Une précision submicronique Rectification en coordonnées sur des centres de fraisage 5 axes ultra-précis

Auteur / Rédacteur: Auteur : Klaus Vollrath / Marina Hofstetter

Le nombre d'opérations de finition effectuées par rectification en coordonnées augmente. De ce fait, les centres d'usinage offrant la double fonctionnalité suscitent toujours plus d'intérêt. Une PME allemande, spécialisée dans la construction de machines-outils, a su relever ce défi.

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Rectification en coordonnées d'une matrice de découpe de film métallique sur une rectifieuse Röders.
Rectification en coordonnées d'une matrice de découpe de film métallique sur une rectifieuse Röders.
(Source : Klaus Vollrath)

Dans le domaine de la construction de moules et d'outillages, les exigences en matière de précision et d'état de surface sont de plus en plus sévères. À titre d'exemple, la largeur de fente de certains outillages de découpe ou des moules utilisés pour la fabrication des lentilles de smartphones peut s'approcher du micron. « La rectification à l'aide d'abrasifs agglomérés offre des avantages importants par rapport au fraisage, en ce qui concerne la précision et la qualité de surface obtenues », affirme l'ingénieur diplômé Jürgen Röders, qui dirige la société Röders GmbH à Soltau (Allemagne). Cela est dû au fait que les arêtes des grains abrasifs de la meule sont fraîches, et par conséquent extrêmement tranchantes. C'est pourquoi on a fréquemment recours à la rectification dans le cadre d'usinages de précision, pour éliminer les derniers microns de matière.

Autrefois, cela nécessitait une deuxième machine-outil et il fallait procéder à un changement du serrage fastidieux. Röders décide dès 2001 de démontrer la possibilité d'effectuer des opérations de rectification en coordonnées sur des centres de fraisage UGV, en une seule prise. L'entreprise présente officiellement cette application pour la première fois au salon EMO de Hanovre en 2001. Contrairement aux rectifieuses en coordonnées classiques, où le mouvement circulaire s'effectue au niveau de la broche à tête planétaire, la rotation est réalisée par interpolation des axes linéaires. « C'est la raison pour laquelle la précision de circularité obtenue n'était pas encore tout à fait satisfaisante », indique Jürgen Röders. « Néanmoins, la précision du mouvement circulaire est à son tour limitée sur les machines à broche rotative, en raison de l'imprécision des roulements de la tête de broche. Même sur des machines haut de gamme, on peut difficilement éviter des écarts de circularité de l'ordre de 0,5 µm. »

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Fraisage UGV d'une extrême précision

« Nos centres de fraisage de dernière génération permettent d'égaler ce niveau de performance sans problème, même avec des axes linéaires », indique Oliver Gossel, docteur ingénieur et fondé de pouvoir chez Röders. Selon lui, cela s'explique en premier lieu par la précision intrinsèque de la machine. Il souligne que grâce à la qualité des guidages, à la résolution très élevée des règles de mesures et à une gestion élaborée de la température de tous les composants mécaniques critiques, Röders parvient sans difficulté à des précisions de positionnement inférieures au micron. L'équilibrage sans frottement de l'axe Z et la compensation automatique de la dilatation de la broche viennent compléter ces atouts. De plus, sur les machines 5 axes, Röders mesure et compense, avant la livraison, les écarts sur l'axe de rotation et de pivotement de la table. Quant au dispositif « Racecut », il assure une fréquence d'échantillonnage de 32 kHz sur toutes les boucles d'asservissement, ce qui permet de déceler et compenser les écarts dès leur apparition, optimisant ainsi la précision.

À cela s'ajoutent des fonctionnalités intégrées à la machine pour mesurer les pièces et les outils, notamment un système de détection tridimensionnel du contact avec l'outil de meulage. Des meules diamantées sont mises à disposition pour le dressage des outils de rectification. Cerise sur le gâteau en termes de précision, la broche de travail est dotée d'une commande vectorielle. De cette manière, les outils de meulage une fois dressés sont toujours positionnés selon le même angle, même après plusieurs changements d'outil. Cela évite de façon certaine les défauts d'alignement lors de l'installation d'un nouvel outil.

