Projet de commande num´erique ouverte

Le polissage automatique sur MOCN

1 Introduction

L’arriv´ee de l’usinage grande vitesse (UGV) a profond´ement boulevers´e l’industrie de l’ou- tillage et en particulier la fabrication des moules d’injection plastique et des matrices d’em- boutissage. Cette technologie a permis de diminuer les temps de production en se substituant `a l’´electro´erosion lorsque la g´eom´etrie des moules le permet. Coupl´e au fraisage 5 axes, on obtient une nette am´elioration de la productivit´e. Cependant, ces progr`es n’ont pas permis de supprimer les op´erations coˆuteuses de polissage manuel. L’op´eration de polissage est traditionnellement une op´eration manuelle, effectu´ee par des ouvriers sp´ecialis´es dans des entreprises sous trai- tantes. Il s’en suit des coˆuts additionnels pour l’entreprise et des temps de r´ealisation beaucoup plus longs. Afin d’optimiser et d’automatiser le proc´ed´e, les industriels sont tr`es int´eress´es par l’utilisation pour l’op´eration de polissage des moyens de fabrication disponibles dans l’entre- prise pour d’autres op´erations, en particulier les fraiseuses 5 axes qui permettent le fraisage des pi`eces concern´ees. De ce fait, l’entreprise maintient des taux de charge ´elev´es pour p´erenniser des investissements lourds dans des machines outils de ce type. Il est important de souligner que le polissage robotis´e est une application industrielle d´ej`a ´eprouv´ee mais qui s’appuie sur l’uti- lisation de robots anthropomorphes sur lesquels est mont´ee une broche de polissage asservie en effort. L’originalit´e de l’approche que nous proposons est de conserver le moyen de fabrica- tion utilis´e dans les phases pr´ec´edentes sans ajouts de mat´eriels sophistiqu´es pour minimiser les coˆuts et augmenter la productivit´e.

2 Etat de l’art

Classiquement le processus de fabrication d’un moule aux caract´eristiques poli miroir s’ap- puie sur des op´erations d’usinage puis de polissage manuel. Le polissage manuel est effectu´e aves des outillages pneumatiques poss´edant des limiteurs d’efforts de fac¸on `a ne pas d´egrader la forme de la pi`ece. Les trajectoires des outils sont multidirectionnelles afin de ne pas lais- ser de motifs particuliers. Finalement, la qualit´e de la surface est valid´ee visuellement ou par r´ealisation d’une pi`ece dans le cas d’un outillage. Industriellement, le polissage automatis´e peut ˆetre r´ealis´e par des robots anthropomorphes [Marquez et al. 2005], [Ngan and Tam 2004], [Wu et al. 2007]. Ces robots pr´esentent l’avantage de pouvoir acc´eder facilement `a chaque sur- face de la pi`ece compte tenu de leur mobilit´e et de pouvoir recevoir des moteurs pneuma- tiques ´equip´es de syst`emes d’asservissement de la position en effort. Des ´etudes ont aussi ´et´e men´ees sur des centres de fraisage avec des ´equipements sp´ecifiques pour contrˆoler l’effort de polissage [Lin and Wu 2002], [Huissoon et al. 2002]. En effet, il est ´etabli que le taux d’abra- sion augmente quand l’effort de polissage augmente [Mizugaki and Sakamoto 1990], [Preston 1927], ce qui permet de supprimer les marques et les crˆetes laiss´ees par les op´erations de frai- sage ou de polissage pr´ec´edentes. Cependant, cet effort doit ˆetre maˆıtris´e afin d’´eviter de cr´eer des ´ecarts g´eom´etriques de forme ou d’ondulation. C’est pour cela que des syst`emes de ges- tion dynamique des efforts de polissage ont ´et´e d´evelopp´es [Mizugaki and Sakamoto 1992], [Nagata et al. 2007]. Pour notre part, nous nous orientons vers l’utilisation d’outils passifs. Ce- pendant des ´etudes doivent ˆetre men´ees pour la d´efinition des outils permettant le polissage de surfaces en fonds de poches profondes, de rayons de coins ou de parois verticales. Il est n´ecessaire de d´eterminer la g´eom´etrie et les mat´eriaux qui permettrons de polir ces surfaces sans d´egrader les ´ecarts de forme. Les trajectoires de polissage doivent ˆetre multidirectionnelles pour diminuer les erreurs d’ondulation [Ngan and Tam 2004]. Le polissage multidirectionnel est ainsi proche de ce qui est fait manuellement. Une observation des polisseurs a permis d’iden- tifier des motifs qui s’apparentent `a des trocho¨ıdes. L’ex´ecution de trajectoires trocho¨ıdales 5 axes sur une machine outil n’est pas sans poser de probl`emes car elles sollicitent ´enorm´ement les axes de translation tout comme les axes de rotations [Rauch and Hascoet 2007]. Il est alors difficile d’atteindre la vitesse d’avance programm´ee et des ralentissements voire des arrˆets de la

