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NOTIONS DE BASES SUR L’ÉBAVURAGE
REVUE DE LITTÉRATURE ET NOTIONS DE BASES SUR L’ÉBAVURAGE
Les méthodes de fabrication apportent leur lot d’imprécision et de variabilité sur les dimensions des pièces fabriquées. Par ailleurs, l’utilisation d’un robot pour une application d’ébavurage automatisé mène à plusieurs problèmes d’erreur de positionnement. Ces deux facteurs combinés conduisent ainsi à une incertitude de fabrication plus importante que le procédé conventionnel. Il s’impose donc de choisir ou de définir des méthodes de calibration du robot pour améliorer sa précision, mais il s’impose aussi de calibrer l’environnement pour connaitre la position et l’orientation de la zone de travail et même de localiser des géométries sur une pièce pour effectuer un travail localisé.
Dans un autre ordre d’idée, il est nécessaire de comprendre les mécanismes de formation des bavures pour différents procédés de fabrication afin de bien orienter la sélection des outils abrasifs pour effectuer l’ébavurage. Dans le cas où les bavures sont sévères, il faudra utiliser des outils rigides capables de faire l’enlèvement de matière. Il peut aussi être intéressant de remonter à la source pour minimiser les bavures et faciliter l’opération d’ébavurage.
Étant donné que l’utilisation d’outils rigides s’avère essentiel et qu’ils nécessitent une précision élevée de positionnement, puis que d’un autre côté les robots ne peuvent pas offrir une précision absolue, il devient primordial d’introduire un contrôle adaptatif pour permettre l’utilisation d’outils rigides avec un robot. Le contrôle de force a le potentiel de pouvoir remplir ce besoin. Dans ce qui suit, une revue littéraire ainsi qu’une présentation générale sur plusieurs éléments touchant l’ébavurage des pièces rotatives et la robotisation de ce procédé seront données.
Sources d’imprécisions
Il y a plusieurs sources de variabilité à considérer outre l’imprécision du robot pour effectuer une tâche d’ébavurage sur une région spécifique d’une pièce. David Joseph Giblin dénote, sans considération de l’équipement utilisé pour faire l’ébavurage, deux sources de variabilité qu’il est impossible de supprimer. Il s’agit des tolérances dimensionnelles et géométriques des pièces imputables aux procédés de fabrication et du positionnement de la pièce dans un montage assemblé.
Imprécisions intrinsèques à la fabrication de la pièce
Étant donné que la précision absolue est impossible, les pièces sont fabriquées selon des intervalles de tolérances dimensionnelles et géométriques qui dépendent des fonctionnalités mécaniques de celle-ci. Ces intervalles de tolérance peuvent être plus ou moins grands dépendamment de la précision requise. Bien entendu, un procédé en contrôle devrait varier uniquement sur une partie de la bande de tolérance se situant entre la limite inférieure de spécification (LIS) et la limite supérieure de spécification (LSS), donc limiter la variation.Cependant, vu le faible volume de production dans le secteur aéronautique, il est peu commun de pouvoir faire un contrôle statistique adéquat des procédés de fabrication. Les populations de pièce sont tellement faibles qu’il est difficile, voire même parfois impossible d’avoir des échantillons représentatifs qui permettent de réagir à des modèles, de cibler la problématique et de corriger la situation pour conserver le procédé en contrôle et limiter les variations dimensionnelles.
Imprécision dues au positionnement de la pièce
Le positionnement d’une pièce dans l’environnement d’une machine se fait par le biais d’un montage assemblé. Or, ce montage n’est pas parfait et pas nécessairement identique d’une fois à l’autre. Dans le cas présent, les pièces ciblées sont rotatives. Les opérations d’ébavurage seront faites avec la pièce en rotation ou sur des géométries répétitives en indexant la pièce. Les pièces seront donc serrées sur un mandrin rotatif. Cependant, l’assemblage de la pièce sur le mandrin ne sera pas parfaitement précis ni répétable. Il peut y avoir des erreurs de perpendicularité et de battement qui se glissent dans le montage de la pièce.
