Un programme CNC peut avoir été vérifié avec succès et néanmoins échouer si la configuration physique ne correspond pas aux hypothèses sur lesquelles il repose. Le palpage de la broche permet d'effectuer les contrôles qui relient le processus programmé à la réalité à l'intérieur de la machine.

Par exemple : une trajectoire d'outil peut être correcte, la stratégie d'CAM ation peut être optimisée, le code G peut être vérifié par rapport à un jumeau numérique précis, et chaque outil peut être contrôlé par rapport à la géométrie programmée…

Et c'est alors qu'une pièce inadaptée est chargée. La pièce peut être trop grande, tournée de 90 degrés ou reposer sur un copeau. Un dispositif de serrage inadapté peut avoir été installé. Une mâchoire d'étau peut avoir saisi un filetage avant l'autre. Un décalage de la pièce peut avoir été défini alors qu'une ancienne transformation de coordonnées était encore active.

La simulation ne peut rien percevoir de tout cela. Elle vérifie le processus qui lui a été fourni, en partant du principe que la configuration réelle correspond à la configuration numérique.

Une sonde à broche permet de vérifier cette hypothèse.

Chez CloudNC, le sondage est utilisé dans quatre domaines principaux :

1. Vérification de la configuration avant le début de l'usinage
2. Suivi du processus pendant la fabrication des pièces
3. Définition des points de référence et mesure des éléments difficiles à mesurer
4. Vérification de l'étalonnage des machines, en particulier sur les équipements à cinq axes

Ensemble, ces contrôles permettent de réduire le risque de collisions, de casse d'outils, de composants mis au rebut et de longues périodes d'arrêt imprévues.

Voici notre processus d'analyse, en détail :

1. Vérifiez le réglage avant de commencer à découper

Un cycle de vérification de la configuration doit permettre de vérifier si la machine contient les pièces brutes et les dispositifs de serrage.

Selon le poste, cela peut impliquer de vérifier :

• Hauteur, longueur et largeur de la ébauche
• Présentation des actions
• Sens des fibres du matériau
• Positionnement dans l'étau ou le dispositif de fixation
• Hauteur de la colonne montante et du raccord
• Emplacement du vice-président
• Orientation de la mâchoire
• Matière présente autour de la pièce finie

Il s'agit de vérifications simples, mais elles permettent de détecter un large éventail d'erreurs courantes.

Mauvais article et mauvaise orientation

Un opérateur peut choisir une billette destinée à une autre pièce, ou charger une billette rectangulaire dans le mauvais sens. Le matériau peut également être livré avec des dimensions trop grandes, trop petites ou de forme irrégulière.

Dans le domaine des composants aérospatiaux, l'orientation du grain du matériau peut également revêtir une importance cruciale. L'une des façons de réduire ce risque consiste à définir des dimensions asymétriques pour les ébauches, de sorte que celles-ci ne puissent pas être facilement chargées dans le mauvais sens. Un contrôle par palpage permet ensuite de vérifier que les dimensions prévues sont bien respectées.

Cela offre une double protection : la pièce est conçue pour guider le chargement correct, et la machine vérifie que le chargement est correct avant le début de la découpe.

Erreurs de positionnement et de serrage

Même si la pièce brute est la bonne, elle peut tout de même se trouver au mauvais endroit.

Certaines pièces sont délibérément positionnées à l'écart du centre de l'étau en raison de la course de la machine, d'un bord préparé, d'une partie en porte-à-faux ou d'un montage en plusieurs parties. La procédure de palpage doit vérifier l'emplacement prévu plutôt que de partir du principe que chaque billette doit être centrée par rapport à ce qui a été programmé.

Il existe également des causes moins évidentes d'erreur de position.

Les mâchoires d'étau à centrage automatique ne se centrent d'elles-mêmes que lorsque les deux mâchoires s'engagent correctement. Si l'une des mâchoires s'engage un pas de filetage avant l'autre, l'étau peut serrer fermement tout en déplaçant la billette d'un millimètre ou plus.

Une pièce peut également remonter sur une mâchoire, tomber dans un gradin ou reposer sur des débris. Si la pièce a été coupée en biais, le serrage de l'étau peut entraîner son inclinaison. Cela modifie la position de la pièce à la fois sur l'axe Z et sur l'axe horizontal.

À première vue, la pièce peut sembler conforme. La sonde permet de transformer ces erreurs de réglage, qui passent inaperçues, en écarts mesurables.

Des variations imprévues des stocks modifient les conditions de coupe

La qualité des parcours d'outils haute performance dépend d'un engagement contrôlé.

