Les technologies de mesure s'accordent aux besoins de l’usinage

Avec l’évolution de cet équipement et des processus connexes, les fabricants de moyennes à grandes séries de pièces sont confrontés à des besoins d’inspection croissants en termes de fréquence, de mesure d’entité et de statistiques de production, ainsi que de spécifications de précision plus élevées.

Avec l’évolution de cet équipement et des processus connexes, les fabricants de séries de moyennes à grandes séries de pièces sont confrontés à des besoins d’inspection croissants en termes de fréquence, de mesure d’entité et de statistiques de production, ainsi que de spécifications de précision plus élevées. Les fabricants recherchent des avancées dans le domaine de la technologie de mesure, telles que la rapidité des cycles de mesure, la capacité à contrôler des pièces avec une plus grande précision et la possibilité de mesurer de façon précise des entités géométriques et des formes profilées de tout type.

La technologie de métrologie a réalisé de grands progrès au cours des cinq dernières années, et il y a des outils qui répondent à ces hautes exigences d’inspection. La bonne solution dépend bien sûr des besoins particuliers de l’utilisateur final. Nous allons explorer trois approches différentes, mais efficaces, pour la mesure précise de pièces obtenues par tournage dans un environnement de production de moyenne et de grande série.

Centres de mesures sans contact de pièces obtenues par tournage

L’industrie des implants dentaires est l’exemple type d'un secteur appliquant des systèmes de mesure sans contact opto-électroniques. Les fabricants produisent de nombreuses variantes de tailles et de formes des composants clés principaux d’un implant dentaire par tournage/taraudage au moyen d’un tour à CN intégré dans un environnement de production par grande série. Les implants, également appelés prothèses dentaires, sont des pièces détachées destinées aux êtres humains. La qualité est donc de la plus grande importance. Toutes les dimensions fonctionnelles doivent être inspectées à 100 %.

Les composants sont très petits. En général, leur diamètre est inférieur à 4 mm, et ils se déclinent en de nombreuses dimensions dont la mesure est très difficile et laborieuse avec des méthodes d’inspection traditionnelles, telles que des projecteurs optiques, des microscopes d'outilleurs ou des outils à commande manuelle, comme des micromètres. Compte tenu des plus hauts niveaux de production et des plus hautes exigences de qualité, de la variété et du volume de composants fabriqués sur la base de critères de mesure plus sévères, les systèmes de mesure sans contact étaient la limite suivante dans le domaine métrologique pour ce secteur.

Aujourd'hui, un seul système de mesure de profil rotatif automatique et sans contact, comme TESASCAN 25 peut traiter une cellule de 2 ou 3 unités à CN fabriquant un type de produit. L’objet à mesurer est fixé dans un mandrin rotatif et tourne (si nécessaire) pendant qu’un éclairage projette le profil sur une grille de capteur qui numérise l’image. Le logiciel mesure alors les entités préprogrammées sur la base de l’image numérisée. La durée d’un cycle pour 12 dimensions sur une pièce est en général de 28 secondes. Souvent, les ingénieurs de production sont responsables de la programmation de pièces, l’exécution s’effectuant en et hors ligne, alors que les opérateurs utilisent le système de mesure pour inspecter les pièces en mode automatique. Les opérateurs de CN peuvent vérifier toutes les dimensions externes critiques avec un seul équipement. Les systèmes de mesure de profils comme TESASCAN offrent des avantages par rapport aux systèmes laser aussi bien au niveau de la précision globale et de la vitesse que des types d’entités pouvant être mesurés.

Après la mesure de chaque composant, les résultats sont visualisables sous forme numérique et graphique. Il est aussi possible d'effectuer des analyses statistiques sous forme d’histogrammes, de diagrammes de contrôle et de rapports de capacité. Cette capacité, auparavant impossible avec des méthodes d’inspection manuelles, a fourni une base statistique pour déterminer les tendances de processus et les réglages des différentes machines-outils. Un atout supplémentaire est la traçabilité, des données de mesure jusqu'aux machines, à l‘aide d’un numéro de lot ou d’un numéro d’identification de machine-outil saisi par l’opérateur. 

Des mesures de filetage automatiques sont possibles si la machine intègre un dispositif de pivotement qui incline la pièce pour permettre une meilleure mesure des filetages usinés, ce que l’on appelle compensation d'angle d’hélice.

