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Séminaire industrialisation Clermont Ferrand, les 1er et 2 avril 2003 – D. T Industrialisati on 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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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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T

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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T

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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D.

T

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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D.

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Surfaces influentes sur le support fixe

C5

S4

C6

S5

S6

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Surfaces influentes sur l’axe stator

C3

M2

M1

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T

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

T4

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T

Analyse des contraintes fonctionnelles CF1

1

2

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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T

Analyse des contraintes fonctionnelles CF2

1

2

4

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

US1

US2

C1 C2

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D.

T

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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00

3 –

D.

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

C4

S2

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00

3 –

D.

T

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

S2

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00

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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00

3 –

D.

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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00

3 –

D.

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

CF2

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00

3 –

D.

T

Industrialisation d’une éolienne

Arbre de cotation critique et spécifications ISO

3ème partie

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00

3 –

D.

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°

Page 40: Séminaire industrialisation Clermont Ferrand, les 1er et 2 avril 2003 – D. T Industrialisation dune éolienne Questions et réflexions sur la spécification.

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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

Page 41: Séminaire industrialisation Clermont Ferrand, les 1er et 2 avril 2003 – D. T Industrialisation dune éolienne Questions et réflexions sur la spécification.

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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°

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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

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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

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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

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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

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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

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3 –

D.

T

Codification ISO

Tolérance générale ISO 2768 --

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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

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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

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l 2

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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