Test de performance de qualité pour broche de haute précision

Introduction

L'un des composants clés d'une machine-outil est la broche; la machine pourrait avoir une structure et des voies de guidage parfaites, mais si l'axe de la broche bouge, la pièce à usiner présentera des erreurs de forme géométrique [1]. Au fil des années, plusieurs méthodes ont été développées pour caractériser le mouvement de l'axe de la broche, depuis des essais de faux-rond brut [23], à plusieurs méthodes avec et sans contact utilisant des LVDT, des sondes inductives et des sondes capacitives [5]. Aujourd'hui, la méthode la plus acceptée utilise une cible maître et des sondes de capacité instrumentées et connectées à un ordinateur personnel où tous les calculs sont effectués.

Cette instrumentation moderne de mesure du mouvement des axes est capable d'une résolution et d'une précision inférieures au micron. Cet équipement trouve principalement sa place dans la recherche et la fabrication de roulements d’air et de broches hydrostatiques, car les machines sur lesquelles ils sont utilisés nécessitent des composants de haute précision. Bien que cela puisse être vrai, la mesure moderne du mouvement des axes de broche est également une ressource précieuse pour les fabricants de machines-outils Super Precision® [4]. Les informations acquises à partir de ces mesures peuvent aider à trouver les défauts de la broche et leurs sources. Il peut également identifier si certaines modifications du processus d'assemblage ont un impact positif ou négatif. Dans les paragraphes suivants, nous verrons comment la mesure du mouvement des axes de la broche offre de précieux avantages au fabricant de broches Super Precision®.

But de la mesure du mouvement de l'axe de la broche

La rondeur de la pièce est déterminée par un essai de coupe effectué sur la machine terminée. À ce stade, la broche a été assemblée sur la machine, où plusieurs capots et systèmes de support ont été installés. Si la broche ne répond pas aux spécifications requises, elle sera rejetée et plusieurs heures de montage seront perdues. Cela crée la nécessité d'un test de performance de la qualité de la broche. Pour un centre de tournage Super Precision®, la rondeur doit être inférieure à 0.50µm (20µin). Le processus de fabrication permettant d’atteindre cette rondeur a été établi et est en grande partie stable.

Néanmoins, si une broche non conforme est détectée avant de pouvoir être installée sur la machine, cela évite les pertes inutiles. Mesurer l’arrondi de la broche nécessite une source de puissance d’entraînement, un dispositif de maintien du travail pour la pièce échantillon et un système de guidage pour l’outil. Fournir tous ces éléments à une broche qui n’est pas installée sur la machine-outil est peu pratique, encombrant et peut introduire des erreurs supplémentaires dans la mesure de la circularité. Compte tenu de ces facteurs, il a été déterminé que la caractéristique la plus réaliste pour mesurer lorsque la broche se trouve en dehors de la machine-outil est le mouvement de l'axe de la broche. qui peuvent ensuite être corrélés à la rondeur de la broche.

Les broches mesurées sont utilisées dans un centre de tournage de très haute précision. La broche est entraînée par une transmission par courroie trapézoïdale à plusieurs brins lorsqu'elle est installée sur la machine. Pendant le processus de production, la broche nécessite une procédure de rodage pour purger la graisse. A ce stade, effectuer une mesure de la broche est idéal car il peut être facilement instrumenté et entraîné. L'objectif principal, après l'acquisition du mouvement de l'axe de la broche, est de trouver la relation entre cette information et la rondeur de la pièce.

Matériel et mesure

Machine de mesure de rondeur Rondcom

FIGURE 1. Appareil de mesure de la circularité Rondcom 54 (en haut). En sortie de la mesure d'arrondi (en bas), les trois mesures sont utilisées pour calculer l'arrondi moyen.

Les deux paramètres clés à mesurer sont: la rondeur de la pièce, qui correspond à la sortie, et le mouvement de l'axe d'erreur de la broche, qui est l'entrée. La mesure de la rondeur de la pièce est simple et directe. Un échantillon de diamètre en pouces C360 en laiton est découpé à 1rpm à l'aide d'un diamant naturel avec une vitesse d'alimentation de .1000ipr. La longueur de la coupe est également exprimée en pouces 0009 et les mesures de rotondité 1 sont effectuées: haut milieu et bas. La moyenne de ces trois mesures est la valeur de la rondeur de la pièce utilisée et enregistrée dans les fichiers de contrôle, voir figure 3.

