Accélérer légèrement
Avec le développement de mandrins de tournage de plus en plus légers, SCHUNK répond aux exigences de ses clients qui souhaitent produire leurs composants rapidement et en réduisant la consommation d’énergie. Pour ce faire, SCHUNK utilise les solutions de simulation de CADFEM, notamment les logiciels d'optimisation topologique et paramétriques.
Le mandrin à crochet conique ROTA NCE développé par SCHUNK combine construction légère, capacité de charge maximale et un langage de conception exceptionnel. La géométrie du mandrin de tournage a été adaptée au flux de force de telle sorte qu'une rigidité maximale est garantie malgré la construction légère. Par rapport aux mandrins de tour conventionnels, l'inertie de masse a été réduite jusqu'à 40 %, selon la taille.
L’attente : Une grande rigidité pour une faible masse
Avec le développement du RCE ROTA, les spécialistes du centre de compétences SCHUNK pour la technologie de tournage et les systèmes de fixation d'outils stationnaires à Mengen, en Haute-Souabe, ont voulu contribuer à l'amélioration de la gestion de l'énergie conformément à la norme DIN EN ISO 50001. L'objectif était de développer un dispositif de serrage avec une faible masse ou inertie de masse afin de minimiser l'énergie d'accélération requise et la durée d'accélération. Cependant, la fonction de serrage de base du mandrin - mesurée en termes de rigidité et de variabilité - devait être entièrement conservée, et si possible même augmentée. La précision souhaitée en matière de battement radial et axial devait également être garantie.
À cette fin, une optimisation topologique a été utilisée pour déterminer la structure grossière des composants du dispositif de serrage sur la base du flux de force respectif. Dans l'optimisation des paramètres qui en découle, les dimensions résultantes ont été modifiées de manière à créer une structure fine optimale. Les propriétés du dispositif de serrage ainsi conçu ont ensuite pu être évaluées par des analyses FE et comparées à des dispositifs de serrage fabriqués précédemment.
SCHUNK ROTA NCE est un mandrin électrique à 3 mors extrêmement léger, de conception innovante, qui offre un grand potentiel d'économies dans les processus dynamiques. Le mandrin est idéal pour une utilisation sur des machines avec des cylindres à faible course. Plus d'informations sur schunk.com
Structures de l'arc sous les mâchoires
"Pour l'optimisation topologique, nous avons défini un modèle initial dans Ansys qui contient les contraintes nécessaires telles que les forces et les roulements", explique Mathias Siber, qui a fait de ce projet le sujet de son mémoire de maîtrise. "La fonction objective de l'optimisation a été choisie pour maximiser la rigidité, avec des restrictions de masse de 70, 50 et 30 % de la masse initiale, respectivement." En outre, les zones fonctionnelles existantes ont été marquées pour les exclure de l'optimisation (zones de non-conception), car elles devaient rester dans leur forme originale.
L'algorithme d'optimisation a ensuite déterminé la forme géométrique de base en fonction des charges mécaniques et des restrictions de masse spécifiées. Cela a donné lieu à des structures en arc dans le corps du mandrin sous le guide des mors et à des évidements circulaires entre les glissières, ainsi qu'à un contour général conique du mandrin.
"L'optimisation topologique a permis de réduire considérablement le poids du mandrin de tour, ce qui a également un effet positif sur la charge du roulement de la broche", rapporte Philipp Schräder, responsable du développement de la technologie de serrage. "En outre, nous avons déposé la structure en arc résultant de l'optimisation topologique en tant que brevet de conception auprès de l'Office allemand des brevets et des marques, afin de nous protéger autant que possible contre les imitations."
Les études de sensibilité montrent l'influence des paramètres
Après l'optimisation topologique, l'optimisation des paramètres a été réalisée à l'aide d'études de sensibilité avec Ansys optiSLang. Cela a permis d'analyser, de visualiser et d'évaluer l'influence des paramètres d'entrée sur les données de sortie visées. L'algorithme d'optimisation a recherché ensuite le minimum de la fonction cible définie en conséquence, y compris un gonflement aussi faible que possible, même avec une force de serrage élevée.
Outre le corps du mandrin, les mors inférieurs et supérieurs ont également été pris en compte. "Avec optiSLang, nous avons pu examiner à quoi doit ressembler le guidage des mors", explique Mathias Siber. "Nous avons analysé quelles modifications de paramètres permettraient d'obtenir le résultat souhaité, à savoir une faible déformation pour un poids réduit."