Pouvoir assurer une extrême précision même en rectification…

« À titre d'exemple, les machines Röders ont clairement démontré leur niveau de précision actuel dans le cadre de la fabrication d'un moule d'injection destiné à produire des lentilles de caméras pour smartphones », indique Jürgen Röders. Cette application est particulièrement exigeante, dans la mesure où il faut fraiser sur une même plaque 24 empreintes avec alésage traversant, avant d'effectuer une opération de rectification de précision. Ce processus est rendu encore plus compliqué par le fait que pour certaines surfaces, la rectification commence seulement à une profondeur de 20 mm, de sorte que l'outil – qui est mince comparativement – doit être utilisé dans des conditions de déflexion très défavorables. Les deux plaques du moule, qui font 60 mm d'épaisseur en tout, sont en acier d'une dureté de 52-54 HRC. Le profil des empreintes est asymétrique. Pour l'alésage cylindrique en-dessous de l'empreinte, le diamètre demandé est de 8 mm, avec une tolérance de – 0 /+ 0,0005 mm. D'autres parties du moule exigent en partie également des tolérances à quatre chiffres derrière la virgule. Or, le fraisage et la rectification de ce moule ont été réalisés sur un centre d'usinage 3 axes Röders RHP 500.

…nécessite le recours à des techniques de mesure du dernier cri

« Pour fabriquer des machines-outils d'une telle précision, il faut naturellement disposer aussi de moyens de mesure précis », explique Oliver Gossel. Pour cela, l'entreprise a fait l'acquisition d'une machine à mesurer tridimensionnelle XENOS de Zeiss. Il n'existe à ce jour qu'une bonne vingtaine d'exemplaires de ce tout nouvel équipement high-tech avec une précision de mesure de 0,3 + L/1.000 µm. La plupart d'entre eux sont installés dans des instituts de recherche de l'industrie aéronautique et aérospatiale ou de l'industrie optique. Pour satisfaire à ce niveau de précision, il ne suffit pas d'acheter l'équipement. Il faut aussi l'installer dans un environnement sans vibrations avec un contrôle précis de la température. Röders a donc investi également dans l'aménagement d'une salle de mesure spécifique, sans fenêtre, que l'entreprise a dotée d'un système de climatisation sophistiqué. La température du flux d'air aux quatre coins de la pièce est contrôlée avec une précision de 0,02 K. La salle de mesure initiale, qui est équipée d'une Zeiss Prismo Ultra et dont la température est déjà stabilisée, tient lieu de sas. Une fois le processus automatique de mesure déclenché, l'opérateur quitte la pièce.

Un logiciel spécial pour faciliter la programmation

« La rectification et le fraisage sont deux technologies radicalement différentes ; la rectification nécessite un ensemble de paramètres nettement plus complet », confie Jürgen Röders. C'est pourquoi il n'est pas toujours simple de faire comprendre le fraisage aux rectifieurs et la rectification aux fraiseurs. De plus, tous les logiciels de FAO ne fournissent pas des programmes CN clé en main pour la rectification en coordonnées ; ils seraient d'ailleurs souvent totalement inutiles. Pour faciliter la tâche à ses clients, Röders a simplifié considérablement la programmation de la rectification en coordonnées. La consigne que l'entreprise avait donnée à ses informaticiens lors du développement de cette programmation était de permettre au client de travailler de la manière la plus rationnelle possible. Ainsi l'utilisateur a la possibilité de télécharger une banque de données avec des ensembles de paramètres prédéfinis. D'une part cela accélère la programmation et d'autre part cela réduit le risque d'erreur de saisie. Il peut également élargir la banque de données disponible avec des valeurs qu'il a lui-même produites. À noter que Röders est tout à fait prêt à assister ses clients dans ce domaine aussi, fort de l'expérience que son équipe a acquise en mettant au point cette technologie. Grâce à la commande RMS6 développée en interne sur environnement Windows et facile à utiliser, l'initiation des clients aux deux technologies s'effectue aisément, l'approche des deux domaines d'application étant la même.

Optimisation de la productivité, en fraisage comme en rectification

« L'un des atouts essentiels de la technologie Röders est que nos machines ont été conçues dès le départ pour satisfaire aux contraintes élevées du fraisage UGV », affirme Oliver Gossel. Dans les applications de rectification pure, l'enlèvement de matière est plus restreint ; les contraintes ne sont donc pas aussi importantes que pour dégrossir de l'acier destiné à des moules par exemple. En pratique, cette rigidité nettement supérieure des machines permet d'atteindre des volumes d'enlèvement de matière plus importants car les outils de rectification peuvent être employés de manière optimale. « Souvent nos clients sont surpris de pouvoir, avec la même machine, dégrossir, puis, dans la foulée, rectifier au micron près », conclut Jürgen Röders. « C'est possible car les efforts d'usinage n'ont aucune incidence sur la géométrie de la machine et n'entraînent pas d'usure. De cette façon, on obtient une précision extraordinairement élevée sur la durée. » MSM

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