L'évolutivité de ce type d'outil constitue un autre avantage. Si un atelier fabriquant des pièces obtenues par tournage dispose de capacités pour des produits finis de différentes tailles, il peut acheter des tours adaptés à des pièces bien plus grandes, d'une longueur atteignant 500 mm et d’un diamètre atteignant 80 mm. Mais ce type d'outil a ses limites. En général, il peut seulement s’adapter à une seule pièce à un moment donné, et il nécessite un chargement et un déchargement manuels, même si le cycle de mesure est automatique. Si l’entité à mesurer ne peut être vue en profil, par ex. un conduit usiné, il est impossible de la mesurer.

Systèmes de vision

En ce qui concerne l’usinage de production, l’un des premiers atouts de la technologie de mesure par vision est le rendement, comme l’illustre une application de vanne à piston pour l’industrie automobile. En réalisant des mesures avec une méthode classique, par exemple, l’acquisition des mesures de la pièce, pour des vannes à piston, peut prendre une heure ou plus. Par ailleurs, le temps d’inspection n’inclut pas la compilation des données et l’analyse statistique nécessaire pour un grand nombre des composants. Avec l’introduction de systèmes de mesure rapides par vision, l’ensemble du processus d’inspection dure moins de cinq à dix minutes par pièce.

Un composant tel qu’une vanne à piston possède aussi des formes et des surfaces d’intersection très spéciales. Dans ce cas aussi, la technologie de mesure par vision constitue la bonne solution. En utilisant des outils de calcul de profilage, la mesure de courbes très complexes se limite à une simple trace de profil. La facilité d’emploi des outils de calcul est étendue par la possibilité d’un référencement CAO avec un logiciel comme PC-DMIS Vision. En quelques étapes simples, le modèle CAO est joint à la pièce physique pour fournir une fonctionnalité pointer-cliquer pour la mesure des profils complexes. Ce processus est possible pour de nombreux types de pièces, telles que de petits composants médicaux avec des tolérances de profil à l'échelle du micron ou des composants électroniques avec des mesures de hauteur et d’espace dans le domaine submicronique.

La métrologie par vision convient à bien d'autres types de pièces. Les données de pièce sont en général recueillies en quelques secondes et prises en charge par des dispositifs de manutention qui réduisent au maximum les interventions de l’opérateur. On peut mesurer l’emplacement et la forme des caractéristiques à partir des données acquises. L'éventail de prix de ces systèmes repose en général sur la capacité, la vitesse et la précision, Aussi, il y a des systèmes pour tous les budgets. Un système de vision comme Brown & Sharpe Optiv 1 Classic est un équipement d’entrée de gamme. À l'autre bout du spectre, une Brown & Sharpe Optiv 3 Performance fournit une précision extrême dans le domaine submicronique. On peut vraiment considérer la métrologie par vision comme l’outil de micro-métrologie du futur. 

Et la métrologie par vision continue à évoluer. L’introduction de différents capteurs interactifs a réellement révolutionné la manière d’accomplir des mesures 3D dans les systèmes basés sur la vision. Les différents capteurs constituent les modules d’extension ou d'amélioration d’un système de vision. Ces perfectionnements peuvent être des palpeurs tactiles à déclenchement point par point dont les tolérances sont de l'ordre de quelques microns et qui peuvent, si nécessaire, être articulés. L'articulation permet de mesurer des entités qui ne sont pas alignées sur le capteur de vision. Mais on peut aussi ajouter des capteurs sans contact, comme les capteurs laser et capteurs de scanning à lumière blanche, pour obtenir des précisions submicroniques et dans certains cas même une précision de l’ordre de l'angström. Les lasers facilitent la mesure de formes à travers l'utilisation d'un axe de rotation ou d’inclinaison en temps réel. La technologie de capteur à lumière blanche est idéale pour certaines entités très petites, comme les petits pas et les formes en 3D. La corrélation de ces capteurs en combinaison avec le capteur optique procure un avantage inégalé en termes de vitesse et de flexibilité des systèmes de vision.