Il est possible de programmer une trajectoire de fraisage dynamique ou trochoïdale pour obtenir une profondeur de coupe radiale réduite et constante. Si la billette est plus grande que prévu et qu’elle a en outre été chargée de manière excentrée, la première passe peut rencontrer une quantité de matière bien supérieure à celle que la fraise était censée enlever.

Le même problème se pose dans Z. Une opération de face programmée pour une coupe de 3 mm peut se heurter à une épaisseur de 6 mm, soit parce que la pièce est plus épaisse que prévu, soit parce qu’un support de coupe inadapté a été installé.

Voici quelques résultats possibles :

• Inserts ou corps de fraise cassés
• Contact entre le support et la crosse
• Charge excessive sur la broche
• La barre est retirée de l'étau
• Dommages causés à la broche ou à la machine

Une approche pratique consiste à définir une tolérance maximale de stock et une tolérance maximale de position. Le cycle de palpage permet de vérifier que la billette reste bien à l'intérieur de cette enveloppe.

La première opération d'usinage permet alors d'amener la surface extérieure de la pièce brute à un état connu avant le début des trajectoires d'outils sensibles à l'engagement. Une fois la pièce brute normalisée, chaque fraise rencontre la quantité de matière prévue par la stratégie d'CAM .

Vérifiez d'abord Z

Le premier coup d'essai devrait généralement tester la partie supérieure de la position depuis une position sûre.

Cela permet de détecter rapidement les erreurs majeures telles que :

• Une épaisseur de billette incorrecte
• La colonne montante incorrecte
• Un décalage de travail mal défini
• Un décalage de coordonnées actif
• Une pièce dont la charge s'est avérée nettement supérieure aux prévisions

La présence d'une colonne montante de 100 mm installée à la place d'une colonne montante de 60 mm doit être détectée par une opération de palpage protégée, plutôt qu'à l'aide d'une fraise ou d'une broche tournant à la vitesse d'usinage.

2. Surveiller le processus pendant la fabrication des pièces

La vérification de configuration assure la sécurité du démarrage de la tâche. La vérification en cours de traitement assure la sécurité du reste du lot.

Un processus classique peut consister à ce qu'un opérateur usine une pièce, la retire, la mesure manuellement et ajuste un décalage. Cela fonctionne pendant la phase de validation, mais offre une protection limitée entre les inspections.

L'usure des outils, les dommages subis par les arêtes, les variations de température et de matière peuvent progressivement faire sortir une pièce des tolérances. Le contrôle par palpage en cours de fabrication permet à la machine de détecter ce décalage avant qu'une grande quantité de pièces défectueuses ne soit produite.

Contrôles de décision « oui » ou « non »

La stratégie de contrôle en cours de fabrication la plus simple consiste à vérifier les tolérances.

La machine effectue une mesure sur un alésage, une paroi, un bossage ou une surface critique et compare le résultat à des limites définies. La production se poursuit tant que la caractéristique reste conforme. Si la mesure se situe en dehors de la plage autorisée, la machine applique une réponse prédéfinie.

Selon l'équipement, il peut :

• Briser le cercle vicieux
• Marquer la pièce pour qu'elle soit inspectée
• Retirer la palette de la chaîne de production
• Charger une autre tâche
• Marquer un outil comme indisponible
• Appeler un outil associé
• Prévenir un opérateur

Imaginons un cycle d'usinage sans surveillance portant sur 200 pièces. Si une caractéristique de la cinquième pièce sort des tolérances, l'arrêt à ce stade permet de préserver les 195 ébauches restantes ainsi que les heures d'usinage qui leur sont associées.

Laisser le lot entier passer en production engendre un problème bien plus grave. Chaque pièce doit être inspectée, la pièce défectueuse peut nécessiter une retouche, et certains composants ont peut-être déjà subi des opérations supplémentaires. Dans de nombreux cas, la pièce ne peut absolument pas être récupérée.

Compensation automatique de l'usure

Le palpage peut également servir à mettre à jour automatiquement les corrections d'usure des outils.

Un processus en boucle fermée typique pourrait :

1. Usiner la pièce
2. Nettoyez la surface de mesure
3. Explorer la fonctionnalité
4. Calculer l'écart par rapport à la valeur nominale
5. Appliquer une légère correction d'usure
6. Continuer jusqu’à ce que l’outil atteigne une limite d’usure définie
7. Arrêter ou passer à un outil similaire

Cela permet de maintenir une caractéristique proche de la valeur nominale tout au long d'un long cycle de production.