Imprécisions dues à la calibration de l’environnement
Le cas étudié est celui d’une cellule robotisée. Pour un robot, il est important de connaître des positions de références par rapport à son référentiel de base pour pouvoir se déplacer et exécuter des tâches aux bons endroits dans son environnement . L’autre élément important est le référentiel de l’outil du robot. Sa position et son orientation doivent être connues par rapport à la base du robot pour que celui-ci sache quel point du robot doit se rendre à une position et une orientation donnée . Étant donné que les pièces cibles sont rotatives, symétriques et qu’elles possèdent, comme il a été dit précédemment, des sources d’erreurs dimensionnelles et géométriques, il est nécessaire de relocaliser les géométries de la pièce et de définir des points de référence pour la pièce et sa géométrie.Tous ces référentiels doivent être définis par calibration. Les méthodes de calibration choisies doivent considérer le besoin en précision dans un volume donné, la relation entre les différents référentiels d’outil le cas échéant, le besoin en robustesse et répétabilité de la méthode, puis de la non-linéarité des robots qui peuvent mener à des imprécisions.
Erreurs de positionnement et d’orientation des robots
Une multitude de pièces variées et des trajectoires d’ébavurage complexes requiert un outil de programmation hors-ligne. Les logiciels de programmation hors-ligne comporte un environnement de simulation virtuelle en trois dimensions dans lequel on peut construire la cellule robotisée et y insérer les pièces sur lesquelles on désire travailler. Cependant, l’utilisation d’un outil de programmation hors-ligne demande une précision de positionnement accrue du robot par rapport à la pièce.
Selon Kevin L. Conrad, 97% de l’erreur de positionnement d’un robot provient de la différence entre la cinématique du robot connue par le contrôleur et la cinématique réelle. Il rapporte que l’erreur de la position du référentiel d’outil par rapport à la référence de la base provient de la dimension et de l’élasticité des joints, des moteurs, des encodeurs, des méthodes de construction des robots ainsi que des capacités du contrôleur.Conrad indique trois paramètres qui permettent de définir la performance du positionnement d’un robot, soit la répétabilité, la précision et la résolution. La répétabilité est la capacité du robot à retourner à un point depuis un même point de départ tandis que la précision est sa capacité à se déplacer à une position exacte dans un environnement 3D.
Méthodes de calibration et d’inspection
Due aux sources d’imprécision qui causent des erreurs de positionnement et d’orientation du robot, une calibration de celui-ci ainsi que de son environnement devient nécessaire pour effectuer des tâches de précision. Étant donné que 97% de l’erreur en position et en orientation du robot provient d’une cinématique erronée selon Conrad , plusieurs chercheurs ont tenté de développer des méthodes pour définir plus précisément les paramètres de Denavit-Hartenburg (DH) pour corriger la cinématique des robots industriels. Stone a développé une technique qui consiste à positionner le robot au repos (tous les axes à zéro) et de faire tourner un axe à la fois tout en mesurant la position de l’effecteur par un système de mesure externe (un système Optotrack par exemple). L’objectif de cette méthode est de faire une moyenne des points mesurés pour calculer l’équation d’un plan de rotation, de déterminer le centre de rotation, puis de calculer le rayon de rotation. De cette façon, il est possible de calculer les longueurs de joints et de déterminer les paramètres DH propre à chaque robot et calculer leur cinématique avec plus de précision. Par contre, la méthode de calcul de Stone est limitée à des axes non parallèles. Cependant, Abderrahim et Whittaker ont développé une méthode de calcul basée sur celle de Stone qui permet aussi le calcul des paramètres DH entre des axes parallèles, donc la capacité de calculer la cinématique de n’importe quel robot industriel.
