CR Final Chaud. BULUT ET CAPELLE

TP Chaudronnerie
10/12/2014
15/12/2014
Introduction : Le but de ce TP de chaudronnerie est de découvrir les différentes étapes nécessaires
à l'élaboration d'un brut mécano-soudé. On va donc réaliser plusieurs pièces d'un vélo allongé pour
illustrer les techniques disponibles. Chaque binôme va réaliser une pièce différente.
On créé une fusée de direction, qui permet deux liaisons pivots : entre la roue et la fusée et entre la
fusée et le châssis. Ces pièces doivent être résistantes et précisent car elle doivent supporter le poids
du passager et avoir les pivots concourants.
On utilise donc quelques pièces qui ont été usiné afin d'améliorer leur précision.
En effet les techniques de mécano-soudages sont bien moins précisent que l'usinage. Elles ont donc
l'avantage d'avoir des matériaux et des machines peu coûteuses mais ne permettent pas de faire tout
type de pièce.
La conception de bruts mécano-soudé est composée de plusieurs parties. Nous allons décrire ces
parties qui permettent à partir de matériaux bruts la création de nombreux objets fonctionnels ou
esthétiques présents autour de nous.
La conception de bruts mécano-soudé est définie de la manière suivante :
Produit standard => Découpage => Conformation => Assemblage => Traitement =>
Métrologie
I- Présentation des étapes
Les produits standards
Les produits standards se présentent sous la forme de
-tôles de métal de format 2m-1m ou 3m-2m
-tubes de différents rayons et épaisseurs
Les matériaux les plus utilisés sont l’acier inoxydable, l'aluminium,le titane ou encore le plastique.
1) Découpage
Le découpage est une partie importante de la chaudronnerie. Les produits de bases étant normalisés,
il faut les découper afin d’obtenir le format nécessaire pour réaliser la pièce demandée.
Il existe plusieurs méthodes de découpe qui sont ou non à privilégier suivant différents facteurs tels
que :
-L'épaisseur du produit de base
-Le matériau
-La précision demandée
Les procédés de découpe sont divisés en deux grandes parties :
-Le découpage thermique qui consiste à utiliser la chaleur pour faire fondre des parties de la pièce et
ainsi la découper
-Le découpage mécanique qui consiste à appliquer un effort suffisant sur une partie de la pièce
l'amenant à dépasser sa limite de cassure.
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
1/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
a) La découpe thermique
-Oxycoupage :
L'oxycoupage consiste à découper la matière par combustion localisée et continue du métal par un
jet d'oxygène pur.
On chauffe donc la tôle puis on envoie de l'oxygène pur qui oxyde la partie touchée et chauffe les
parties autour. Ce gaz sous pression permet aussi d'évacuer la matière fondue.
Le point de la pièce où l'on commence la découpe est donc porter à une température d'environ 1300
°C
Cette méthode est la plus souvent utilisés pour le Fer, le Manganèse et le Titane
Les épaisseurs oxycoupables vont pour l'acier de 3mm à 2m, on peut donc découper de grosses
pièces grâce à cette méthode.
La précision quant-à elle varie selon la pureté de l'oxygène envoyé.
L’inconvénient de cette méthode est le temps que met la machine pour la découpe qui est assez
long.
-Découpe plasma :
La découpe plasma consiste à créer un arc électrique compris entre 3000°C et 3200°C.
La température de fusion de l'acier par exemple est 1500°C-1600°C
Un arc électrique seul est donc peu adapté.
On rajoute donc un gaz plasmagène (jet d'air ionisé) qui est injecté dans l'axe pour atteindre
15000°C-30000°C
La matière fond donc rapidement et le gaz souffle la matière fondue avec des vitesses très élevées.
L'épaisseur de découpe varie selon le gaz utilisé :
Air (15mm) - Azote - Argon-Hydrogène (35mm)
On est donc limité en épaisseur.
La qualité de la découpe quant-à elle dépend de la qualité de la machine.
Finalement il y a création d'une dépouille lors de la découpe ce qui peut être gênant.
-Découpe laser :
Le découpage laser consiste à découper la matière grâce à une grande quantité d'énergie générée par
un laser concentrée sur une très faible surface.
