Surveillance en temps réel des forces de coupe améliore la précision et l'efficacité

Figure 1. Les forces de coupe en usinage peuvent être mesurées indirectement avec une grande précision, en appliquant des capteurs de contrainte piézoélectriques tels que le 9232A de Kistler. (Image : Kistler Group)

Enjeux de la surveillance machine

Haute productivité, faibles coûts de fabrication et haute qualité des pièces : ce sont les facteurs clés qui offrent durabilité, rentabilité et avantage concurrentiel aux fabricants industriels. Une surveillance machine fiable fournit des informations précieuses en temps réel sur les processus en cours ; c'est la base d'une fabrication fiable, productive et reproductible et elle aide les opérateurs de machines à prendre des décisions fondées sur les améliorations à court et long terme. Cette technologie peut même capturer des anomalies dans des processus d'usinage hautement dynamiques, afin que les utilisateurs puissent réagir instantanément pour garantir une haute productivité, réduire les taux de rebut et prolonger la durée de vie des outils. Grâce à tous ces avantages, la surveillance continue des machines et des processus basée sur une technologie de capteurs appropriée est un facteur de succès critique dans l'industrie manufacturière d'aujourd'hui.

Surveillance machine avec capteurs de contrainte PE

Les solutions de surveillance machine du groupe Kistler, Winterthur, Suisse, comportent des capteurs qui peuvent être intégrés dans l'environnement mécanique et électrique d'une machine. Cependant, seuls les capteurs réellement nécessaires seront installés à des positions définies dans la machine. Cette approche minimise à la fois la complexité et le coût du système de surveillance machine, bien que l'intégration des capteurs dans les structures mécaniques et électriques de la machine puisse encore être un défi.

Le type et la position du capteur sont des facteurs critiques de succès pour capturer des processus hautement dynamiques avec une précision maximale. Le capteur doit être placé près du point de coupe de manière à ne pas interférer avec le processus d'usinage, mais en même temps, il ne doit pas être soumis à d'autres influences que la coupe réelle. La surveillance des forces de coupe joue un rôle clé pour assurer les opérations d'usinage stables nécessaires à la production de composants à tolérances serrées. Les utilisateurs qui optent pour ce type de solutions de surveillance machine peuvent également progresser vers l'usinage autonome et réduire leurs coûts totaux d'usinage.

Mesure indirecte des forces de coupe près du tranchant

Figure 2. Le bélier de la machine où les porte-outils de coupe sont serrés. (Image : Kistler Group)

Une façon de capturer les forces de coupe est de mesurer les forces de déformation agissant sur la structure de la machine-outil. Cela peut être réalisé avec des capteurs de contrainte de surface piézoélectriques attachés ou intégrés dans la structure de la machine. Dans un projet récent avec MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Suède, des tours verticaux ont été équipés d'un capteur de contrainte de surface PE intégré Kistler 9232A, qui offre la haute sensibilité nécessaire pour mesurer à la fois les contraintes de traction et de compression sur une surface grâce à une plage de mesure de ±600 microdéformations (µε).

Ce système de surveillance machine vise à détecter l'usure élevée des outils et la rupture d'outils et à arrêter la machine en cas de collisions. De plus, une fois le contrôle de force établi sur la base de données de mesure précises, il peut être utilisé pour surveiller et améliorer la précision du profil. Les grandes forces radiales qui se produisent lors du tournage dur causent une déformation élastique du bélier qui porte les porte-outils de coupe. La déformation est très petite, et elle peut être partiellement compensée par l'unité de commande de la machine. Mais même ainsi, elle est encore assez grande pour être capturée par un capteur de contrainte avec une bonne précision situé très près du tranchant.

La surveillance machine peut également être basée sur les signaux machine, mais dans cette application, la qualité dépend à la fois du type de machine et de l'état d'usure. Les signaux machine montrent parfois des écarts qui ne sont pas liés au processus de coupe, donc ils ne sont pas suffisants pour un système de commande de machine ciblant l'usure d'outil ou la qualité du produit.

Minganti et Kistler ont décidé d'installer un deuxième capteur pour compléter la solution de surveillance machine. Cela fournit une certaine redondance, et prend également en compte le coût élevé des pièces. À cette fin, un accéléromètre piézoélectrique mono-axe 8274A de Kistler a été également intégré dans le bélier. Il complète les mesures de force (contrainte) en fournissant des mesures de plus haute fréquence afin que les changements soudains dans le processus puissent être détectés. Les deux entrées de capteur sont traitées avec un amplificateur de charge numérique, qui est connecté à la commande machine via PROFINET. L'un des principaux avantages de cet amplificateur de charge est que ses utilisateurs peuvent effectuer automatiquement un filtrage passe-bas et passe-haut, ce qui facilite la concentration sur la partie hautement dynamique du signal.

Atteindre une haute précision de profil de surface — sans effort supplémentaire

Figure 3. Le diagramme montre une bonne corrélation entre le signal de force (contrainte) du capteur de contrainte Kistler (graphique supérieur) et la mesure du profil de surface après coupe (graphique inférieur). (Image : Kistler Group)

Le système de surveillance machine étendu est utilisé pour surveiller l'usure des outils, détecter la rupture d'outils, et détecter et contrôler les collisions de machine. Il apprend automatiquement les niveaux de signal réguliers et surveille ensuite les changements pour détecter les écarts. Cela permet aux opérateurs d'initier les actions nécessaires telles que les changements d'outils, les arrêts de machine, et autres. Les défaillances d'outils (ruptures, ébréchures de tranchant, etc.) peuvent être causées par diverses raisons, y compris des données de coupe incorrectes chargées dans la commande numérique, une faible qualité du tranchant, une mauvaise pression de liquide de refroidissement, ou des anneaux trop ovales, entraînant des changements majeurs dans la profondeur de coupe à chaque rotation. Lorsque de telles défaillances se produisent, leur effet est clairement visible dans les signaux de force et de vibration.

L'un des paramètres de qualité les plus importants pour les composants de roulements est la précision du profil (« rectitude ») des surfaces. Ce paramètre affecte le frottement entre les éléments roulants et les bagues dans un roulement. Maintenir des tolérances serrées (3 - 6 µm) sur une grande bague (1 à 2 mètres de diamètre) est un aspect difficile du processus de tournage dur, c'est pourquoi de nombreux producteurs de roulements effectuent le rectifiage ou le rodage comme étape supplémentaire. Le système de surveillance machine Kistler peut mesurer indirectement la contrainte (déflexion) de l'outil, donc la précision du profil (déviation de forme) est clairement visible sur le signal de contrainte (force indirecte). L'entrée de signal de force peut être utilisée directement pendant l'opération de tournage pour changer les conditions de coupe avec l'aide d'un contrôle en boucle fermée, de sorte que les déflexions peuvent être compensées.

L'importance d'une surveillance machine précise pour un usinage précis

Bien que la surveillance des signaux machine puisse fournir des informations sur les conditions de fonctionnement, elle pourrait indiquer des problèmes qui ne sont pas directement liés à la précision de l'usinage réel. Comme nous l'avons décrit dans cet article, cependant, Kistler a des méthodes, telles que les jauges de contrainte et les accéléromètres, qui surveillent directement le processus de coupe. La surveillance des forces de coupe joue un rôle clé pour assurer les opérations d'usinage stables nécessaires à la production de composants à tolérances serrées. La mesure précise des forces de coupe est une étape importante pour maintenir la précision du profil, a déclaré Marcus Caldana, Président de Minganti Global AB.

Cet article a été rédigé par Buelent Tasdelen, Responsable développement commercial chez Kistler. Pour plus d'informations, allez ici.