Élever le contrôle qualité des machines-outils avec la future norme ISO 230-13

Le contrôle qualité des machines-outils est au bord d'un changement profond. Selon Steffen Hailer, chef de produit et ingénieur d'application pour AfM Technology à Aalen, Allemagne, une norme ISO bientôt publiée (ISO 230-13) définira le processus par lequel une machine-outil peut être calibrée de telle sorte que ses mesures de palpage puissent être acceptées par le département qualité.

Cela ne signifie pas que la machine-outil sera toujours aussi précise qu'une MMT typique. Mais les départements de production et de QC parleront le même langage, et les mesures de la machine seront utilisables pour le QC. Cela, à son tour, offre des avantages en termes de meilleur contrôle de processus et de coût de la qualité inférieur.

La compensation volumétrique d'erreur (VEC) est peut-être le facteur le plus important permettant à une machine-outil d'effectuer un QC acceptable. Mais même si vous utilisez encore des équipements hors ligne pour l'inspection finale (ce qui sera généralement le cas), les dernières méthodes de VEC offrent la meilleure voie pour assurer une haute précision dans la production de pièces complexes.

Par exemple, Art Kietlinski, responsable des opérations pour Automated Precision Inc. (API) de Rockville, Md., a dit que le paquet de compensation de l'entreprise fera une amélioration de quatre à cinq fois de la précision volumétrique d'une machine-outil multi-axes, et parfois une amélioration encore plus grande. « Typiquement, nous pourrions voir une machine avec une erreur volumétrique maximale à la pointe de l'outil de 0,3 à 0,5 millimètres avant calibration. Et puis après calibration, nous pourrions être autour de 0,075. Sur une machine à cinq axes, nous regardons et améliorons les 43 erreurs possibles. » [Voir « Keeping Machines Honest with Advanced Calibration, Optimization », Manufacturing Engineering, juin 2019, pour une explication des 43 écarts possibles de machine-outil.]

API fait cela en combinant un traceur laser avec ce qu'ils appellent leur Cible Active, a expliqué Ron Hicks, vice-président de la gestion de produit et du marketing. « La Cible Active est un petit réflecteur motorisé monté dans la broche. Elle permet au traceur laser de mesurer avec précision la position de la pointe de l'outil de la machine à partir d'une seule position d'instrument. » C'est significatif, a souligné Hicks, car le processus VEC déplace la broche en temps réel à travers tous les axes de la machine pendant le processus de mesure. Cela ne serait pas possible avec un réflecteur de traceur laser standard, car le faisceau serait rompu à divers points à travers le volume de la machine. Hicks a ajouté que « contrairement aux processus laser conventionnels, notre système n'a pas besoin d'être aligné sur les axes majeurs d'une machine-outil. Cela a des avantages dramatiques en termes de vitesse et de précision… Nous avons pu compenser deux machines en une seule journée. »

Le système d'API mesure « toutes les poses de machine possibles », a ajouté Kietlinski, donc dans un grand volume de machine (par ex. 10 m), il pourrait tracer jusqu'à 250 points. À partir de là, le logiciel propriétaire génère des coefficients pour les polynômes qui calculent les corrections d'erreur nécessaires pour chaque axe. Comme l'a expliqué Kietlinski, ce sont des mathématiques complexes, car « les erreurs ne sont pas nécessairement linéaires. Vous pourriez vous retrouver avec un polynôme du second ou troisième ordre qui doit être résolu. »

L'usine de Northrop Grumman à Palmdale, Californie, est l'une des plusieurs réussites, a dit Hicks. L'usine utilise de grandes machines à portique à cinq axes pour effectuer tout le tronçonnage et le perçage de trous pour tout le fuselage du F-35, et API visite chaque année pour effectuer la VEC sur chaque machine. Pendant ce temps, a dit Kietlinski, Lockheed Martin et Israeli Aerospace usinent les sections d'ailes sur des horizontales, qu'API dessert également.

Il y a des limites. Une visite récente chez une entreprise du Michigan produisant des outillages de haute qualité, des prototypes et des composants de production à faible volume introduit une note de prudence.