Le mouvement de l'axe de la broche est mesuré à l'aide d'un analyseur de broche de précision © LION channel 3 channel lorsqu'il est monté sur le banc de rodage. En termes généraux, cet équipement est un ensemble de sondes capacitives qui mesurent la distance relative par rapport à une cible principale lorsque la broche est en rotation. Toutes ces données sont traitées par le logiciel d'analyse de broche [5]. La capacité et la quantité d'informations pouvant être obtenues à partir de ce dispositif sont immenses, mais nous allons nous concentrer sur les mouvements radiaux de la broche car ils sont liés à la rondeur de la pièce. 

Les capteurs capacitifs sont sécurisés par un nid de sonde, qui est monté sur un appareil doté de vis de réglage fines pour l'alignement; comme le montre la figure 2. 

Pour obtenir la fréquence propre du banc, un test de déclenchement est effectué. Lorsque le projecteur est fixé au banc d’alimentation, la fréquence propre de l’installation est 64 Hz, ce qui est supérieur à la fréquence de test par minute de 16Hz. Ceci est essentiel pour éviter toute résonance de la structure du luminaire susceptible d’affecter les mesures [6].

De plus, le bruit de six configurations de broches différentes sur le banc de course lorsque la broche était arrêtée a été mesuré. Il a été constaté que la valeur moyenne de crête à crête du bruit est 0.07µm. Comme cette valeur est un ordre de grandeur inférieur à ce que nous recherchons, les mesures peuvent être considérées comme fiables. Le bruit contient certaines fréquences de la gamme 60 Hz et ses harmoniques, très probablement introduits par les systèmes électriques environnants. Si les niveaux de bruit au repos sont sur une plage inacceptable, la configuration de mesure est vérifiée et les sources de bruit détectées sont éliminées.

Exécutez Bench pour tenir le nid de sonde

FIGURE 2 Fixation de banc d'essai utilisée pour maintenir le nid de la sonde. Notez les plaques d'acier surdimensionnées utilisées.

Les signaux des capteurs X et Y sont enregistrés à une fréquence d'échantillonnage de 5 kHz. Les données de ces deux canaux sont tracées sur un graphe de direction sensible de rotation par le logiciel de l'analyseur de broche. Ce graphique est inspecté visuellement pour détecter toute anomalie ou problème majeur. Notre intérêt principal est les données collectées par la sonde de l'axe X, qui est la direction sensible. Pour un tour, la direction sensible est l'endroit où l'outil est perpendiculaire à l'axe de rotation sur le plan XY. Tout mouvement de broche le long de cet axe aura un effet direct sur l'arrondi de la pièce usinée [1].

Plusieurs approches existent pour analyser le mouvement de l'axe d'erreur, des techniques simples du domaine temporel au filtrage avancé du domaine fréquentiel [1], [6]. Le mouvement d'erreur synchrone (ou moyen) a été sélectionné comme paramètre d'analyse principal, en raison de sa stabilité et de sa nature auto-filtrante. L'erreur synchrone est la composante du mouvement d'erreur total qui se produit à des multiples entiers de la fréquence de rotation [5]. Il est généralement obtenu en faisant la moyenne d'un certain nombre de révolutions et en calculant la distance entre les cercles inscrits minimum et maximum. Du point de vue physique, il est également judicieux d'utiliser l'erreur synchrone, car pendant le processus de coupe, la plupart des erreurs asynchrones feront partie de l'état de surface [1] et non de la forme.

Magnitude d'erreur synchrone

FIGURE 3. En utilisant le même ensemble de données de mouvement d'axe, l'erreur synchrone a été calculée pour différents nombres de tours, un comportement exponentiel est facilement observé.

Pour simplifier la mesure du mouvement des axes, aucun encodeur n'est utilisé; l'angle de rotation est obtenu en laissant une petite quantité d'excentricité (10µm) sur la cible maître. Cela ajoute une composante sinusoïdale aux données du capteur, qui est supprimée en ajustant une onde sinusoïdale des moindres carrés aux données. L'onde sinusoïdale ajustée est également utilisée pour obtenir l'angle de rotation de la broche.

Le nombre de tours utilisés pour calculer le mouvement d'erreur synchrone n'est pas une mince affaire. Le comportement entre la magnitude d'erreur synchrone et le nombre de tours utilisés est exponentiel, comme le montre la figure 3. Compte tenu de cela, si le nombre de tours utilisé n’est pas suffisant, l’erreur synchrone sera trop élevée. D'autre part, si trop de tournants sont utilisés, les informations de l'erreur synchrone seront perdues en raison de la moyenne. Un bon équilibre a été trouvé lors de l’utilisation des tours 10 pour calculer le mouvement d’erreur synchrone, car c’est là que l’exponentielle commence à s’aplatir. De plus, la valeur par défaut du nombre de tours utilisé dans les calculs de l'analyseur de broches LION © est également 10.

