique Charge dynamique Amortissement Résistance à la rupture Etanchéité Montage simple Prix

Glissières à contact direct XXX XX XX XX

Glissières hydrostatiques XXX X XXX XXX

Glissières à éléments roulants XXX XX XXX XXX

XX XX

XXX XXX

XXX XXX

XX XXX X

XXX X XXX

XX X XX

Puisque les charges statiques et dynamiques sont très faibles (< 400 N) dans notre système, il est inutile d’utiliser les glissières hydrostatiques ou à éléments roulants. Le choix était donc d’utiliser les glissières à contact direct pour minimiser le coût de la machine et éviter la maintenance difficile et compliquée des deux autres types. L’étape suivante consiste à explorer les solutions disponibles sur le marché, nous avons commencé par IGUS qui est le fournisseur de la ZIT et qui offre 6 types de guidages linéaires mais il existe un seul type disponible sur le marché tunisien constitué par des chariots et rails et intitulé drylin® T, ce type possède des propriétés qui sont largement suffisantes pour notre machine. Ensuite, nous avons passé au choix du nombre des chariots et rails, il existe des différentes combinaisons possibles et les deux plus fameuses sont :

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-

Deux rails et deux chariots

-

Deux rails et quatre chariots

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Pour assurer plus de stabilité et rigidité à notre système de guidage linéaire, nous avons choisi la deuxième combinaison car elle assure plus de surface de contact entre les chariots et la plaque. L’étape suivante est de choisir les distances entre les quatre chariots et vérifier qu’ils supportent les charges. Les dimensions sont modélisées comme indiqué dans la figure 38.

Figure 38: Dimensions entre les chariots [17] Nous avons choisi de travailler avec les dimensions standards proposées par IGUS qui sont : Wx = 136 mm; b = 133 mm; Sy = 120 mm; Sz = 60 mm et Y0 = 11,5 mm avec Y0 est une constante appelée constante de la table. La condition de résistance est : Sy + Sz < 2Wx -Y0 AN : 120 + 60 < 260,5 d’où la condition est vérifiée et les dimensions choisies sont bonnes.

1.6.3. Choix du moteur pas à pas Pour choisir quel moteur pas à pas nous devons acheter, il faut calculer le couple résistant qu’il doit supporter. Le moteur doit être capable de faire bouger le système de découpage qui pèse 15 kg d'abord en l'accélérant puis en maintenant cette vitesse. Donc, il doit d'abord surmonter le frottement initial (friction) et ensuite maintenir l'entraînement contre le frottement des pièces mobiles et contre les forces de coupe. Machine automatique de découpe tubes

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Pour calculer la valeur du couple totale, nous avons commencé d’abord par calculer la valeur de C1 qui est le couple créé par la force de coupe et les forces de frottement. 𝐶1 =

𝐹∗𝑝 2𝜋𝑒

Avec : F : la force à surmonter en Newtons : force de coupe (Fc) + force de frottement (Ff). p : le pas de vis en mètre (5mm). e : l'efficacité de vis. (0,8). Fc = 140 N et 𝐹𝑓 = 𝜇 × 𝐹𝑁 = 𝜇 × 𝑚 × 𝑔 avec 𝜇 = 0,2 𝑒𝑡 𝑚 = 15𝑘𝑔 𝑒𝑡 𝑔 = 9,806 𝑁/𝑘𝑔 d’où 𝐹 = 140 + (0,2 × 15 × 9,806) = 169,41 𝑁 𝐶1 =

169,41 × 0,005 = 0,168 𝑁. 𝑚 2𝜋 × 0,8

Le deuxième couple à calculer est celui créé par les moments d’inertie des différents composants du système qui est défini par : 𝑇=𝐽×𝛼 Avec : J est la somme des moments d’inertie et 𝛼 est l’accélération angulaire du moteur. 𝐽 = 𝐽𝑐ℎ + 𝐽𝑣 + 𝐽𝑎𝑐𝑐 Avec : Jch est le moment d’inertie de la charge à déplacer. Jv est le moment d’inertie de la vis. Jacc est le moment d’inertie de l’accouplement utilisé. Mch ∗ p2 Jch = 2π2 Avec : Mch est la masse de la charge et P est le pas de la vis.

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15 × 0,0052 Jch = = 1,9 × 10−5 𝑘𝑔. 𝑚2 2π2 Passons maintenant à calculer Jv : Jv =

Mv∗ 𝑟 2 2

et 𝑀𝑣 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 𝑙 ∗ 𝛿

Avec : Mv : Masse de vis (kg) r : rayon de vis (m) l : longueur de vis (m) 𝛿 : Densité de l’acier inoxydable (kg/𝑚3 ) 𝑀𝑣 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 𝑙 ∗ 𝛿 = 𝜋 ∗ 0,0082 × 0,3 × 7800 = 0,47 𝑘𝑔

Jv =

Mv ∗ 𝑟 2 0,47 × 0,0082 = = 1,5 x 10−5 𝑘𝑔. 𝑚2 2 2

Nous finissons par calculer Jacc, l’accouplement utilisé est SRJ-40C de diamètre 40mm, une longueur de 66mm et une masse de 0,19kg.

