séminaire industrialisation clermont ferrand, les 1er et 2 avril 2003 – d. t industrialisation...
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D.
T
Industrialisation d’une éolienne
Questions et réflexions sur la spécification d’un produit dans un environnement numérique, sa cotation ISO et ses conséquences sur sa fabrication
D. Taraud
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BesoinCdCF produit
Produit ProcessusMoyensMatériau Procédé
Pré conceptiondu produit
Qualificationdu produit
Configuration des moyensLancement de la production
Production
Gestion des ressourceshumaines et matérielles
Contrôle et suivi de la production
Conceptiondétaillée pièce
Pré conceptionde la pièce
Conceptiondétaillée produit
Par pièce, spécification dimension-nelle et géométrique critique
Conceptionspécifiée pièce
Validation d’unprincipe d’outillage
Par pièce, analyse de la relationproduit – matériau – procédé
Par pièce, élaboration du processus prévisionnel,validation du procédé, définition d’un brut capable
Choix des moyens
Étude, réalisation et qualificationdes outillages
Définition du processus et desparamètres de production
Validation du processus parsimulation
Optimisation du processus
Rédaction du dossier d’industrialisation
ÉlaborationCdCF outillage
Conceptionspécifiée pièce
Validation d’unprincipe d’outillage
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Quelques constats…
L’éducation nationale ne cote plus, ou presque… après les périodes de cotation géométrique complète, de la cotation fonctionnelle unidirectionnelle , les pratiques dans ce domaine se réduisent au savoir-faire de quelques spécialistes en CPI et Productique…
La maîtrise de la qualité des procédés et des processus, de la capabilité des moyens de production questionnent fortement les démarches de cotation fonctionnelles « pures »…
Les pratiques industrielles de cotation, pragmatiques, fondées sur l’expérience locale , visant à l’opérationnalité immédiate et rarement formalisées ne peuvent pas servir de modèle de formation…
Le concept GPS et la cotation ISO associée, l’apprentissage de leur maîtrise et de leur codification renforcent cette impression de difficulté…
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Quelques réflexions prospectives…
Pourquoi la CAO volumique, qui bouleverse les modes de conception, n’aurait aucune influence sur les spécifications ?
Pourquoi «coter» des volumes géométriquement parfaits, définis de façon mathématiquement juste ?
Comment prendre en compte l’augmentation exponentielle de la précision et de la répétabilité des moyens de production modernes?
Pourquoi la spécification fonctionnelle d’un produit ne serait pas prise en compte dans les processus de fabrication
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Des propositions d’études…
Un exemple concret : une éolienne pour bateaux de plaisance, fortement optimisée du point de vue de son industrialisation, intégrant des pièces de toutes formes, tous matériaux, tous procédés…
Zoom sur une pièce particulière, le support tournant en alliage d’aluminium retenu pour son processus de fabrication double (fonderie et usinage)
Mise en relief de concepts nouveaux à valider dont l’intérêt pourrait être de formaliser des démarches de formations intégrant les différents points de vue du concepteur et des fabricants…
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Industrialisation d’une éolienne
De l’expression du besoin à la maquette de conception préliminaire
1ère partie
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Principe retenu
Pales
Dynamo
Girouette
Liaison complète réglable
Liaison Pivot
Raccord électrique
tournant
Vent
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Squelette numérique fonctionnel
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Structure fonctionnelle de l’éolienne
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Maquette numérique de conception préliminaire de l’ensemble
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Conditions fonctionnelles géométriques et dimensionnelles
1 3
2
4
J1
C3
J2
T1 et T2
T3 et T4
T5 S1
C4
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Industrialisation d’une éolienne
Optimisation de la relation produit matériau procédé d’une pièce
2ème partie
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Environnement du support tournant
Stator dynamo
Carter
Support tournant
Support fixe
Dérive Rotor dynamo
Collecteur tournant
Axe stator
Support tournant
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FAST d’analyse de conception