Cet avantage est particulièrement évident dans le cas des matériaux qui usent rapidement les arêtes de coupe, notamment le titane, l'acier inoxydable duplex et l'aluminium à haute teneur en silicium. Un outil peut rester apte à la coupe pendant la fabrication de nombreuses pièces, même si sa taille varie de plusieurs microns. La compensation automatique permet d'exploiter davantage la durée de vie utile de l'outil sans que le processus ne s'écarte des tolérances.

La logique de correction doit obéir à des limites strictes. La machine ne doit effectuer que des ajustements mineurs et plausibles, dans une plage d'usure totale définie. Un résultat important ou incohérent doit déclencher un arrêt plutôt qu'une modification automatique de la correction.

Nettoyer avant de mesurer

Une sonde ne peut mesurer que la surface qu’elle touche.

Les copeaux, les bavures et le liquide de refroidissement peuvent fausser les mesures. Cela est d'autant plus important lorsque la mesure sert à mettre à jour un décalage d'outil.

Le nettoyage doit donc précéder le cycle de palpage. Il est possible d'utiliser l'air injecté par la broche, le liquide de refroidissement, un outil de nettoyage ou des mesures répétées pour nettoyer la pièce avant que le résultat ne soit validé.

Cela ne permettra pas d'éliminer toutes les sources de contamination possibles, mais cela améliore considérablement la cohérence des mesures.

Le sondage facilite le processus d'inspection

Le contrôle par machine fournit des informations sur le processus. L'inspection formelle conserve toutefois son rôle.

La caractéristique est mesurée par la même machine qui l'a produite, à l'aide du même système cinématique et thermique. Le résultat dépend de l'état et de l'étalonnage de la machine, de la sonde et du stylet.

Les contrôles de première réception, les mesures par machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) et les exigences de qualité spécifiques au client restent d’application. Le contrôle par sondage en cours de fabrication permet un suivi continu entre ces étapes de contrôle et alerte plus tôt l’équipe de production lorsque le processus commence à présenter des écarts.

3. Définir des points de référence et mesurer des éléments complexes

Le réglage de la compensation de position est l'utilisation la plus courante d'un palpeur de broche, mais son intérêt ne se limite pas à un gain de quelques minutes par rapport à l'utilisation d'un comparateur à cadran.

La palpage permet de définir le système de coordonnées à partir des caractéristiques de référence réelles de la pièce.

Définir à partir du composant

Une pièce peut être chargée dans une position approximativement alignée et mesurée sur place.

Deux points de contact le long d'une arête permettent de définir l'alignement angulaire. Un alésage, un bossage, un plan ou un angle permet de déterminer les coordonnées de référence restantes.

Cette fonctionnalité s'avère utile lors de l'utilisation de systèmes de serrage modulaires. Un programmeur peut ainsi utiliser une plaque matricielle, des pinces et des goujons existants au lieu de concevoir et d'usiner un dispositif de serrage dédié. L'opérateur positionne la pièce dans une plage acceptable, et la routine de palpage calcule sa position précise.

Cela permet de réduire le temps consacré à :

• Conception de luminaires
• Recherche de matériel de fixation
• Programmation et usinage des dispositifs de serrage
• Réglage manuel des pièces d'horlogerie
• Alignement des composants par enfoncement
• Ajuster les réglages pour compenser les légères variations de charge

Cela simplifie également le travail à effectuer sur la machine. L'opérateur peut charger la pièce et définir un point de référence de départ standard, tandis que le programme se charge de l'alignement de précision.

Se prémunir contre les erreurs liées à l'état de contrôle

Les machines à cinq axes ont souvent recours à des rotations et à des translations de coordonnées pour gérer différentes orientations d'usinage.

Si l'une de ces transformations reste active pendant qu'un opérateur réinitialise le décalage de travail, le nouveau point de référence peut subir un décalage important. Une translation de 200 mm en arrière-plan peut entraîner une erreur de 200 mm lors du réglage suivant.

Le programme pourrait alors tenter d'usiner bien en dessous du sommet réel de la billette.

Une opération de palpage précoce de l'axe Z permet de vérifier directement ce type d'erreur. La machine compare la position attendue sur la surface à la position réelle avant d'engager l'outil de coupe.

Mesurer des caractéristiques difficiles à contrôler manuellement

Certaines figures géométriques sont difficiles, voire impossibles, à mesurer de manière fiable à l'aide d'outils manuels classiques.

Prenons l'exemple d'une forme cylindrique partielle constituée de deux arcs courts situés l'un en face de l'autre. Il se peut qu'il n'y ait pas suffisamment de surface continue pour qu'un micromètre d'alésage puisse établir un contact stable en trois points. Une mesure linéaire en deux points permet de déterminer une distance, mais elle ne permet pas de définir avec précision le diamètre ou le centre de la forme.