La consommation globale d'énergie n'est donc pas énorme mais on obtient une puissance surfacique
gigantesque.
Le découpage laser permet une découpe fine avec peu de déformations.
Un autre avantage est que l'on peut régler la puissance pour par exemple découper du plastique.
Conclusion :
-Laser : 10mm max d'épaisseur – bonne précision (0,1mm).
-Plasma : 50mm max d’épaisseur – précision moyenne (dépouille).
-Oxycoupage : 1000mm max d’épaisseur – méthode longue.
b) La découpe mécanique
-Cisaillage :
Le cisaillage consiste à déformer la matière grâce à une contrainte de cisaillement.
La tôle est cisaillée entre deux lames : l’une fixe et l’autre mobile.
Il y a alors création de deux fissures de chaque côté de la pièce qui se rejoignent séparant ainsi la
pièce à l'endroit souhaité.
Les avantages de cette méthode est que l'on puisse incliner plus ou moins la lame mobile pour
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
2/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
diminuer les efforts nécessaires.
Le problème étant les fissures qui ne sont pas perpendiculaires à la pièce, il faut donc ajouter un
angle α entre les deux lames.
De plus, plus la lame est inclinée, plus il faut de temps de découpe.
Finalement le plus gros problème est le pliage de la tôle dut à la friction.
-Poinçonnage :
La poinçonneuse est constituée d'un poinçon et d'une matrice de la même forme que le poinçon.
Elle utilise le grignotage, succession de trou tangent, afin de créer une découpe.
La précision dépend des poinçons installés sur la machine. Seul inconvénient : une couche de
graisse est déposée sur la pièce.
-Découpe jet d'eau :
Cette méthode consiste à envoyer de l'eau sous haute pression afin de découper les pièces
Par comparaison :
Eau du robinet : 1,5 bar - 3 bars
Nettoyeur haute pression : une 100e de bars
Découpe jet d'eau : entre 4000 et 6000 bars
Cette technique a plusieurs avantages :
Pas d'échauffement des matériaux
Pas d'efforts de coupe
Flexibilité (type de matériaux, petites et grandes tailles)
On peut également grâce à cette technique faire de la découpe alimentaire (mille-feuille, pizza, …)
Le problème de cette technique est la nécessité d'un bassin d'environ 700mm d'eau au minimum en
dessous de la pièce qu'on souhaite découper. L'eau du bassin à pour but de ralentir l'eau sous
pression. Il est même nécessaire de rajouter une tôle martyr au fond du bassin pour stopper la
pression énorme et ne pas abîmer le fond du bassin.
2) Conformage
-Pliage :
Le pliage consiste à fléchir la tôle et dépasser sa limite
élastique pour ainsi créer un pli.
On obtient α (l'angle de pliage) en gérant la force F
appliquée par le poinçon sur la tôle.
Cette méthode donne une précision d'environ 0,1mm –
0,5mm.
La matière est déformée localement au niveau du pli.
On a d'un côté de la pièce une traction et de l'autre une
compression.
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
3/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
Il est donc intéressant de connaître la fibre neutre de la pièce afin de savoir où plier.
-Profilage :
Le profilage consiste en un succession de pliages à froid, effectués grâce à des mollets, afin d'arriver
au pliage souhaité.
3) Assemblage
Soudage : Le but est d'assembler de façon permanente plusieurs pièces, tout en assurant entre elles
la continuité de la matière.
Cette méthode est impossible pour des métaux avec des températures de fusion différentes.
-Soudage par point :
Technique électrique sans métal d'apport.
On met en contact les deux pièces puis on fait passer un courant qui crée un soudage ponctuel entre
les deux pièces.
Cette technique doit être répétée à plusieurs endroit afin d'obtenir un soudage global résistant.
-Soudage à l'arc :
On créer un arc électrique (3000°C – 3500°C) qui permet de faire les deux pièces en contact et ainsi
de les souder. (je ne comprends pas cette phrase)
Il faut protéger la zone qui se solidifie pour éviter l'oxydation ? On ajoute donc du laitier en fusion
pour la protéger puis une fois solidifié, on le casse. (je ne sais pas non plus)
-Soudage Mig-Mag :
On utilise une électrode fusible et un gaz protecteur (gaz neutre qui ne réagit pas avec le métal
fondu pour Mig: argon ou argon + hélium contrairement au Mag : mélange d'argon avec du
dioxyde de carbone et de l'hydrogène en proportions variables selon les métaux à souder )
On obtient une grande vitesse de soudage avec cette technique.