Convertir l’énergie cinétique du vent en électricité
Convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique
Convertir l’énergie mécanique en électricité
S’orienter par rapport au vent selon le rendement optimal
Transmettre l’électricité produite
Hélice à pales à pas fixe
Dynamo
Orienter l’hélice par rapport au mat
Support tournant et dérive
Collecteur électrique tournant
Permettre la rotation de l’éolienne
Guider l’hélice
Supporter le carter de protection
Supporter les raccord tournant
Positionner et maintenir la dérive
Permettre le passage des fils
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T Fonctions associées au support Solution technique Contraintes
fonctionnellesNiveau de flexibilité
Orienter l’hélice par rapport au mat
L’axe de rotation de l’hélice et à l’axe du mat sont perpendiculaires et concourants
Support en une pièce positionnant les deux axes
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2
(1, 2) < 1mm ( 1, 2) < 3°
Permettre la rotation de l’éolienne
Guider le support en rotation Montage de roulements
CF2 : 2 coaxial à 4 ( 1, 2) < 0,05 mm
Arrêter le support en translation Epaulement et circlips
CF3 : Jeu de fonctionnement J1
J1 = ] 0, 1mm]
Maintenir l’hélice et régler l’entrefer
Créer une liaison pivot glissant entre support et axe d’hélice
Emmanchement cylindrique
CF4 : C3 coaxial à C4
CF5 : Jeu diamétral J2
(3, 4) < 0,1mm
J1 = ] 0; 0,2mm]
Blocage en position de l’axe d’hélice par vis de pression
2 vis de pression CF6 : Trous taraudés appartenant au plan diamétral P1
(T1, T2, P1) < 1mm
Supporter les peignes du raccord tournant
Créer des liaisons complètes entre supports de peigne et support
2 trous taraudés
1 surface de contact de mise en position axiale
CF 7 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4
La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3
(T1, T2, P2) < 1mm
d(T3, T4) < 0,5 mm
D(Sa, 4) < 0,5 mm
(Sa, 3) < 3°
Permettre le passage des fils électriques
Prévoir ouverture de passage des fils dans le support
Trou CF8 : T5 : Trou de passage 10 * 10 mini
Dimensions indifférentes, éviter arêtes agressives
Supporter le carter de protection
Prévoir surface de butée entre carter et support
Epaulement CF9 : H = 3 mini Simple butée
Positionner et maintenir la dérive
Créer une surface d’appui dans le plan diamétral vertical
Surface plane « verticale »
CF 10 : S1 coplanaire plan diamétral vertical P2
(S1, P2) < 1mm
Prévoir fixation complète par éléments filetés
2 vis de fixation Aucune Positions indifférentes
Bilan des contraintes fonctionnelles
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Relation produit matériau procédé du support tournant Une méthode d’optimisation
de la relation produit matériau procédé du support tournant peut être menée à l’aide d’une démarche spécifique
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Résultat du couple retenu pour le support tournant
Contraintes : Résistance
conditions marines Résistance
mécanique normale
Production moyenne série
Optimisation des coûts
Matériau : Alliage d’aluminium
Légèreté Résistance aux éléments extérieurs Résistance mécanique Usinable pour guidages précis
Fonderie coquille métallique par gravité Etats de surface corrects Précision dimensionnelle suffisante
avec reprises d’usinages limités Coûts intéressants en moyenne série
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Validation du principe d’outillage
Support et ses attributs de coulée
Demie coquille sans poignards
Demie coquille avec poignards
Zones de décarottage
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Modèle nominal de conception détaillée du support tournant
Support usiné
Support brut
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Intégration des contraintes associée aux usinages
Direction d’approche 1
Direction d’approche 2
Direction d’approche 3
Pas de possibilité de diminuer le nombre de directions d’approches…
Validation du brut de fonderie et des usinages associés
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Contraintes fonctionnelles Niveau de flexibilité
Analyse des contraintes
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm ( 1, 2) < 3°
Empilement de liaisons, risque de non respect
CF2 : 2 coaxial à 4 ( 1, 2) < 0,05 mm Montage de roulements, besoin de précision
CF3 : Jeu de fonctionnement J1 entre circlips et bague de roulement
J1 = ] 0, 1mm] Peu de charges, fonctionnement unilatéral, peu de risques
CF4 : C3 coaxial à C4
CF5 : Jeu diamétral J2
(3, 4) < 0,1mm
J1 = ] 0; 0,2mm]