Comprendre les limites

Kietlinski a raconté que l'entreprise du Michigan a invité API à démontrer leur équipement sur une machine à cinq axes qui avait déjà subi une VEC basée sur une carte d'erreur à 21, « qui est la norme pour la plupart des machines et MMT. » Comme l'a expliqué Kietlinski, « toutes ces calibrations supposent que la machine a un corps rigide, ce qui signifie que toutes les erreurs angulaires seraient les mêmes tout au long du parcours de cet axe à travers le volume. Donc, par exemple, peu importe où je fais passer l'axe X à travers le volume, si je mesurais les erreurs de tangage, lacet et roulis, j'obtiendrais les mêmes données angulaires. Mais ce n'est pas toujours le cas sur ces machines plus grandes. » C'est généralement dû au fait que les rails ne sont pas parallèles, a-t-il dit. Cela crée une contrainte sur la machine et son système d'entraînement, ce qui cause « les courants de charge à augmenter, et un certain nombre d'autres problèmes. »

Alors la première chose que Kietlinski a vérifiée était la rectitude des axes linéaires, ce qui prend moins d'une heure en utilisant le traceur laser. Il a ajouté qu'il y a généralement une relation directe entre la rectitude et d'autres erreurs géométriques, comme le tangage, le lacet, le roulis et les erreurs d'orthogonalité, « parce que vous ne pouvez même pas évaluer l'orthogonalité si vous n'êtes pas droit. » Dans ce cas, il a trouvé des erreurs allant jusqu'à 200 à 250 microns (0,010"). API a effectué un alignement complet sur la machine, « même en détachant le pont et en l'équerant mécaniquement. Ensuite, nous avons appliqué la carte de correction à 21 erreurs. À ce stade… les erreurs angulaires étaient les mêmes à travers la machine, et nous avons pu améliorer la machine dix fois par rapport à la calibration précédente. »

C'est dû en grande partie à l'alignement mécanique amélioré, a souligné Kietlinski. « Mieux vous avez la machine alignée mécaniquement, meilleurs sont les résultats de la calibration. » Inversement, « vous ne pouvez pas prendre une machine qui n'est pas mécaniquement alignée et essayer de tout corriger avec du logiciel. »

Corriger les erreurs en cours de processus

Dans les limites juste discutées, la VEC peut faire une amélioration remarquable aux inexactitudes géométriques d'une machine. Mais qu'en est-il des « inexactitudes de travail », les erreurs supplémentaires qui se produisent pendant l'usinage, dues aux contraintes opérationnelles, à l'instabilité thermique et à d'autres facteurs ? Bill Malanche, directeur des opérations pour Mitsui Seiki (USA), Franklin Lakes, N.J., a listé les causes majeures d'imprécision comme « mouvement perdu, chaleur, et conception. Le mouvement perdu s'insinue dans de nombreux aspects, mais peut être résumé par l'alignement géométrique et l'ajustement. » Avec la VEC adressant les autres facteurs, l'instabilité thermique émerge comme peut-être la source principale d'erreurs en cours de processus. Et plus la machine est grande, plus on pourrait voir de variation dans la position réelle versus nominale de l'outil.

Une approche pour traiter ce problème est d'utiliser la sonde interne d'une machine pour aider à calculer cette déviation, puis de la compenser. Doug Schulte, responsable du développement commercial pour Select Machining Technologies, Windsor, Conn., a dit que leurs machines Soraluce « palpent une sphère de qualification en un certain nombre de points prédéfinis. Cela le fait pour de nombreuses positions de tête et d'axe. Le logiciel compare ensuite les points mesurés au modèle cinématique de la machine et fait toute compensation nécessaire pour assurer le point centre de l'outil dans la géométrie de la machine. » Soraluce appelle cette fonction Calibrage Dynamique de Tête (DHC), et Schulte a dit que c'est une caractéristique commune dans les machines à cinq axes. [Manufacturing Engineering a couvert la version d'Okuma dans l'article de juin 2019.]

Les machines Soraluce sont généralement équipées de plusieurs têtes à deux axes, et le DHC prend 25 à 30 minutes pour le cycle de mesure complet. Il est conçu pour une compensation périodique pré-usinage, comme la VEC. Mais Soraluce a une fonctionnalité supplémentaire appelée Accura Heads qui cible les erreurs possibles en cours de processus, et ne prend qu'une minute ou deux pour le faire. Cette option utilise la même sonde et sphère de mesure, mais s'exécute à l'intérieur du programme d'usinage, a expliqué Schulte.

