La surveillance de la force de coupe en temps réel améliore la précision et l'efficacité

Figure 1. Les forces de coupe lors de l'usinage peuvent être mesurées indirectement avec une grande précision, à l'aide de capteurs de contrainte piézoélectriques tels que le 9232A de Kistler. (Image :Groupe Kistler)

Une productivité élevée, de faibles coûts de fabrication et une qualité élevée des pièces :tels sont les facteurs clés qui assurent la durabilité, la rentabilité et un avantage concurrentiel pour les fabricants industriels. Une surveillance fiable des machines 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 éclairées sur les améliorations à court et à long terme. Cette technologie peut même détecter les anomalies dans les processus d'usinage hautement dynamiques, afin que les utilisateurs puissent réagir instantanément pour garantir une productivité élevée, 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 adaptée est un facteur de succès essentiel dans l'industrie manufacturière actuelle.

Surveillance des machines avec capteurs de contrainte PE

Les solutions de surveillance des machines du groupe Kistler, Winterthur, Suisse, comportent des capteurs qui peuvent être intégrés dans l'environnement mécanique et électrique d'une machine. Toutefois, seuls les capteurs réellement nécessaires seront installés à des emplacements définis dans la machine. Cette approche minimise à la fois la complexité et le coût du système de surveillance de la machine, même si l'intégration des capteurs dans les structures mécaniques et électriques de la machine peut encore s'avérer difficile.

Le type et la position du capteur sont des facteurs de réussite essentiels pour capturer des processus hautement dynamiques avec une précision maximale. Le capteur doit être placé à proximité 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 elle-même. La surveillance des forces de coupe joue un rôle clé pour garantir la stabilité des opérations d'usinage nécessaires à la production de composants à tolérances serrées. Les utilisateurs qui optent pour des solutions de surveillance de machines de ce type peuvent également progresser vers l'usinage autonome et réduire ainsi leurs coûts totaux d'usinage.

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

Mesure indirecte de la force de coupe à proximité du tranchant

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

Ce système de surveillance de la machine est destiné à détecter une usure élevée des outils et des bris d'outils et à arrêter la machine en cas de crash. De plus, une fois le contrôle de la force établi sur la base de données de mesure précises, il peut être utilisé pour surveiller et améliorer la précision du profil. Les forces radiales importantes qui se produisent lors du tournage dur provoquent une déformation élastique du vérin qui porte les porte-outils de coupe. La déformation est très faible et peut être partiellement compensée par l'unité de commande de la machine. Mais même ainsi, il reste suffisamment grand pour être capturé par un capteur de contrainte avec une bonne précision situé très près du tranchant.

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

Minganti et Kistler ont décidé d'installer un deuxième capteur pour compléter la solution de surveillance des machines. Cela assure une certaine redondance et tient également compte du coût élevé des pièces. À cette fin, un accéléromètre piézoélectrique à axe unique 8274A de Kistler a également été intégré au bélier. Il complète les mesures de force (déformation) en fournissant des mesures à plus haute fréquence afin que les changements soudains dans le processus puissent être détectés. Les deux entrées du capteur sont traitées par un amplificateur de charge numérique connecté à la commande de la 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 permet de se concentrer facilement sur la partie hautement dynamique du signal.

Obtenir une précision de profil de surface élevée – sans effort supplémentaire

Figure 3. Le diagramme montre une bonne corrélation entre le signal de force (déformation) du capteur de déformation Kistler (tracé supérieur) et la mesure du profil de surface après découpe (tracé inférieur). (Image :Groupe Kistler)

Le système étendu de surveillance des machines est utilisé pour surveiller l’usure des outils, détecter les bris d’outils, ainsi que pour détecter et contrôler les pannes de machines. Il apprend automatiquement les niveaux de signal réguliers, puis surveille les changements pour détecter les écarts. Cela permet aux opérateurs de lancer les actions nécessaires telles que les changements d'outils, les arrêts de la machine, etc. Les pannes d'outils (casse, écaillage des bords, etc.) peuvent être causées par diverses raisons, notamment des données de coupe incorrectes chargées dans la commande numérique, une mauvaise qualité de coupe, une mauvaise pression du liquide de refroidissement ou des bagues trop ovales, entraînant des changements importants dans la profondeur de coupe à chaque rotation. Lorsque de telles défaillances se produisent, leur effet est clairement visible à la fois 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 d'un roulement. Le maintien de tolérances serrées (3 à 6 μm) sur une bague de grande taille (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 meulage ou l'affûtage comme étape supplémentaire. Le système de surveillance des machines Kistler peut mesurer indirectement la déformation (déflexion) de l'outil, de sorte que la précision du profil (écart de forme) est clairement visible sur le signal de déformation (force indirecte). L'entrée du signal de force peut être utilisée directement pendant l'opération de tournage pour modifier les conditions de coupe à l'aide d'un contrôle en boucle fermée, afin que les déviations puissent être compensées.

L'importance d'une surveillance précise des machines pour un usinage précis

Bien que la surveillance des signaux de la machine puisse fournir des informations sur les conditions de fonctionnement, elle peut indiquer des problèmes qui ne sont pas directement liés à la précision de l'usinage réel. Cependant, comme nous l'avons décrit dans cet article, Kistler dispose de méthodes, telles que des jauges de contrainte et des accéléromètres, qui surveillent directement le processus de découpe. La surveillance des forces de coupe joue un rôle clé pour garantir la stabilité des opérations d'usinage nécessaires à la production de composants à tolérances serrées. Une 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 du développement commercial chez Kistler. Pour plus d'informations, cliquez ici  .