Surveillance en ligne de la surface lors du tourbillonnage
Projet de recherche de l’IFW sur la détermination de la qualité de surface dès le processus de tourbillonnage des filets.
Le tourbillonnage est un procédé très répandu pour la fabrication de filets. Cet article présente le développement d’un procédé permettant de déterminer la qualité de surface dès le processus de tourbillonnage. Le procédé est développé conjointement par l’Institut de technique de fabrication de l’Université de Hanovre et Bornemann Gewindetechnik GmbH und Co. KG dans le cadre d’un projet de coopération.
Les vis à billes font tourner l’économie au sens propre du terme. Sous leurs différentes formes, elles sont utilisées par exemple dans les machines-outils, les véhicules ainsi que dans les techniques de levage et de manutention. Afin de garantir leur fonctionnement, les vis à billes sont soumises à des tolérances de fabrication très strictes. Outre le respect des tolérances géométriques, la garantie d’une surface aux propriétés tribologiques définies est une condition préalable à l’utilisation efficace d’une vis sans fin.
La géométrie des filets a une forte influence sur le domaine d’application du filetage. Par exemple, les filets trapézoïdaux sont utilisés pour le déplacement de charges élevées, car les flancs profonds du filet permettent de transmettre des forces importantes. Si la charge n’est élevée que dans une seule direction, comme par exemple dans les presses à vis, on utilise des filets de scie. La fabrication de filets trapézoïdaux et de filets de scie s’effectue le plus souvent par le procédé de tourbillonnage. Les raisons en sont, d’une part, la taille généralement réduite des lots et, d’autre part, les propriétés de surface favorables obtenues grâce à ce procédé.
La figure 2 illustre la cinématique du processus de tourbillonnage. Pendant le processus de fabrication, la qualité de la surface lors du tourbillonnage est surtout déterminée par l’état d’usure et la précision de positionnement des arêtes de coupe. La surveillance de l’usure de l’outil ou même de la surface n’est cependant pas possible actuellement pendant le processus. D’une part, le flanc du filet est difficilement accessible en raison de sa position et d’autre part, la rotation de l’outil et de la pièce pendant le processus rend difficile l’enregistrement des données de mesure.
La figure 2 illustre la cinématique du processus de tourbillonnage. Pendant le processus de fabrication, la qualité de la surface lors du tourbillonnage est surtout déterminée par l’état d’usure et la précision de positionnement des arêtes de coupe. La surveillance de l’usure de l’outil ou même de la surface n’est cependant pas possible actuellement pendant le processus. D’une part, le flanc du filet est difficilement accessible en raison de sa position et d’autre part, la rotation de l’outil et de la pièce pendant le processus rend difficile l’enregistrement des données de mesure.
La méthode du tourbillon
Pour analyser la tâche de mesure, il faut d’abord considérer la cinématique du processus de fabrication. Dans le tourbillonnage, la surface du filet est créée par un mouvement combiné de la broche de tourbillonnage et de la pièce à usiner (figure 2). En règle générale, la broche de tourbillonnage comporte entre trois et huit arêtes de coupe uniformément réparties, qui représentent le contour d’un pas de vis.
Outre la cinématique du processus de fabrication, l’application ultérieure a également une influence sur le procédé de mesure à choisir. Comme le contact entre l’écrou et la broche filetée se fait, dans le meilleur des cas, sur l’ensemble du flanc du filet, il est nécessaire de relever toute la surface du flanc du filet pour pouvoir évaluer la qualité.
La rotation de la pièce pendant le processus exclut aussi bien les méthodes tactiles que les méthodes optiques avec une petite plage de mesure pour la détection de la surface, car un mouvement supplémentaire du capteur serait nécessaire pour détecter le flanc entier. Un procédé de mesure approprié doit permettre de saisir l’ensemble du flanc du filet en une seule opération de mesure. Une caméra industrielle monochrome est prévue à cet effet.
Comme preuve de fonctionnement, des filetages avec des surfaces conformes aux exigences (i.O.) et des filetages avec des surfaces en dehors des exigences (n.i.O.) ont été enregistrés avec la caméra. Les images des surfaces d’un filet trapézoïdal TR 65×7 ainsi que d’un filet trapézoïdal TR 80×10 sont représentées sur la figure 3. En raison des différents états de surface, le comportement de réflexion des surfaces est très différent. La répartition des niveaux de gris de l’image varie donc en fonction de la qualité de la surface.
L’histogramme schématisé montre que l’amplitude de la valeur maximale diminue de manière significative pour les filetages avec une surface n.i.O. par rapport à ceux avec une surface i.o. Pour les différentes tailles de filetage, la modification du maximum de la valeur de gris est plus ou moins prononcée. Afin de pouvoir utiliser le comportement de réflexion modifié pour la surveillance de la surface, il est donc nécessaire de pouvoir définir la limite entre les surfaces i.O. et n.i.O. même lorsque la taille du filetage est modifiée.
Défis posés par les conditions d’accueil
L’utilisation du traitement d’image dans le processus de fabrication exige une distinction sûre et répétable entre les surfaces n.i.o. et i.o.. Pour permettre une distinction précise, il est nécessaire d’identifier et d’analyser les facteurs d’influence lors de l’acquisition des images.
Les grandeurs d’influence identifiées sur l’image capturée sont représentées dans un diagramme d’Ishikawa à la figure 4. La grandeur cible (rouge) du traitement d’image est la rugosité. Les variables réglantes (en vert) lors de l’acquisition de l’image sont entre autres le temps d’exposition et la direction d’exposition. Les variables réglantes doivent être réglées de manière à ce qu’une image claire de la surface soit produite dans des conditions limites données (orange), comme par exemple la vitesse de rotation de la pièce. Les conditions marginales qui ne peuvent pas être compensées par les variables de réglage doivent être compensées par d’autres mesures, comme par exemple le confinement de la caméra contre les salissures.
Les grandeurs d’influence identifiées ont été étudiées dans un montage expérimental sur une machine-outil afin de pouvoir adapter les grandeurs de réglage de la manière la plus contrôlée possible. Un algorithme de traitement d’image basé sur les différences de niveaux de gris des surfaces est actuellement en cours de développement avec les images enregistrées.
Perspectives
Une structure de mesure optimisée pour le processus est actuellement développée sur la base de l’adaptation contrôlée de la grandeur de commande. Cette structure permet de garantir que l’algorithme peut également être utilisé pendant le processus de tourbillonnage. Le système de surveillance de surface présenté fait partie d’un système de contrôle de la qualité lors du tourbillonnage. L’étape suivante consiste à mettre en service le système présenté ainsi qu’un autre système de saisie des paramètres géométriques du filet sur la machine de tourbillonnage. Ensuite, un algorithme de surveillance de la qualité sera développé pour évaluer la qualité en ligne sur la base des données de mesure. À l’aide de l’état de qualité déterminé, des recommandations d’action pour les opérateurs seront déduites ultérieurement.
Remerciements
Le projet de recherche « Surveillance en ligne de la qualité lors du tourbillonnage – Quali-Wirb » est financé par le ministère fédéral de l’Économie et de la Protection du climat (BMWK) sur la base d’une décision du Parlement allemand dans le cadre du programme central d’innovation pour les PME (ZIM) et est encadré par la Communauté de travail des associations de recherche industrielle « Otto von Guericke » (AiF). L’IFW et le partenaire de coopération Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG remercient pour leur soutien financier dans ce projet.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Institut des techniques de production et des machines-outils (IFW)
Université Leibniz de Hanovre