« Si vous allez adresser une caractéristique sur une pièce qui est dans un angle spécifique et que cet angle est très critique, vous pouvez utiliser la routine Accura Heads pour vérifier l'angle et la position de la pointe de l'outil pour cette orientation particulière. Ensuite, elle fera cet offset pour cet unique outil. Vous faites ce cycle de palpage immédiatement avant d'exécuter cette opération. »

Schulte a également indiqué que pour des tolérances plus serrées dans certains designs de machines, l'utilisateur devrait monter la sphère plus près de la zone où ils vont couper, selon la taille de la machine. « Soraluce a construit des machines avec une course longitudinale de plus de 60 mètres », a-t-il ajouté. On peut facilement imaginer que des influences extérieures pourraient causer une déviation entre le positionnement réel et nominal aussi loin.

La poignée de main Usinage/QC

En prenant une « machine compensée » comme donnée, les opérateurs peuvent considérer la possibilité d'utiliser la sonde d'une machine-outil pour effectuer des fonctions de QC. La nouvelle norme ISO 230-13 définira les exigences, et le fera en référence à l'ISO 10360, qui est la norme pour les MMT. La spécification clé avec laquelle les MMT sont jugées est leur valeur d'erreur maximale admissible (MPE). Un test d'acceptation mesurerait sept orientations (quatre diagonales de corps, plus une chacune le long de X, Y et Z) avec soit une règle à pas, soit un laser en combinaison avec une sphère de mesure. Pour passer le test, la déviation maximale (E0) ne doit pas être supérieure à la MPE.

Comme l'a expliqué Hailer, la nouvelle norme ISO définit la procédure de test d'acceptation et les valeurs nécessaires tout aussi clairement pour les machines-outils, mais c'est un nouveau concept pour les constructeurs de machines. « Actuellement, aucun constructeur de machine-outil ne connaît la taille de leur MPE. Ils doivent apprendre la procédure pour déterminer une telle valeur, puis découvrir ce qu'elle est. C'est l'un des services que nous fournissons aux OEM. » Une fois qu'un constructeur a déterminé cette valeur pour une machine donnée – et qu'elle est vérifiée sur site, tout comme vous le feriez pour une installation de MMT – un utilisateur pourrait faire une inspection finale de pièce sur la machine, sans jamais la mettre sur une MMT, et livrer la pièce à un client avec un rapport documentant la précision des mesures.

Que la MPE d'une machine-outil soit acceptable pour l'utilisateur final est une autre question. Mais il semble probable que les machines de haute précision satisferont un QC satisfaisant pour au moins certaines applications. C'est particulièrement vrai pour les très grandes pièces, a observé Béat Ries, responsable des produits de rectification pour Mitsui Seiki. « Vous payez beaucoup d'argent pour une grande MMT, surtout quand vous voulez aller à une ultra-haute précision. Les chiffres sont astronomiques. Il semble que personne ne soit capable de fournir une solution économique. »

Il y a plus, a dit Ries. Connaître juste la MPE d'une MMT ou machine-outil ne suffit pas pour satisfaire les normes aérospatiales ou automobiles. C'est parce qu'elles « exigent également une valeur d'incertitude à côté de chaque mesure ou validation effectuée sur les pièces. » Donc, bien que beaucoup de gens pensent à la MPE seule comme la « précision » d'une machine, le chiffre ne capture pas les variations de mesure – et les inexactitudes supplémentaires – qui se produisent dans le monde réel. Par exemple, Ries a expliqué : « Les fluctuations de température dans un atelier produiraient des mesures différentes. Donc, si une MMT a une MPE de 1,9 plus L/250 microns, l'incertitude calculée pourrait être de 3 microns par mètre. Si vous mesurez sur un mètre, la valeur MPE suggérerait que vous êtes précis à 5,9 microns près. Mais si vous ajoutez la valeur d'incertitude, vous verrez que vous mesurez en fait à plus ou moins 8,9 microns. »

Diviser le micron

Un atelier qui prend la mesure extrêmement au sérieux est l'appropriément nommé Precision Grinding Solutions (PGS) à Hamden, Conn. Le propriétaire Curt Reed considère qu'il est essentiel qu'ils aient une maîtrise ferme de leur QC, pour inclure les mesures d'incertitude, parce qu'ils rectifient des pièces de moteurs à réaction rotatifs pour de grands OEM comme Pratt & Whitney, plus des fournisseurs de rang 1 et 2 aérospatiaux. PGS a même un contrat pour calibrer des jauges pour plusieurs emplacements Pratt.

