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1 Épreuve de Sciences Industrielles Durée : 5 heures Machine de découpe de tôle

1 Épreuve de Sciences Industrielles Durée : 5 heures Machine de découpe de tôles pour la construction de transformateurs Dossier remis aux candidats Présentation générale : pages 2 et 3 Partie I : Étude globale de la machine pages 3 et 4 Partie II : Étude de l’unité d’alimentation de la machine pages 5 à 9 Partie III : Étude de l’unité de coupe en V pages 10 et 11 Partie IV : Étude d’amélioration des performances page 12 Figures : pages 13 à 20 Tableau des paramètres : page 21 à 22 Documents réponses : pages R1 à R3 Nota : • Les calculatrices sont autorisées • Les parties II, III et IV sont indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre quelconque. Placer impérativement chaque partie dans une copie séparée et regrouper le tout dans une copie vierge. 2 Présentation générale A Présentation de l’entreprise et du produit La société France Transfo est spécialisée dans la construction de transformateurs triphasés de forte puissance. Trihal est le nom commercial d’un de ses produits phares (Figure I.1). Cette étude porte sur une machine de découpe de tôles intervenant dans le processus de fabrication de ces transformateurs. Un transformateur électrique est constitué principalement, pour chacune de ses trois phases : • d’un circuit électrique primaire relié au réseau ; • d’un circuit électrique secondaire auquel sont reliés des récepteurs ; • d’un circuit magnétique assurant le transport du flux d’induction produit par l’enroulement primaire. Les circuits magnétiques comportent des noyaux ou colonnes assemblés sur deux culasses. Les noyaux constituent les supports sur lesquels sont réalisés les bobinages primaire et secondaire. Afin de limiter les pertes par hystérésis et par courants de Foucault, les circuits magnétiques sont composés de tôles métalliques isolées entre elles et disposées de telle sorte que leur plan soit parallèle à la direction du flux. La tôle utilisée est de la tôle d’acier au silicium à grains orientés d’épaisseur variant de 0.27 à 0.30 mm recouverte de carlite (revêtement minéral isolant obtenu par phosphatation à chaud). Les performances du circuit magnétique dépendent fortement de la qualité du découpage et d’assemblage des tôles. B Présentation de l’étude B.1 Présentation du circuit magnétique Un circuit triphasé est composé de trois noyaux (deux colonnes, une médiane) et deux culasses qui sont constitués de plusieurs gradins de largeur variable. Un gradin est formé d’un empilage de « lits », composés de « décalés », eux-mêmes constitués de tôles (Figure I.2, Figure I.3 et Figure I.4). Un transformateur en cours de montage (sans la culasse fermeture) est présenté Figure I.5. Afin de simplifier l’étude, on considérera, dans la suite du problème, que les assemblages sont réalisés avec des tôles de largeur l constante. B.2 Présentation de la machine de découpe des tôles La découpe des tôles est réalisée par une machine constituée de plusieurs unités (Figure I.6 et Figure I.7) dont : • une unité d’alimentation. La tôle d’acier alimentant la machine est conditionnée en bobine (unité dérouleur) ; • une unité d’entraînement de la tôle (unité d’amenage et unité tendeur) ; • une unité de découpe (unités poinçon P1, P2, P3, coupe en V, cisailles C1 et C2). Un poste de triage et d’évacuation, non représenté et hors périmètre de la présente étude, se trouve en sortie de machine. Le diagramme FAST de la Figure I.8 fournit une description des principales fonctions de la machine. Le système de découpe est composé : • de trois poinçons P1, P2 et P3 commandés en position suivant x r et y r ; • d’une unité de découpe en V commandée en position suivant x r et y r ; • de deux cisailles C1 et C2 à ±45°, fixes en position dans (O, x r , y r ). Tous les mouvements d’outils sont réalisés suivant l’axe z r . Pour un circuit triphasé, les deux cycles de découpe nécessaires sont : • le cycle Colonne – Culasse pour le montage et la fermeture ; • le cycle Colonne centrale ou médiane. NB : ce dernier cycle n’est pas réalisé par la machine objet de cette étude. 