-Soudage Tig :
On utilise une électrode non fusible (tungstène) et un gaz protecteur également.
Un métal d'apport peut être rajouté.
Cette méthode est uniquement viable pour de faible épaisseurs
-Soudage Oxy-Acethylenique :
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
4/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
Création d'une flamme avec une température au sommet du dard de 3100°C.
Un métal d'apport peut être amené en supplément si les pièces sont trop écartées.
Suite à la présentation des machines, nous sommes passé à l'acte et avons réalisé des pièces à l'état
brut grâce à l'aide du professeur nous encadrant.
II- Présentation des travaux réalisés
Norme de sécurité à respecter dans l'atelier : une blouse en coton, un pantalon en coton, des
chaussures de sécurité, les cheveux attachés, pas d'écharpe ou autre.
1) La première étape consiste à limer les bords des pièces pour que ce soit lisse car la découpe a
provoqué des bavures sur les contours des pièces. Cette étape est nommée l'ébavurage. Nous faisons
cela avec une meule ou alors une lime pour les parties cylindrique. La pièce étant graisseuse à la
sortie de la machine de poinçonnage et grignotage, un dégraissage est donc nécessaire. Pour ce
faire, nous utiliserons un produit spécifique permettant le dégraissage de la pièce. Il faut bien la
sécher avant la dernière étape pour pas que le sable fasse des cailloux bloquant les conduits. La
dernière étape avant le pliage consiste à décaper la pièce. Effectivement, une couche d'oxyde est
formée sur notre métal (l'acier). Nous voulons avoir son aspect naturel et non oxydé. Nous
utiliserons donc une machine à sabler. Sortie du sablage, la pièce reprend son aspect naturel qui
ressemble plus à l'acier.
2) Deuxième étape : Le Pliage
Cette étape consiste à plier les pièces. Une machine de pliage est disponible dans l'atelier et nous a
permis d'effectuer cette étape.
La machine est reliée à un poste de commande numérisé. Les programmes de pliage sont préenregistrés : il nous suffit de le choisir puis effectuer le pliage comme décrit à l'écran.
La machine comporte deux lames avec un angle spécifique. La pièce étant posée dessus, une autre
lame verticale vient appliquer un effort pour le pliage de celle-ci. L'angle de pliage est défini et la
machine s'occupe du reste en appliquant une force nécessaire. Des capteurs à faisceau sont installés
sur la machine en guise de sécurité : lorsque notre main est entre les lames, la machine ne se met
pas en route. Pour une pièce de petit gabarit où il est nécessaire de la tenir, la sécurité peut être
contournée : nous actionnons le pliage puis lorsque la sécurité se désactive nous pouvons tenir notre
pièce et continuer l'action.
Limite(s) et contrainte(s) de ce procédé : le pliage en « U » d'une pièce ayant une trop grande
hauteur ne sera pas possible. Il faudra donc faire 2 parties et les souder.
Il peut y avoir une petite différence d'angle entre ce que nous voulions effectuer et ce qui a été
effectuer mais cette écart peut être corrigé avec le poste de commande, qui lui, a été programmé
ainsi.
3) Troisième étape : Le Soudage
cette étape nous permet de souder d'autres pièces en métal sur notre pièce de base, comme des
bosses ou un cylindre. Plusieurs procédés existent. Nous allons essayer de décrire nos réalisations.
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
5/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
a) Premier procédé : le MAG (Métal Active Gas)
La fusion du bout métallique (généralement le même type de métal que la pièce à souder) est
effectuée grâce un arc électrique. Un fil d'acier se déroule automatiquement lorsque nous actionnons
le bouton. C'est une méthode de soudage à l'arc. La table est reliée à la masse ce qui permet la
création d'un arc entre l'appareil et la pièce qui elle aussi est conductrice. Essentiellement deux gaz
sont soufflés lors du soudage : l'argon et le dioxyde de carbone ceci permettant d'améliorer la
soudure. Une belle soudure est sans doute une soudure uniforme et sans boulette.