PGS a une MMT Zeiss PRISMO ultra, que Reed appelle une machine de « classe de référence ». La MMT affiche un E0 de 0,5 + L/500 µm, et PGS a déterminé le budget d'incertitude « de l'une des vieilles façons. Vous prenez un artefact connu, disons l'une des jauges Pratt dont nous sommes impliqués dans la calibration, et mesurez une caractéristique critique 50 fois ou plus. Ensuite, vous examinez cette dispersion de données, considérez des facteurs comme les changements de température de la pièce, branchez tout cela dans une formule de longue date et obtenez un chiffre d'incertitude. »

Maintenant, PGS met en œuvre une nouvelle méthode pour obtenir une prise encore meilleure sur l'incertitude de mesure : CMM Virtuel (VCMM). Reed a expliqué que VCMM est un module complémentaire pour le paquet logiciel exécutif Calypso de Zeiss qui « vous permet d'insérer une autre colonne dans vos rapports qui montre l'incertitude de chaque mesure unique que vous prenez. » Au-delà de cela, il capture aussi toutes les autres erreurs que la calibration laser ne prend pas en compte, a ajouté Reed.

PGS travaille avec AfM pour capturer les données nécessaires pour cet effort, ce que Reed a dit va au-delà du suivi des fluctuations de température et des vibrations. « Par exemple, cela prend en compte si vous utilisez un stylet long avec un arbre fin, ou un court et trapu. Quelle est la signature de flexion de la machine ? Quand vous mesurez la machine, à quoi ressemble la géométrie réelle, les échelles, les guides… À quoi tout cela ressemble-t-il ? » AfM déterminera tout cela en prenant une série de mesures spéciales avec un ensemble d'artéfacts qui incorporent diverses billes et marches. Ensuite, les fichiers d'erreur s'exécuteront en arrière-plan pour déterminer l'incertitude.

En somme, a dit Reed, « VCMM est une manière beaucoup plus moderne, plus complète d'examiner l'incertitude pour tout le système et le laboratoire. Ce n'est pas juste basé sur un artefact. C'est qualifier à travers toutes les mesures qu'Afm prend, et c'est qualifier tout le volume de mesure de la MMT, pas juste une zone locale où vous avez testé une jauge. »

Une fois terminé, a commenté Reed, les nouveaux rapports feront paraître le tableau qualité pire, « parce qu'il fait un meilleur travail, caractéristique par caractéristique. Si vous activez cette fonction, vous verrez l'incertitude de chaque caractéristique unique exécutée sur chaque programme. Donc, si vous mesurez quelque chose qui aurait été « au micron », et vous ajoutez l'incertitude, peut-être que c'est 1,15 microns. Mais cela livre un examen réel, véridique de l'incertitude de tout le système. »

Le système de Reed est déjà excellent. PGS a une MMT de premier ordre et son laboratoire est stable en température à un tiers de degré Fahrenheit près. Mais ils ont fait d'autres investissements pour limiter l'incertitude : « Nous avons acheté le logiciel et les artefacts de mesure d'AfM pour avoir un meilleur contrôle de la précision de la machine. Nous avons aussi acheté une règle à marche de 700 millimètres identique à celle utilisée par le service Zeiss. Notre intention est de comprendre où la machine est à tout moment. »

PGS ne s'appuiera plus uniquement sur les calibrations annuelles de l'OEM, car elles ne représentent qu'un instantané dans le temps. Reed a dit que ces visites coûtent une somme significative et laissent encore se demander comment la machine performe toute l'année. « Si l'OEM revient dans un an et que la calibration « as-found » n'est pas dans les specs, cela met en question chaque produit que vous avez accepté avec la machine. Nous ne sommes plus prêts à prendre ce risque. Nous essayons de faire des examens hebdomadaires, voire quotidiens, de nos MMT. »