Les types de bavure d’usinage et leurs principes de formation
Il y a plusieurs types de bavure qui se forment pour la plupart des procédés. En l’occurrence, Gillespie et Dornfeld dénotent cinq types de bavure pour l’usinage et leur classification est définie en fonction des différents mécanismes de formation. Il s’agit des bavures d’entrée (Entrance burr) et de sortie (Exit burr) de l’outil de la pièce. Il y a aussi les bavures enroulées (Rollover burr) et les bavures déchirées (Tear burr), puis il y a les bavures Poisson (Poisson burr).
Bavure d’entrée (Entrance burr)
Ce type de bavure, comme son nom le dit, se forme lorsque l’outil d’usinage pénètre la pièce. Lors de l’entrée de l’outil, la pièce se déforme et une partie du matériau s’écoule en direction opposée à celle de l’outil. Ce type de bavure ressemble un peu à la crête que crée la déformation d’un test de dureté sur une pièce.
Bavure de sortie (Exit burr)
Les bavures de sortie de pièce sont similaires à celles d’entrée. Cependant, la déformation se crée plutôt dans la direction de l’outil.
Les bavures d’entrée et de sortie se forment surtout sur des matériaux ductiles étant donné qu’elles sont dues à une déformation. Plus le matériau sera ductile, plus la bavure sera grosse.
Ces bavures ne sont pas seulement un bout de matière resté accroché à la pièce, elles font encore partie de la pièce et ont souvent une racine large et peuvent être difficiles à faire disparaître parce qu’il s’agit d’un enlèvement de matière.
Bavure Poisson (Poisson burr)
La bavure Poisson se forme chaque fois que l’arête tranchante de l’outil dépasse le bord de la pièce. Sa formation résulte de l’effort de coupe qui produit une contrainte de compression sur la pièce engendrant un glissement de matière vers l’extérieur de la pièce, donc une bavure Poisson sur l’arête de la pièce. D’après Gillespie , les bavures Poisson sont généralement de petites dimensions et dépendent du matériau et des efforts de coupe qui sont appliqués sur la pièce.
Bavure enroulée (Rollover burr)
Les bavures enroulées se forment à la sortie de l’outil de la pièce. Elles se forment lorsque l’effort pour plier le matériau est moindre que pour le couper ou le cisailler.
Selon Dornfeld, elles peuvent être minimisées en diminuant la profondeur de coupe ou en augmentant l’angle de cisaillement à la sortie, c’est-à-dire en s’assurant que l’arête coupante de l’outil sort avec un angle par rapport à l’arête de la pièce.
Bavure déchirée (Tear burr)
Les bavures déchirées se forment lorsque le matériau ne se cisaillement pas net, mais qu’il se déchire. L’arête formée n’est pas net, mais plutôt irrégulière due aux résidus laissés par le déchirement. Par exemple, les pièces poinçonnées ont toujours des bavures déchirées sur leurs arêtes.
Le type de bavure qui se forme dépend beaucoup de l’opération d’usinage (perçage, fraisage, tournage). Souvent, il se forme plusieurs types de bavure pour une même opération d’usinage
Les différents procédés d’ébavurage
Il existe une grande quantité de procédés d’ébavurage pour différents types d’application.
Gillespie en dénombre 122 qui sont divisés en quatre catégories, soit les mécaniques, les électriques, les chimiques et les thermiques. Un bon nombre d’entre eux sont des procédés d’ébavurage de masse, i.e. pour ébavurer une grande quantité de pièce simultanément. Ces procédés sont aussi souvent associés à des opérations de polissage pour uniformiser le fini de surface ou encore former de très petits rayons. Généralement, ils ne sont pas en mesure de faire disparaitre de grosses bavures et ce n’est souvent pas souhaité lorsque les pièces baignent dans un média abrasif puisque les bavures qui se décrochent d’une pièce risquent d’endommager les autres pièces. La dureté des matériaux des pièces de moteur d’avion fait en sorte que les procédés d’ébavurage de masse ne sont pas appropriés pour l’ébavurage, mais peuvent servir pour le polissage. De plus, les procédés de masse affectent toute la pièce alors que l’ébavurage est souvent localisé.