Systèmes de palpeurs à déclenchement point par point

Cette solution pour l’usinage de production offre le plus haut rendement et passe par l’intégration d’un palpeur à déclenchement point par point sur le tour lui-même. L’entreprise suivante a exploité les avantages d'un tel système. Davromatic Precision Ltd. of Rugby, UK, est un fournisseur de deuxième niveau de l’industrie aérospatiale, du secteur de la défense et des équipements lourds. Chaque jour, l’entreprise doit trouver un équilibre comme fabricant de pièces de précision obtenues par tournage. D’une part, elle doit produire des pièces précises obtenues par tournage et par fraisage avec des tolérances de seulement ± 8 microns. D'autre part, elle doit réduire les coûts au maximum. L'investissement dans un centre de tournage-fraisage équipé d'un palpeur à déclenchement point par point intégré est apparu comme l’investissement le plus économique.

Compte tenu du volume de production élevé, chaque arrêt de fabrication et chaque réglage manuel du centre de tournage affecte la productivité et la rentabilité de la tâche. Pour garantir la qualité des pièces avec des tolérances étroites et empêcher une dérive du processus, une solution de métrologie intégrée s’imposait pour la surveillance et l’adaptation permanentes des paramètres d’usinage.

Davromatic a mis en oeuvre un système de palpeur à déclenchement point par point infrarouge filaire fourni par M&H Inprocess Messtechnik GmbH qui permet aux tours munis de têtes mobiles d’inspecter les contours tournés et fraisés pendant que la pièce se trouve encore sur la machine dans la broche secondaire. Le palpeur à déclenchement point par point est monté sur un support fixé près de la tête-broche principale afin déplacer les pièces découpées vers le palpeur par l’intermédiaire de la broche secondaire en vue d’une mesure dimensionnelle.

Le relevé de dimensions critiques, comme le diamètre extérieur, la longueur, la largeur des profils hexagonaux transversaux et les surfaces fraisées est assuré en quelques secondes. Comme la mesure a lieu sur la broche secondaire, elle peut être réalisée indépendamment de la broche principale, ce qui réduit encore plus l’effet sur la production.

Davromatic a également profité d’avantages secondaires du système en termes d’usure de l’outil, de surveillance et de panne prématurée. Certains alliages utilisés dans la production ont occasionné des usures d’outil incohérentes et inégales, en aboutissant rapidement à un dépassement des tolérances de fabrication. L'échantillonnage de chaque pièce a permis une surveillance en temps réel de sorte qu’il a été possible de changer les inserts avant la production d’un grand volume de rebuts coûteux et une perte de temps de fabrication.

Globalement, l’inspection intégrale automatique et les réglages effectués pendant la fabrication sur les machines-outils se sont traduits par un gain de productivité d’environ 20 %, en éliminant presque complètement les rebuts.

Cette application est un exemple de réussite extraordinaire d’un processus de mesure intégré. Mais cette technique a des limites importantes. D'abord, l'utilisation d’un palpeur à déclenchement point par point présuppose la possibilité de toucher les objets pour les mesurer. Selon la pièce, certaines entités peuvent s’avérer trop petites pour un contact, ou bien un palpeur d’une seule taille ne peut inspecter de façon appropriée tout ce qu’il faut examiner. Un tel système peut s’avérer inadéquat pour relever des géométries complexes. Deuxièmement, ce n’est pas une vérification indépendante de la qualité de la pièce. Si la machine elle-même est imprécise, les résultats risquent de susciter des doutes. Certains programmes de qualité ou certains clients exigent un contrôle indépendant des résultats. On peut donc envisager d’utiliser un système de palpage à déclenchement point par point pour la surveillance de la production en combinaison avec une solution hors chaîne pour la vérification finale.

Perspectives d'avenir

La bonne nouvelle, c’est qu’il existe un choix inégalé de moyens pour inspecter des pièces tournées, sur la chaîne et hors chaîne, et même des solutions hybrides intégrant une combinaison de techniques et d'équipements.

En conclusion, on notera que la fabrication de composants cylindriques va évoluer et s'étendre. Divers systèmes de métrologie respectent les exigences de qualité et les impératifs budgétaires de ce secteur. On peut mesurer fiablement tout type d'objet, des vis d’os aux soupapes et aux composants en plastique. Oui, les standards de fabrication actuels exigent un traitement rapide et une plus grande précision. Et le secteur de la métrologie offre de bonnes solutions à cet égard. Le choix de l'équipement approprié peut se traduire par une accélération importante des inspections et un contrôle amélioré des processus, ces deux aspects contribuant largement au succès de tout fabricant.