Nous avons procédé comme suit :
nous avons fixé notre pièce avec un cylindre grâce à deux pinces étau. Nous avons placé deux
points de soudure puis avons enlevé les pinces. Ensuite nous avons soudé en forme d'arc. Il faut
faire attention à ne pas rester trop longtemps car le cylindre que l'on souhaite souder peut se
déformer. Or celui-ci à été usiné afin d'avoir une meilleur précision, il ne faut donc pas le déformer.
Sécurité : un casque à cristaux liquides qui s'opacifie dès que la soudure est lancée et des gants
thermiques. Plusieurs niveaux sont disponibles sur le casque qui diffèrent selon la sensibilité des
yeux de chacun.
b) Deuxième procédé : le TIG (Tungsten Inert Gas )
C'est un procédé à l'arc comme la méthode précédente, la seule différence est qu'il n'y pas d'apport
de matière. Les plaques à souder doivent être fines et très proche l'une de l'autre. Nous actionnons
donc le bouton qui permet de faire fondre par effet joule le métal et ainsi créer une soudure entre les
deux pièces.
Sécurité : un casque qui s'opacifie dès que la soudure est lancée et des gants thermiques. Plusieurs
niveaux sont disponibles sur le casque qui diffèrent selon la sensibilité des yeux de chacun.
c) Troisième procédé : soudage à la flamme
Deux gaz sont utiles pour ce procédé : l'acétylène et l'oxygène. Nous ouvrons d'abord un peu
l'acétylène puis nous l'enflammons. Nous augmentons la quantité dégagé jusqu'à ce que la flamme
vibre. Nous ouvrons ensuite l’oxygène jusqu'à ce que seulement UN dard soit formé. Puis nous
faisons fondre les deux plaques métalliques jusqu'à ce qu'une goutte se forme. Nous pouvons nous
aider de la gravité en inclinant les plaques. Puis nous descendons à la vitesse de la goutte. Il faut
faire attention à ne pas toucher les métal avec le dard sinon des petites explosions se forment (plus
de peur que de mal).
Sécurité : des lunettes « de soleil » et gants thermiques.
d) Quatrième procédé : soudage par point
Nous pouvons souder que des plaques. Deux électrodes verticales sont alignées. Nous insérons les
deux plaques à souder puis nous actionnons la gâchette. Une intensité de plusieurs milliers d'ampère
passe par ces plaques et donc par effet joule les deux plaques se soudent. Il n'y a pas de risques
d'électrocution. Cette méthode est utilisé pour la fabrication des voitures par exemple.
Limites et contraintes de ce procédé : Les deux pièces que l'on souhaite souder doivent forcément
être superposées, ces soudures ne sont pas étanches et des plaques de grosse épaisseur ne pourront
être soudées. Les autres procédés permettent des soudures étanches.
Nous avons donc après la réalisation des pièces à l'état brut assisté à un usinage et la métrologie.
III- Usinage et métrologie
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
6/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
1) Usinage
Les pièces que nous avons réalisé nécessitent à certains endroits une précision supérieure qui n'est
pas réalisable grâce aux techniques de mécano-soudage. Nous allons donc utiliser deux machines
d'usinage.
La première machine permet de réaliser la fusée que l'on a soudée à notre pièce dans la première
partie du TP.
La machine utilisée est un tour à commande numérique deux axes. Il peut donc effectuer des
mouvements suivants deux axes (mouvement plan).
La qualité que l'on atteint est une qualité de 7 ce qui équivaut à une précision de plus ou moins 10
microns. Cette échelle de qualité va de 0 à 13 avec la qualité qui baisse quand le nombre augmente.
Cette machine permet une réalisation rapide ( environ 3 minutes ) contrairement aux machines
conventionnelles qui nécessitent 1h de réalisation. Cette technique permet donc la production de
plus de pièces en moins de temps. Le prix est cependant différent : 30k € - 40k € pour une machine
conventionnelle, 120k € pour la machine à commande numérique.
La première machine est une machine de tournage qui diffère de la seconde machine utilisée qui est
une machine de fraisage.