Conditions d’assemblages à respecter
CF6 : Trous taraudés appartenant au plan diamétral P1
(T1, T2, P1) < 1mm Pas de fortes contraintes de précision, position peu critique
CF 7 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4
La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3
(T1, T2, P2) < 1mm
d(T3, T4) < 0,5 mm
D(Sa, 4) < 0,5 mm
(Sa, 3) < 3°
Orientation et position des balais assez précise pour le bon fonctionnement
CF8 : T5 : Trou de passage 10 * 10 mini Dimensions indifférentes, éviter arêtes agressives
Aucune contrainte
CF9 : H = 3 mini Simple butée d’arrêt du carter Aucune contrainte
CF 10 : S2 usinée pour esthétique et sécurité Minimum de matière avec la gorge de circplis
Peu précis
Analyse des contraintes fonctionnelles critiques compte tenu du procédé
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Surfaces fonctionnelles à privilégier en cotation
Existe-t-il des surfaces qui seraient plus importantes que d’autres dans la cotation fonctionnelle du support…?
Quantitativement : de par le nombre de fois où elles interviennent dans le respect d’une contrainte fonctionnelle
Qualitativement : de par l’importance de leurs caractéristiques géométriques, dimensionnelles…
Si oui, il faut les identifier avant de spécifier fonctionnellement le support de manière à privilégier une cotation partant de ces surfaces prépondérantes
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Typologie des surfaces en conception
Surfaces géométriques
Surfaces fonctionnelles
Surfaces influentes
Surfaces prépondérantes
Surfaces de départ de la cotation
Epaulement
Trou de fixation
Alésage
Portée de roulement
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Recherche des surfaces prépondérantes
Question ? Si il existe une ou plusieurs surfaces prépondérantes
appartenant au support, comment les identifier ?
Réponse En analysant chaque contrainte fonctionnelle critique En identifiant pour chaque contrainte les surfaces
influentes En recherchant les surfaces influentes les plus utilisées
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Graphe des liaisons
Support
Axe stator
Support vertical
Pivot
Pivot glissant
Pivot
Vis pression
Contact ponctuel
Hélicoïdal
Hélice rotor
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Surfaces influentes du support tournant
T1 C4 IT2
T3 T4S2
C2
C1
G
S3S1
J
T5 H
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Surfaces influentes sur le support fixe
C5
S4
C6
S5
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Surfaces influentes sur l’axe stator
C3
M2
M1
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Bilan partiel des surfaces influentes du produit éolienne
Hélice rotor
Support
Axe stator
Support vertical
Vis pression
M1C3
M2
S4C2
S5
C5
C6
S6
H2
S7
HT1
T2
G
C1
C4
T5
S1
S2
T3
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Analyse des contraintes fonctionnelles CF1
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4
3
Axe stator
M1
C3M2
Support vertical
S4
S5
C5
C6
S6
Vis pression
H2
S7
Support
C4
HT1
T2
G
C1
C2
T5
S1
S2
T3
T4
US2
US1
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2
(1, 2) < 1mm ( 1, 2) < 3°
CF1
C 3
C5 C6
US1 (2)
C1 C2
US2 (4)
CF1C3
(1)
C4
(3)
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Analyse des contraintes fonctionnelles CF2
1
2
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3
CF2 : 2 coaxial à 4 ( 1, 2) < 0,05 mm
Axe stator
M1C3
M2
Support vertical
S4
S5
C5
C6
S6
Vis pression
H2
S7
Support
C4
HT1
T2
G
C1
C2
T5
S1
S2
T3
T4
US1
US2
C5 C6
CF2
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Analyse des contraintes fonctionnelles CF4
1
2
4
3
CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2
(3, 4) < 0,1mm
J1 = ] 0; 0,2mm]
Axe stator
M1C3
M2
Support vertical
S4
S5
C5
C6
S6
Vis pression
H2
S7
Support
C4
HT1
T2
G
C1
C2
T5
S1
S2
T3
T4
C3 C4CF4
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T
Analyse des contraintes fonctionnelles CF6
1
2
4
3
CF 6 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4
La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3
(T1, T2, P2) < 1mm
d(T3, T4) < 0,5 mm
D(S2, 4) < 0,5 mm
(S2, 3) < 3°
Axe stator
M1C3
M2
Support vertical
S4
S5
C5
C6
S6
Vis pression
H2
S7
Support
C4
HT1
T2
G
C1
C2
T5
S2
S1
T3
T4
US2
T3 T4
CF6
US2
C1 C2
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Bilan des relations fonctionnelles entre surfaces influentes par condition
C3
C5 C6
CF1
C4
US1
US2
C1 C2
C5 C6
CF2
US1
US2
C1 C2
C3 C4CF4
T3 T4
CF6
US2
C1 C2
C4
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3 –
D.