Pour le mors de base, la masse et le renflement axial ont été déterminants. Les paramètres "profondeur du guide dans le corps du mandrin" et "largeur de la rainure du guide" ont été prédominants. La profondeur du guide a eu des effets opposés, car plus le guide est enfoncé dans le corps du mandrin, plus son renflement vers le haut est faible. En revanche, la masse du mors de base augmente proportionnellement.
L'optimisation multi-objectifs facilite la conception
Dans le cas décrit, l'optimisation est effectuée selon la constellation de paramètres avec un faible évasement et simultanément une masse de mâchoire de base plus faible. Le résultat de cette optimisation multi-objectifs est un rapport optimal profondeur/largeur de 2:3 pour le guide de la mâchoire de base. Cela permet d'analyser en détail le comportement du produit avec différents agencements afin de créer une conception "robuste".
Alors que l'optimisation topologique a été utilisée pour calculer la forme de mandrin la plus légère possible à partir du flux de force, l'optimisation paramétrique a été utilisée pour garantir une rigidité maximale et des contraintes d'entaille réduites afin d'obtenir le cycle de vie du mandrin le plus long possible. En outre, une vérification de la résistance par calcul a été effectuée conformément à la directive FKM.
Le prototype répond à toutes les exigences
Après optimisation, des prototypes de chaque taille de mandrin ont été fabriqués. Ceux-ci ont ensuite été examinés et vérifiés sur le banc d'essai, avec jusqu'à 500 000 cycles testés, ce qui a pris plusieurs mois. "Comme pour d'autres projets, les simulations approfondies pendant le développement ont permis de n'avoir besoin que d'un seul prototype pour chaque taille, qui répondait parfaitement aux exigences spécifiées", souligne Philipp Schräder. "Étant donné qu'un test de prototype peut prendre plusieurs mois, le temps gagné par la simulation est également dans cette gamme de taille, ce qui signifie environ une demi-année pour un nouveau développement."
En optimisant la topologie et les paramètres, il a été possible de réaliser un mandrin léger dont la masse a été réduite de 30 % et l'inertie de 40 %. Il en résulte des avantages tels que des phases d'accélération plus courtes et une baisse moindre de la force de serrage sous la vitesse de rotation, résultant d'une masse centrifuge du mors inférieure de 20 %. L'optimisation des paramètres dans le domaine du guidage des mors a également permis d'augmenter la rigidité du mandrin et de réduire simultanément le niveau de contrainte.
Il en résulte une augmentation de 20 % de la force de serrage maximale tolérable. En combinaison avec la réduction de la masse centrifuge du mors, une augmentation possible de la vitesse de 10 pour cent peut ainsi être obtenue.
La norme ISO 50001 est une norme de l'Organisation internationale de normalisation (ISO), valable dans le monde entier, qui vise à aider les organismes et les entreprises à mettre en place une gestion systématique de l'énergie. Elle peut également être utilisée pour démontrer, par le biais d'une certification, que le système de gestion de l'énergie est conforme à la norme. (Source : Wikipedia)
Une productivité accrue et une moindre consommation d'énergie
Pour l'utilisateur, le mandrin de tour SCHUNK ROTA NCE offre des conditions idéales pour une dynamique de processus et une productivité élevées avec une consommation d'énergie minimale. En particulier dans la production à grande échelle, le mandrin efficace en termes d'énergie et de temps de cycle permet de réaliser des économies significatives et est donc parfaitement adapté à la certification de gestion de l'énergie DIN EN ISO 50001.
SCHUNK et CADFEM travaillent ensemble depuis de nombreuses années dans le domaine de la simulation numérique avec Ansys. SCHUNK est entré très tôt dans le domaine de la simulation numérique avec Ansys. CADFEM est le partenaire pour toutes les questions concernant l'acquisition du logiciel, ainsi que tout ce qui est nécessaire à son utilisation efficace, comme le matériel, la formation, le support et le support technique lorsque de nouveaux domaines d'application sont ouverts.
SCHUNK GmbH & Co. KG
Philipp Schräder
www.schunk.com
Auteurs: Gerhard Friederici
(CADFEM Germany GmbH)
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