La première met en rotation la pièce alors que la seconde met en rotation les outils. Le tournage est
donc uniquement intéressant pour des pièces possédants un axe symétrie de révolution.
On a deux axes sur cette machines : un axe axiale et un axe radiale. Un axe étant un ensemble
moteur-capteur. Il existe une troisième moteur sur la machine qui permet de mettre en rotation la
pièce mais la vitesse angulaire étant peu importante, il n'y a pas de capteur associé :ce n'est donc pas
un axe.
Réalisation de la pièce :
La pièce est réalisée en 2 phases : on effectue un premier placement sur la machine puis une fois
terminé, on retourne la pièce.
Il faut essayer de limiter au maximum le nombre de phases quand on réalise une pièce qui nécessite
une bonne précision.
En effet quand on change de phase, des défauts de remise en position apparaissent ce qui réduit la
précision.
La pièce est maintenue grâce à trois mors. Ici ce sont des mors doux qui sont utilisés. Ceux-ci étant
usinés sur la machine, ils améliorent la précision contrairement aux mors durs qui sont plus simple à
utilisés mais moins précis.
La différence se fait sur le décalage axial entre la surface cylindre-mors et l'axe de rotation de la
pièce.
Une fois tous les réglages effectués, la réalisation de la pièce commence. L'outil enlève 2mm par
2mm de matière pour éviter de l’abîmer voir le détruire. Une lubrification est utilisée tout le long de
la manipulation. Celle-ci permet de refroidir les outils et la pièce, d'évacuer les copeaux et
d'améliorer les découpes de la matière. Le produit utilisé est composé à 95% d'eau, les 5% restant
étant des produits de lubrification.
Pour effectuer un trou, on utilise en premier un foret, ceux-ci étant moins précis que les autres outils
(qualité 11-12)
On fait ensuite le trou définitif grâce à un outil bien plus précis, un alésoir (qualité 7).
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
7/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3
La machine peut être utilisée en parallèle de Catia afin de gérer :
-critère qualitatif: correction dynamique des outils possible
-critère coût : choix des outils suivant la matière à usiner (il faut un outil avec une dureté supérieur à
celle de la pièce), plus un outils est dur, plus on peut travailler vite avec.
On va maintenant s’intéresser à la seconde machine qui effectue un fraisage.
Celle-ci est une machine 4 axes. On a donc besoin de moins de démontage et donc de moins de
phase.
La pièce est centrée sur la portée de roulement au plus proche des surfaces fonctionnelles. On a
observé l'utilisation d'un tarau-machine permettant de créer un taraudage . Pour ce faire la machine
doit rentrer à la bonne vitesse dans la pièce afin d'obtenir un taraudage avec le bon pas de vis.
Une fois la pièce terminée, on enlève à la main les bavures, on vérifie le perçage grâce à un cylindre
de même diamètre mais de précision plus élevée.
Finalement nous devons vérifier les dimensions de la pièce et retrouver la conformité avec le cahier
des charges.
2) Métrologie
Cette phase finale consiste à effectuer la vérification des dimensions des pièces. Nous avons utilisé
un pied à coulisse (précision ±0,012mm) , un micromètre et un outil permettant de mesurer une
profondeur.
Les dimensions des pièces doivent se rapprocher le plus possible de la nomenclature et être situées
entre l'écart de tolérance. Une lettre (minuscule ou majuscule) et un chiffre se trouve à côté de
certaines côtes, par exemple N7. Ceci représente la tolérance et l'écart de dimension possible. Un
tableau avec toutes les lettres et chiffres nous indiquent entre quelles valeurs doit être la côte.
Conclusion :
Ces séances de TP nous ont permit de voir ce qui se passe après la conception d'une pièce sur un
logiciel de CAO tel que Catia par exemple. Nous avons vu un atelier avec plusieurs machines dont
l'objectif commun est de sortir une pièce la plus parfaite possible. Nous avons donc compris que la
conformité avec le cahier des charges est une règle absolue.
Finalement ce Tp a changé notre vision des bruts mécano-soudés, présents partout autour de nous,
en nous montrant et en manipulant les différentes machines et techniques utilisées dans leur
conception.
BULUT Yavuz
CAPELLE Berenger
8/8
TP Chaudronnerie 2014/2015 S3