3 La production normale de la machine consiste à enchaîner des cycles de découpe de tôles qui génèrent des tôles de colonne et de culasse (Figure I.9, Figure I.10 et Figure I.11). En fonctionnement normal, la tôle est déplacée sous les différents postes de découpe par une unité appelée unité d’amenage. Cet a menage étant situé en amont des postes de découpe, il est assisté d’une unité tendeur, située en aval des postes de travail, juste avant la découpe par les cisailles C1 et C2. La fonction de ce couple de galets tendeurs est de maintenir une tension dans la tôle afin que celle-ci reste tendue sous les postes de travail. On évite ainsi le phénomène de flambement de la tôle qui surviendrait en la poussant. Description de la production normale (le comportement du poste de découpe, en mode de production normale est décrit à l’aide du grafcet donné en Figure I.13) : • Phase A : La tôle est translatée et les différents outils de découpe mobiles sont positionnés simultanément (P1, P2, P3 et la découpe en V). Un dispositif de bridage vient immobiliser la tôle avant la frappe. Les frappes sont alors réalisées (poinçons, découpe en V et découpe d’extrémité par la cisaille C1 \). Débridage de la tôle (une culasse vient d’être réalisée). • Phase B : La tôle est translatée et le poinçon P3 est positionné. Le dispositif de bridage vient immobiliser la tôle avant la frappe. Les frappes sont alors réalisées (poinçon P3 et découpe d’extrémité par la cisaille C2 /). Débridage de la tôle (une colonne vient d’être réalisée). B.3 Présentation des géométries de tôles découpées Pour un cycle Colonne – Culasse : • Les tôles ont une longueur constante (Lco et Lcu) quel que soit le nombre de « décalés » par lit (NbDL) et la valeur du décalage (Dec) ; • Les entraxes des trous EAco et EAcu sont constants ; • L’encoche en V est toujours centrée par rapport aux trous d’entraxe EAcu dans la culasse ; • La profondeur de l’encoche en V (Ve) varie au cours des cycles en fonction du nombre de « décalés » par lit (NbDL) et de la valeur du décalage (Dec) ; • La position des trous par rapport à la coupe à 45° (cisailles C1 et C2) varie au cours des cycles pour la colonne (EPco) et la culasse (EPcu), en fonction de Dec, NbDL et NbTD. La Figure I.12 montre la constitution de lits de tôles pour colonne et culasse. L’exemple représenté comporte NbDL=5 « décalés » par lit à NbTD=1 tôle. Le cycle Colonne-Culasse numéro i produit les tôles de colonne et culasse numéros i. Le tableau des paramètres page 22 récapitule l’ensemble des symboles utilisés dans cette étude. Pour l’ensemble de l’épreuve, les résultats sont à fournir, sauf mention contraire, tout d’abord sous forme littérale puis sous forme numérique. Partie I Etude globale de la machine I.A Etude de la fabrication d’un transformateur On souhaite assurer la production d’un circuit magnétique de transformateur triphasé possédant les caractéristiques dimensionnelles définies dans la colonne « Application numérique » du tableau des paramètres (lignes 1 à 20). Le circuit à fabriquer est composé de deux colonnes et deux culasses, chacune ne comportant qu’un seul gradin de largeur l (Rappel : la colonne médiane est réalisée sur une autre machine). Le cahier des charges impose une hauteur d’empilage de tôles Hemp = 207 mm pour chaque gradin. 4 Question a) Calculer le nombre de lits (NbLitsG) et le nombre de tôles (NbTG) nécessaires pour la constitution d’un gradin. Question b) Calculer la longueur de tôle utilisée (LongTu) pour réaliser les colonnes et culasses du transformateur. Question c) La cadence maximale de la machine est de 60 tôles par minute (30 colonnes et 30 culasses) d’une longueur moyenne de 750 mm. Calculer le temps de production des tôles du transformateur à cadence maximale. I.B Etude des temps de cycle On suppose que dans les macro-étapes M1 à M5 et M23, M24 la tâche menante est la translation de la tôle (les temps de positionnement des outils sont inférieurs au temps de translation de la tôle). Les séquences de frappe dans les phases 1 et 2 durent chacune tf=200 ms. Les séquences de bridage et débridage durent chacune tbd=150 ms. Question a) Calculer le temps de fabrication d’un cycle Colonne-Culasse à cadence maximale. Question b) Calculer le temps alloué pour réaliser la translation de la tôle. Commenter cette valeur. I.C Analyse des actions de découpe et des déplacements d’outils La figure du document réponse R.I.C présente en vue de dessus la configuration de la tôle dans la machine au cours des phases successives de production de deux cycles Colonne-Culasse. SA et SB correspondent respectivement aux situations du grafcet où les étapes de synchronisation 17 à 21, respectivement 30 et 31, sont actives. SA-i et SB-i désignent les situations SA et SB pour le uploads/Industriel/ sec-e3a-2001-si-psi.pdf