Les outils rigides
Les abrasifs jouent un rôle de premier plan dans le développement des procédés d’ébavurage.
Bien que des équipements technologiques soient en cause dans l’automatisation de l’ébavurage, ce sont les abrasifs qui sont en contact avec la matière et qui font l’enlèvement de matière. Il est possible de les diviser en deux catégories : les outils rigides qui permettent un enlèvement de matière considérable en peu de temps et les outils flexibles qui permettent un enlèvement de matière plus faible et plus lent ou de faire du polissage. Évidemment, il n’existe pas une frontière clairement définie qui sépare les deux catégories. Certains outils sont à la limite entre les deux et sont difficiles à catégoriser.
Les abrasifs friables
Il existe une grande variété de meules de toutes formes et dimensions qui servent beaucoup en ébavurage. Elles sont constituées de particules abrasives liées par un autre matériau dans le but de leur donner une forme. Les particules ainsi que le matériau liant peuvent varier de bien des façons dépendamment du matériau à ébavurer. Pour faire la sélection, il faut tout d’abord considérer la possibilité de contamination de la pièce par le liant de l’abrasif ou même la formation d’un plaqué indésirable à la surface de la pièce. Parmi les matériaux de liant disponibles, il y a entre autre des résines, des aluminiums vitrifiés et des caoutchoucs de différentes duretés qui offrent une flexibilité variable. En ce qui concerne le grain abrasif, Gillespie identifie trois facteurs qui influencent la dureté et l’agressivité d’une pierre : la grosseur des particules d’abrasif, le type de liant et la méthode utilisée pour manufacturer les particules abrasives. Des matériaux souvent utilisés comme particules abrasives sont des carbures de silicium, des oxydes d’aluminium et même le diamant. Toujours selon Gillespie , trois facteurs influencent l’agressivité des meules abrasives: le liant, le type de grain et la grosseur du grain.
Lors de l’utilisation des meules abrasives, les particules finissent par se détacher ou s’user, puis le liant vient en contact avec la matière et s’use à son tour présentant de nouveaux grains abrasifs neufs. D’après ce principe d’usure, l’outil devrait toujours présenter une surface abrasive quasi-identique, donc toujours offrir la même capacité et la même qualité d’ébavurage.
Les supers abrasifs
Les supers abrasifs ressemblent en apparence aux autres meules abrasives. Cependant, ils ont une durée de vie accrue et une résistance mécanique élevée pour enlever de la matière sur les matériaux les plus durs. La compagnie ABRASIVE TECHNOLOGY a publié un article sur son site web qui explique bien la méthode de fabrication des supers abrasifs P.B.S.® et pourquoi ils sont avantageux par rapport à d’autres abrasifs comme les électro-plaqués.
Le procédé d’électro-plaquage consiste à déposer des couches de métal contenant des particules de diamant sur une matrice d’acier. À l’opposé, le P.B.S.® consiste à braser des particules de diamant sur une matrice d’acier. La liaison mécanique entre la matrice et les particules de diamant est beaucoup plus grande lors du brasage puisque les matériaux sont fusionnés ensemble. De plus, l’exposition du grain est environ deux fois plus grande pour le P.B.S.® puisque la quantité de métal nécessaire pour lier l’abrasif à la matrice est moindre que pour un plaquage . Un facteur important à considérer avec l’utilisation d’abrasif au diamant est qu’il peut se dissoudre dans certains matériaux qui sont demandant en carbone comme l’acier. L’autre élément important est qu’il est aussi disponible des alternatives au diamant comme le CBN (Carbon Boron Nitride ou Nitrure de Boron Cubique) qui ont une dureté inférieure au diamant, mais tout de même très supérieure aux autres matériaux. Par contre, il faut savoir deux choses la première étant que le CBN ne supporte pas la chaleur, donc il ne peut être utilisé à sec et la seconde est que le diamant ne supporte pas les chocs parce qu’il est très fragile. Si ces conditions sont respectées, ces supers abrasifs auront une excellente durée de vie.