T
Graphe de contraintes relatif au produit
C3
C5 C6
CF1
C4
US1
US2
C1 C2
CF6.a
CF4 T3
T4
S2CF6.b
CF2
Graphe récapitulant les contraintes fonctionnelles relatives au produit devant être respectées…
Identifie les surfaces concernées dites surfaces influentes
Exprime des associations fonctionnelles de surfaces construites artificiellement
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T
Surfaces influentes et surfaces prépondérantes
Surfaces influentes
C1 C2 C3 C4 C5 C6 S2 T3 T4 US1 US2
CF1 1 1 1 1 1 1 1 1
CF2 1 1 1 1 1 1
CF4 1 1
CF6.a 1 1 1 1 1
CF6.b 1 1 1 1
Bilan 3 3 2 3 2 2 1 2 2 2 3
Surfaces prépondérantes de l’embase à privilégier en cotation et fabrication
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T
Surfaces prépondérantes du support
US2
C4
C2
C1
C3
C5 C6
CF1
C4
US1
US2
C1 C2
CF6.a
CF4 T3
T4
S2CF6.b
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Industrialisation d’une éolienne
Arbre de cotation critique et spécifications ISO
3ème partie
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T
Contraintes fonctionnelles critiques
Contraintes fonctionnelles critiques Niveau de flexibilité
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm ( 1, 2) < 3°
CF2 : 2 coaxial à 4 ( 1, 2) < 0,05 mm
CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2 (3, 4) < 0,1mm
J1 = ] 0; 0,2mm]
CF 6.a : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4
(T1, T2, P2) < 1mm
d (T3, T4) < 0,5 mm
CF6.b : La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3
d (S2, 4) < 0,5 mm
(S2, 3) < 3°
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Géométrie critique du produit
C4
C3
S2
T3
T4
C1
C2
C5
C6
Surfaces géométriques participant à la spécification critique du produit
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Graphe des surfaces influentes produit et pièce
C3
C5 C6
CF1
C4
US1
US2
C1 C2
CF6.a
CF4 T3
T4
S2CF6.b
CF2
C4 US2
C1 C2
CF6.a
T3
T4
S2CF6.b
Arbre de cotation du support
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF1
1
2
4
3
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2
(1, 2) < 1mm ( 1, 2) < 3°
C3
C5 C6
CF1
C4
US1
US2
C1 C2
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
B
A
A
A
Traitement de la condition CF1 relative au support
Cylindres, dont les éléments de situation sont des droites qui doivent coïncider
Relation «droite/ droite» coïncidentes créant une union de surfaces US2
Codification ISO
A B
C4 US2
C1 C2
CF6.a
T3
T4
S2CF6.b
ISO
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF1 relative au support
C4 US2
C1 C2
CF6.a
T3
T4
S2CF6.b
Cylindres, dont les éléments de situation sont des droites perpendiculaires et concourantes
Relation «droite droite» perpendiculaires et concourantes
Codification ISOø1
ø2
B
A
A
A
D
C
ø
C
D
D
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF2
2
4
C5 C6
CF2
US1
US2
C1 C2
CF2 : 2 coaxial à 4 ( 1, 2) < 0,05 mm
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF2 relative au support
Cylindres, dont les dimensions doivent coïncider avec les roulements
Relation dimensionnelle entre alésages et bagues de roulement : ajustement
Codification ISO
C4 US2
C1 C2
CF6.a
T3
T4
S2CF6.b
Coïncidence C1-C2 : fait en CF1
Ø A
j
B
A
A
A
Ø Aj
Ø Aj
Sé
min
air
e i
nd
us
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lis
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on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF4
1
2
4
3
CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2
(3, 4) < 0,1mm