Modèle de circularité attendu

Notre objectif principal est de relier le mouvement d'axe mesuré de la broche sur le banc de roulement à la moyenne de coupe de la rondeur de la machine. Le rendement de la coupe de la rondeur de la machine dépend de plusieurs facteurs, certains sont directement liés à la broche elle-même et d'autres dépendent de l'assemblage de la machine. Ceci est important à comprendre car il existe une source de variation qui n’est pas liée au mouvement de l’axe de la broche mesuré. Pour minimiser l’effet de cette variation, les coupures de rondeur sont prises une fois que la machine a été correctement équilibrée et alignée. Une broche est considérée comme inacceptable si la coupe d'arrondi moyenne est supérieure à 0.50µm.

Pour obtenir une valeur pour la rondeur attendue, l'erreur synchrone de l'axe de la broche a été calculée en divisant chaque tour en intervalles de degrés 2, en effectuant la moyenne du mouvement pour des tours 10 et en prenant la différence entre les moyennes maximale et minimale. Ce calcul est considéré comme la rondeur moyenne; Cependant, cette valeur n'est pas une représentation complète du processus. Dans cet esprit, les valeurs qui définissent le maximum et le minimum sur les tours 10 sont utilisées pour obtenir l’écart type. Avec les moyennes et les écarts-types, la distribution t de Student [7] est utilisée pour calculer l'intervalle de confiance supérieur pour le maximum et le plus bas pour le minimum. La différence entre ces intervalles correspond à la rondeur attendue. La figure 4 montre les étapes utilisées pour calculer la circularité attendue.

Un niveau de confiance de 99% a été sélectionné car l'objectif principal est d'éviter l'installation d'une mauvaise broche sur une machine. Lorsque cela se produit, beaucoup de temps et d’argent sont gaspillés.

Modèle de rondeur

Résultats de test

Rondeur attendue vs moyenne

FIGURE 5. Arrondi attendu et arrondi réel obtenu à partir de la moyenne de trois mesures.

L’approche proposée a été appliquée aux broches de production 7, en mesurant le mouvement de l’axe sur le banc en marche, en calculant la circularité attendue, puis en mesurant la circularité à partir de coupes d’essai. Ces résultats sont illustrés à la figure 5.

On peut observer que six des sept valeurs attendues permettaient de prédire avec précision si la broche réussirait ou échouerait la coupe d'arrondi. 

La broche 3, où la rondeur attendue indiquait que la broche ne passerait pas, montre que la méthode fonctionne comme une sécurité intégrée. Depuis, qualifier une mauvaise broche comme étant bonne est beaucoup plus coûteux que le scénario opposé. Lorsque la prédiction correspond à une valeur d'arrondi supérieure au maximum autorisé (0.50µm), la broche est ensuite vérifiée pour déterminer si un défaut existe.

Conclusions

Lors de l'utilisation du mouvement d'axe d'erreur de broche, l'arrondi attendu peut être calculé avec un niveau de confiance de 99%. Cela fournit un outil précieux pour la fabrication, évitant l'assemblage de broches qui ne passeront pas la coupe de rondeur. Il est entendu qu'une certaine variabilité inhérente provient de l'ensemble de la machine et pas seulement du mouvement de l'axe de la broche. Des exemples de facteurs d'assemblage de machine qui affectent la rondeur comprennent: l'équilibrage, la vibration de l'axe, la rigidité de la machine, le matériau de la pièce, le matériau de l'outil, les paramètres de coupe, la vibration de l'équipement auxiliaire, etc. pour localiser si le problème concerne la machine ou l'assemblage de la broche. 

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier tout le soutien de Terry S. George C. et Matt B. lors du développement de cette méthodologie. De plus, nous tenons à remercier Hardinge Inc.   

Références

  1. B. Bryan, P. Vanherek, “Unification de la terminologie concernant le mouvement d'erreur des axes de rotation” June 20, 1975, CIRP
  2. J. Goddard, A. Cowley, M. Burdekin, «Un système de mesure permettant d’évaluer la précision de la rotation des broches». Septembre 18, 1972 13th Conférence internationale sur la conception et la recherche de machines-outils.
  3. Schlesinger, “Test de machines-outils”, 1966 7th ed, Machinery Publishing Co. Ltd.
  4. Kushnir, «Centre de tournage super précis: haute précision, tournage dur, machine-outil polyvalente» Octobre 20, 2013 ASPE
  5. Lion Precision, “Manuel d'instructions de l'analyseur d'erreurs de broche avancé v7”, 2003
  6. R. March, «Métrologie de la broche de précision» 2010, 2nd ed, Publications DEStech
  7. C. Montgomery, «Introduction au contrôle statistique de la qualité», 2009 6th éd, John Wiley & Sons

Article - Papier Hardinge