Les outils de coupe
Les outils de coupe utilisés pour le fraisage se fabriquent aussi en modèles de très petites dimensions pour des applications plus légères comme l’ébavurage où l’enlèvement de matière est moindre. Il existe plusieurs types de dentures pour les outils de coupe. La coupe fine est plus adaptée pour l’ébavurage étant donné le faible enlèvement de matière. Les dentures fines sont plus faciles à contrôler manuellement justement à cause du fait qu’il y a peu d’enlèvement de matière par dent, donc peu d’effort de coupe. En usinage c’est plutôt le contraire, vu que l’enlèvement de matière est plus grand les fines dentures risquent de bourrer et créer des vibrations. Les dentures
hélicoïdales répartissent aussi mieux les efforts de coupe et sont donc recommandées pour l’ébavurage manuel.
Les outils flexibles
Les outils flexibles sont utilisés pour faire des enlèvements de matière moins importants que les outils rigides. Ils servent souvent aux opérations de finitions et de polissages. Ce type d’outil permet plus ou moins d’imprécision de positionnement pour son utilisation selon s’il est beaucoup ou peu flexible.
Les brosses
Les brosses peuvent servir pour l’ébavurage et le polissage. Elles sont très polyvalentes et disponibles dans de multiples configurations, mais sont généralement d’utilisation axiale ou radiale.
Étant donné la très grande variété des brosses, il est difficile de faire le choix approprié. Il y a beaucoup de variables à considérer dans le choix d’une brosse, soit : le type de la brosse, le matériel des brins, la longueur et le diamètre des brins, le contact de la brosse (un point, une ligne, une surface), si elle est utilisée avec un liquide de refroidissement ou avec une pâte abrasive, la vitesse de rotation de la brosse et son avance linéaire, la grosseur de la bavure à enlever, l’accessibilité de la bavure ainsi que le matériau de la pièce à ébavurer. En plus de toutes ces variables s’ajoutent des configurations différentes des brins, soit tout simplement droites, ou bien enroulées en spirale, maintenus de différentes façons. Ces configurations ont un effet sur la rigidité de la brosse, donc sur le travail qu’elle peut accomplir. Il y a quelques règles générales dans l’utilisation des différents types de brosses selon Gillespie , mais la sélection doit vraiment se faire cas par cas en définissant des besoins détaillés et en conduisant des tests structurés avec quelques produits qui pourraient être utilisable pour l’application spécifique. Gillespie propose un tableau de sélection des brosses fourni par la compagnie Weiler.
L’agressivité des brosses dépend beaucoup du matériau dont elles sont constituées. Il y a des brosses métalliques, d’autres en fibres synthétiques ou naturelles et certaines sont composées d’une matrice de plastique contenant des grains abrasifs. Dans le dernier cas, la grosseur des grains a assurément un effet important sur l’agressivité de la brosse de la même façon qu’il a été discuté dans la section des abrasifs rigides.
D’autre part, la méthode d’utilisation et le taux de pénétration de la brosse a une grande influence sur l’agressivité et la durée de vie de l’abrasif.
Les brosses constituées de filaments en nylon ont une bonne durée de vie, une excellente agressivité et ont beaucoup d’avantages sur les autres matériaux synthétiques. La SME a publié un article de James H. Watts qui explique les facteurs affectant la performance des brosses à mono filament, tout particulièrement les brosses de nylon. La flexibilité des filaments est le facteur le plus important et la température y joue un rôle décisif.
Les mousses
Les mousses, comme les autres abrasifs, sont disponibles dans plusieurs agressivités. Elles servent généralement au polissage, mais peuvent aussi effectuer des tâches légères d’ébavurage. La densité de la mousse est un bon indicateur de son agressivité, plus elle est dense plus elle est agressive. La rapidité d’exécution du travail réalisé par une mousse est aussi fonction de la pénétration de l’outil dans la matière. Par contre, contrairement aux brosses la pénétration se traduit mieux sous forme de pression exercée. La compagnie 3M a développé beaucoup de produits avec la mousse Scotch-BriteTM qui portent le nom commercial de unitized wheel. La littérature de la compagnie propose des méthodes de sélection comportant des facteurs à considérer comme le matériau à travailler, le résultat escompté, la dimension de la pièce et l’accessibilité de la zone à ébavurer ou polir.