J1 = ] 0; 0,2mm]
CF4
C3 C4
øAj
Relation dimensionnelle entre alésage C4 et axe de stator
Codification ISO
Ø A
j
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF6
1
2
4
3
CF 6.a : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4
(T1, T2, P2) < 1mm
d(T3, T4) < 0,5 mm
T3 T4
US2
C1 C2
C4
S2
d
CF6.b : La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3
d (S2, 4) < 0,5 mm
(S2, 3) < 3°
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF6.a
Cylindres T3 et T4
Union des cylindres C1 et C2
Codification ISORelation «droite- droite» perpendiculaires et concourantes : Fiche 9.3
T4
D
D
T4
DD
T3 T4
US2
C1 C2
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF6.b
Cylindres T3 et T4
Plan S2
Codification ISO
Relation «droite- plan» perpendiculaires : Fiche 13.2
T4
D
D
T4
T1
T3 T4
C4
S2
d
T4
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Traitement de la condition CF6.c
Cylindre C4
Plan S2
Codification ISO
Relation «droite- plan» parallèles et à distance : Fiche 12.1
T4 C4
T3 T4
C4
S2
d
C4
d
D
D
T4 T4
C4
C4
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
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on
Cle
rmo
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Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Cotation critique du support
D
D
T4 T4
C4
C4
ø1
ø2
B
A
A
A
ø
C
D
D
D
Sé
min
air
e i
nd
us
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ati
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Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Arbre de cotation critique relatif au support
C4 US2
C1 C2
T3
T4
S2
Arbre de cotation du support
Aj
Aj Aj
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
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on
Cle
rmo
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Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Codification ISO
Tolérance générale ISO 2768 --
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
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on
Cle
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Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Dossier de fin de conception détaillée d’une pièce1. Conception spécifiée
de la pièce :
Maquette numérique (cotes nominales ou moyennes, à préciser)
Cotation critique : arbre de cotation et plan
C4 US2
C1 C2
T3
T4
S1
Arbre de cotation du support
Aj
Aj Aj
C4C4 US2
C1C1 C2C2
T3T3
T4T4
S1S1
Arbre de cotation du support
AjAj
AjAj AjAj
Sé
min
air
e i
nd
us
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lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Dossier de fin de conception détaillée d’une pièce1. Programme de
production prévisionnel
2. Processus de fabrication prévisionnel :
Validation du principe d’outillage
Axes d’approches en usinage
1000 pièces par an par lots de 100 durant 3 ans
Coquille métallique :
• 2 directions de tiroirs
• 2 zones de décarottage
Usinages complémentaires :
•3 axes d’approche
Sé
min
air
e i
nd
us
tria
lis
ati
on
Cle
rmo
nt
Fe
rra
nd
, le
s 1
er
et
2 a
vri
l 2
00
3 –
D.
T
Vers un nouveau savoir-faire en cotation ?
Pour l’assemblage Arbre d’assemblage Graphe des contraintes
fonctionnelles critiques
Pour chaque pièce Arbre de construction Arbre de cotation
critique
Maquette numérique produit
Maquette numérique pièce
Cotation nominale ou moyenne intrinsèque
Cotation critique expliciteIndice de
tolérancement général ISO
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