machine peuvent survenir, ce qui est pr´ejudiciable pour la qualit´e de la surface polie. De plus, la transformation cin´ematique inverse n´ecessaire `a l’ex´ecution de la trajectoire sur la machine peut introduire des mouvements particuliers qui g´en`erent des collisions entre l’outil et la pi`ece [Tournier et al. 2006]. Dans ce cas, l’outil de polissage utilis´e doit ˆetre suffisamment flexible pour ´eviter de marquer la pi`ece. Certains auteurs ont ´egalement ´etabli des plans d’exp´eriences [Huissoon et al. 2002], [Tsai and Huang 2006] afin d’´evaluer l’efficacit´e du polissage en fonc- tion de l’effort de polissage mais ´egalement de la fr´equence de rotation de l’outil, de la vitesse d’avance ainsi que de la taille du grain utilis´e. Le proc´ed´e de polissage en lui mˆeme est donc bien connu. Cependant, le choix des trajectoires de polissage, des abrasifs utilis´es, et l’enchaˆınement des op´erations de fraisage et de polissage n’est pas d´efini. Il faut trouver le point de fonction- nement qui permettra de choisir les param`etres de fraisage et de polissage qui minimisent le temps d’obtention des pi`eces pour la qualit´e requise, dans les divers mat´eriaux rencontr´es. Les crit`eres pour ´evaluer l’efficacit´e du polissage sont les param`etres de rugosit´e mais seul le pa- ram`etre de rugosit´e arithm´etique Ra (crit`ere 2D) est utilis´e dans l’industrie. Cela pose deux probl`emes distincts. Le premier probl`eme est le passage aux param`etres de rugosit´e 3D, is- sues des normes ISO 25178. Il est n´ecessaire d’identifier les param`etres de rugosit´e 3D qui caract´erisent un ´etat de surface poli miroir. Cela permettra de sp´ecifier correctement le besoin associ´e `a la fonction de la pi`ece `a fabriquer et de pouvoir contrˆoler ces sp´ecifications lors des op´erations de m´etrologie. Les r´esultats pr´eliminaires sur des formes complexes [Hilerio et al.

2004] montrent que certains param`etres sont pertinents mais il existe bien d’autres param`etres dans la norme. Le second probl`eme r´eside dans la mesure des param`etres d’´etats de surface sur des surfaces polies. En effet, la profondeur des rayures de polissage ´etant de l’ordre du na- nom`etre, seuls certains appareils de m´etrologie dimensionnelle bas´es sur l’interf´erom´etrie sont susceptibles atteindre une telle pr´ecision avant d’utiliser des microscope `a balayage ou `a force atomique [Chiffre et al. 1996]. Se posent alors des probl`emes comme celui du temps de mesure, durant lequel les conditions de mesure peuvent varier (temp´erature, hygrom´etrie). De plus les r´esultats de mesures sont souvent issus d’un filtrage des donn´ees brutes selon des algorithmes non accessibles par l’utilisateur.

3 Premiers r´esultas

Mes travaux ont donc pour objectif l’optimisation et l’industrialisation du polissage auto- matique des pi`eces comme les moules d’injection et les matrices d’emboutissage ou encore des proth`eses m´edicales. Ces pi`eces sont g´en´eralement obtenues par fraisage mais la qualit´e g´eom´etrique requise par les applications concern´ees n´ecessite l’obtention de tr`es bons ´etats de surfaces que seuls les proc´ed´es d’abrasions comme le polissage permettent d’atteindre. Par exemple, l’obtention de pi`eces transparentes en polym`ere de type polycarbonate pour fabriquer des verres solaires n´ecessite l’obtention d’un moule avec un ´etat de surface dit«poli miroir». Cette propri´et´e de l’acier est atteinte lorsque les ´ecarts g´eom´etriques de la surface sont faibles, inf´erieurs `a 10 nm (figure 4.1).