Une sonde à broche permet de relever plusieurs points le long des arcs disponibles. Le logiciel de commande ou de mesure peut ensuite calculer le centre et le rayon les mieux adaptés, en utilisant une approche similaire à celle d'une stratégie d'inspection par machine à mesurer tridimensionnelle (MMT).

La machine est déjà équipée d'un système de mouvement répétable autour de la pièce. Le palpage permet d'utiliser ce système non seulement pour l'usinage, mais aussi pour le réglage et la mesure en cours de processus.

4. Vérifier la cinématique à cinq axes

Sur une machine à cinq axes, le palpage joue également un rôle important dans le maintien de la relation entre les axes linéaires et rotatifs.

Les positions du centre de rotation et les paramètres cinématiques peuvent varier sous l'effet de la température, de l'usure liée à l'utilisation, des collisions et du fonctionnement normal de la machine. Si ces variations ne sont pas détectées, la machine peut produire des surfaces individuelles précises qui ne s'alignent pas correctement lorsqu'elles sont usinées à partir d'orientations différentes.

Les symptômes courants sont les suivants :

• Pas entre les faces indexées
• Différences de position après un mouvement de rotation
• Éléments qui s'alignent dans un sens, mais pas dans l'autre
• Pièces qui semblent conformes lors du contrôle mais qui ne satisfont pas à l'inspection externe

Les systèmes de contrôle modernes peuvent utiliser un palpeur de broche et un étalon calibré pour vérifier et mettre à jour l'état cinématique de la machine. Le processus manuel équivalent consiste à monter un bloc de référence, à repérer plusieurs surfaces, à calculer les erreurs et à saisir les corrections à la main.

Les cycles automatisés rendent le contrôle plus rapide, plus reproductible et plus facile à effectuer régulièrement.

Dans le cadre d'une opération à cinq axes, le palpeur de broche fait partie de l'équipement nécessaire pour garantir la fiabilité des transformations de coordonnées de la machine.

Les aspects économiques de la prospection

Une routine de contrôle exhaustive allonge la durée du cycle. Sur une ligne de production stable et à haut volume, dotée d’un système de serrage dédié, ce temps doit être réévalué et optimisé.

Le calcul est différent dans un environnement caractérisé par une grande diversité de produits.

Une machine peut exécuter des dizaines de tâches sans rapport les unes avec les autres au cours d'une même équipe, chacune avec une ébauche, un dispositif de fixation, une colonne montante et une structure de référence différentes. Chaque réglage constitue une nouvelle source potentielle d'erreur.

Quelques minutes de recherche peuvent permettre de protéger :

• Un corps de fraise valant plusieurs centaines de livres
• Un jeu complet d'inserts
• Une billette de grande valeur
• Heures d'usinage déjà consacrées à cette pièce
• Une broche coûtant plusieurs dizaines de milliers de livres
• Capacité de production d'une machine valant plusieurs centaines de milliers
• Chaque tâche en attente à cause d'une machine en panne

La facture de réparation ne représente qu'une partie du coût. Les temps d'arrêt des machines ont des répercussions sur les délais de livraison, les engagements pris envers les clients et le taux d'utilisation de l'ensemble de l'usine.

En d'autres termes, plus on se rapproche du sommet de la machine, plus il devient coûteux de la casser.

Un stylet coûte moins cher qu'un corps de sonde. Un corps de sonde coûte moins cher qu'une broche. Une bonne conception de processus permet de détecter les erreurs au niveau le moins coûteux possible.

Relier le processus numérique à la machine

CAM, la simulation et la vérification du code G permettent de créer un modèle très précis du processus d'usinage prévu. Les contrôles de gestion des outils permettent de vérifier que la fraise attendue est bien présente et que sa longueur mesurée correspond à celle indiquée dans le programme.

La seule incertitude qui subsiste concerne la configuration physique.

La machine doit encore vérifier que :

• La billette appropriée a été chargée
• Le titre se situe au niveau prévu.
• Le serrage de la pièce est correct
• Le système de coordonnées actif correspond à la pièce
• Les caractéristiques critiques restent dans les limites de tolérance
• La machine elle-même reste correctement étalonnée

Le palpage de la broche permet d'effectuer ces contrôles.

Utilisé de manière systématique, il devient un élément central de l'assurance qualité des processus. Il permet d'éviter les pannes évitables, facilite la production en autonomie, réduit les rebuts et donne aux fabricants une plus grande certitude quant à la conformité du processus d'usinage réel avec celui qui a été validé.

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