Jacc =

Macc ∗ 𝑟 ′2 0,19 ∗ 0,022 = = 3,8 x 10−5 𝑘𝑔. 𝑚2 2 2

D’où : 𝐽 = 𝐽𝑐ℎ + 𝐽𝑣 + 𝐽𝑎𝑐𝑐 = 7,2 x 10−5 𝑘𝑔. 𝑚2 Le moteur va fonctionner avec deux vitesses différentes, la première est une vitesse rapide qui fait avancer le système de sa position initiale vers le tube et la deuxième est une vitesse faible qui fait pénétrer la lame dans le tube (49 mm/min calculée à partir de fz). L’accélération principale que le système doit fournir est au début, nous voulons que le système traverse rapidement une distance de 300 mm en 5 secondes c’est-à-dire qu’il faut atteindre une vitesse de déplacement de 0,12 m/s ce qui nécessite une vitesse de rotation du moteur égale à :

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𝑁=

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𝑉 0.12 = = 24𝑡𝑟/𝑠 = 1440𝑡𝑟/𝑚𝑖𝑛 𝑝 0,005

D’où la vitesse angulaire du moteur va atteindre : 𝜔 = Ce qui nous donne une accélération angulaire : 𝛼 =

∆𝜔 ∆𝑡

2𝜋𝑁 60

=

=

2𝜋×1440

150−0 5−0

60

= 150 𝑟𝑎𝑑/𝑠

= 30 𝑟𝑎𝑑/𝑠²

𝑇 = 𝐽 × 𝛼 = 7,2 x 10−5 × 30 = 0,002 𝑁. 𝑚 𝐶𝑡 = 𝐶1 + 𝑇 = 0,168 + 0,002 = 0,17 𝑁. 𝑚 Afin de vérifier ce calcul, nous avons utilisé un programme créé par le fameux groupe Bosch qui est un leader mondial de technologies et de services. Il est nommé IndraSize et il permet de dimensionner les moteurs pas à pas pour plusieurs applications tels que les systèmes de guidage linéaire. Il suffit de saisir toutes les données nécessaires et il calcule le couple nécessaire et la vitesse maximale. La figure 39 montre la fenêtre dédiée à la saisie des données.

Figure 39: Saisie des données dans le logiciel IndraSize

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Après avoir cliqué sur le bouton « Next » et saisir les données reliées à la vitesse de déplacement voulue, le logiciel affiche les résultats comme indiqué dans la figure 40.

Figure 40: Les résultats affichés par IndraSize La figure précédente montre que le logiciel a donné les mêmes résultats obtenus par calcul ce qui confirme la justesse de nos calculs. Ces résultats montrent que nous devons choisir un moteur avec un couple supérieur à 0,17 N.m et qui peut dépasser une vitesse de rotation égale à 1500 tr/min. Ces caractéristiques sont présentes chez le moteur NEMA 23 de la marque Schneider Electric qui présente notre choix. La fiche technique de ce moteur est disponible dans l’annexe 5.

1.7. Dimensionnement de l’arbre moteur L’arbre moteur est responsable de transmettre la rotation à la lame de scie, il doit être rigide pour supporter et absorber les vibrations créées par le contact entre la lame et le tube et le plus court possible pour minimiser la distance entre la lame et le réducteur d’où minimiser la valeur du couple résistant et la flexion de l’arbre. Donc, nous avons conçu un arbre en acier inoxydable pour assurer la rigidité et la résistance à la corrosion puisqu’il va être en contact avec le lubrifiant d’une manière continue, de longueur égale à 143 mm et de diamètre égale à 18k6 du côté du réducteur pour qu’il

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soit monté facilement et de diamètre 32g6 de l’autre côté pour que la lame se monte avec jeu sur l’arbre. Le dessin de définition est disponible dans le dossier technique joint au rapport. La lame va être encastrée à l’aide d’une vis M16 qui fixe une flasque contre l’épaulement de l’arbre moteur pour éliminer la translation de la lame suivant l’axe de l’arbre comme montré dans la figure 41. Le taraudage M16 dans l’arbre doit être gauche pour que la vis ne se desserre pas lors de la rotation. Lame de scie Flasque Arbre moteur

Vis M16

Figure 41: Fixation de la lame sur l'arbre Calcul des clavettes : En se basant sur le tableau dans l’annexe 6 [18], nous allons utiliser deux clavettes parallèles de type A pour supprimer la rotation de l’arbre moteur par rapport au réducteur. La largeur des clavettes est égale à : a = 6 mm et leur hauteur : b = 6 mm avec une longueur : l = 26 mm. Ensuite, nous avons fait la vérification de ces dimensions : -

Condition de longueur : (l < 1,5d) : Vérifiée car l = 26 mm et 1,5*d = 27 mm.

-

Résistance au cisaillement : Pour que la clavette résiste en cisaillement, il faut que 𝜏 < 0,5 × 𝑃𝑎𝑑𝑚 avec 𝜏 : Contrainte de cisaillement et 𝑃𝑎𝑑𝑚 : Pression admissible. 𝐹

𝜏 = 2×𝑎×𝑙 (Deux clavettes)

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et 𝐹 =

2𝐶 𝑑

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avec C : couple dans l’arbre et d : diamètre de l’arbre 𝐶 = 𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑛2 = 39 × 103 𝑁. 𝑚𝑚

𝐹=

2𝐶 18

= 4,33 × 103 𝑁 , d’où 𝜏 =

4.33 × 103 2×6×26

= 13,87 𝑀𝑃𝑎

D’après les données citées dans l’annexe 7, la valeur approximative de 𝑃𝑎𝑑𝑚 est 70 MPa d’où la condition de résistance au cisaillement est vérifiée car 13,87 < 35 MPa. Résistance au matage : Pour qu’une clavette résiste au matage, il faut que la pression de ce dernier soit inférieure ou égale à la pression admissible (𝑃𝑚