Les papiers sablés
Les papiers sablés peuvent aussi être intéressants pour des tâches de finition et de polissage.
Ils sont disponibles dans une multitude de grosseur de grain permettant soit un gros enlèvement de matière et laissant un fini de surface grossier ou un très léger enlèvement de matière et un fini de surface miroir.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUE
1.1 Le contexte aéronautique
1.2 La robotisation d’opérations manuelles d’ébavurage
CHAPITRE 2 OBJECTIFS
2.1 Démonstration de la faisabilité de robotiser l’ébavurage
2.2 Développement de procédés génériques par géométrie
2.3 Développement de procédés robustes et répétables
CHAPITRE 3 REVUE DE LITTÉRATURE ET NOTIONS DE BASES SUR L’ÉBAVURAGE
3.1 Sources d’imprécisions
3.1.1 Imprécisions intrinsèques à la fabrication de la pièce
3.1.2 Imprécision dues au positionnement de la pièce
3.1.3 Imprécisions dues à la calibration de l’environnement
3.1.4 Erreurs de positionnement et d’orientation des robots .
3.2 Méthodes de calibration et d’inspection
3.3 Les types de bavure d’usinage et leurs principes de formation
3.3.1 Bavure d’entrée (Entrance burr)
3.3.2 Bavure de sortie (Exit burr)
3.3.3 Bavure Poisson (Poisson burr)
3.3.4 Bavure enroulée (Rollover burr)
3.3.5 Bavure déchirée (Tear burr)
3.3.6 Cas particuliers du perçage
3.4 Les différents procédés d’ébavurage
3.5 Les outils rigides
3.5.1 Les abrasifs friables
3.5.2 Les supers abrasifs
3.5.3 Les outils de coupe
3.6 Les outils flexibles
3.6.1 Les brosses
3.6.2 Les mousses
3.6.3 Les papiers sablés
3.7 Le contrôle adaptatif en force
CHAPITRE 4 MÉTHODOLOGIE DE DÉVELOPPEMENT
4.1 Familiarisation avec les caractéristiques géométriques des pièces à ébavurer
4.1.1 Études des pièces et des géométries
4.1.2 Études des caractéristiques des géométries
4.1.3 Étude des bavures
4.2 Étude des procédés actuels d’ébavurage
4.3 Définition des besoins technologiques pour la robotisation
4.4 Élaboration des procédés d’ébavurage robotisés
4.5 Développement des technologies ciblées
4.6 Validation des procédés d’ébavurage
CHAPITRE 5 SÉLECTION DES SOLUTIONS ET DÉVELOPPEMENT DES TECHNOLOGIES
5.1 Sélection de la machine d’ébavurage : Robot vs CNC
5.2 Choix de la méthode de localisation des géométries
5.3 Développement de l’utilisation du contrôle de force pour l’ébavurage robotisé
5.3.1 Développement théorique
5.3.2 Développement expérimental
5.3.3 Facteurs influents le contrôle de force et les résultats d’ébavurage
5.3.4 Les limites du contrôle de force
5.3.5 Contrôle logiciel VS outil à compensation pneumatique
CHAPITRE 6 RÉSULTATS DU DÉVELOPPEMENT DES TECHNOLOGIES ET DES PROCÉDÉS D’ÉBAVURAGE
6.1 Résultats de l’utilisation du contrôle de force pour l’ébavurage robotisé
6.2 Résultats des procédés génériques d’ébavurage
6.2.1 Les Trous
6.2.2 Les Chambrages
6.2.3 Les Toits
CONCLUSIONS
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