La machine de rodage industrielle

Une rodeuse, comme une machine-outil conventionnelle, a une architecture en 3 parties : - l’espace de motorisation recouvre les zones avec les moteurs et la mécanique des

actionneurs. Cette zone est souvent carénée et seulement accessible à la maintenance ; - l’espace de travail caractérise l’environnement dans lequel l’outil travaille. Il comporte

la pièce et tous les éléments liés à sa manipulation. Il doit également assurer la récupération des « déchets » du processus, à savoir le lubrifiant de coupe ;

- le poste de commande permet d’observer l’espace de travail en étant protégé des projections.

De par leur principe de fonctionnement, les machines de rodage impliquent toutes une installation de machinerie accessoire assez encombrante. Il faut aussi une centrale de filtration du liquide de coupe et un groupe hydraulique de puissance pour actionner certains vérins.

1.3.2.1. Description générale des moyens de rodage

En rodage, comme en perçage, seuls 2 axes sont sollicités pour animer le mouvement de l’outil : rotation et translation axiale. Comme pour toute machine-outil, l’axe de rotation de l’outil est désigné comme axe Z [16]. Sur la plupart des machines, la pièce est fixe et l’outil effectue le mouvement. Dans ce cas, l’ensemble appelé « broche de rodage » assure ces 2 fonctions de mouvement et l’expansion. Le ou les troisièmes axes d’expansion viennent se greffer sur l’axe de l’outil. En plus de réaliser la rotation, la broche permet la translation de l’outil suivant l’axe Z, pour faire rentrer le rodoir dans l’alésage et pour donner le mouvement de battement.

En général, les machines de rodage pour les fûts de carter cylindre moteur ont une structure verticale. L’espace de motorisation se retrouve au-dessus de l’espace de travail entrainant un encombrement vertical important.

Le mouvement du chariot portant la broche suivant l’axe Y permet d’aligner la broche sur les différents cylindres du carter. Cet axe permet de réaliser les cylindres, les uns après les autres, de manière automatique sur la rodeuse Nagel (en photo figure 16).

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Figure 16 : Photo de la machine Nagel MS-U4 installée au centre Arts&Métiers de Chalons.

1.3.2.2. Attachement de l’outil

L’outil rodoir est raccordé à la broche via une rallonge. Cette rallonge est articulée par l’intermédiaire d’un ou deux cardans pour permettre l’autoalignement de l’outil dans l’alésage. Il existe plusieurs types de rallonge de rodoir présentés figure 17. Les systèmes d’autoalignement permettent de réaliser le rodage de manière indépendante de l’opération précédente (l’alésage), car l’outil se centre naturellement.

Les rallonges à double rotule sont les plus couramment utilisées. Le double cardan laisse au rodoir deux réels degrés de liberté sans autres contraintes. Dans ce cas, l’opération de rodage n’influence pas la qualité du positionnement ni la direction du cylindre.

En revanche un cardan rigide nécessite une grande précision de repositionnement entre l’outil d’alésage et de rodage. Dans ce cas les deux opérations sont réalisées successivement dans la même machine, sans changer le posage de la pièce. Ce principe existe dans certaines « machine- transfert ».

Figure 17 : Différents types de rallonge pour rodoir.

On trouve cependant quelques exceptions aux machines de rodage vertical. Il existe des rodeuses de chemise de carter moteur dont l’axe d’outil est horizontal. Sur ces machines, il est impossible de monter l’outil sur une rallonge permettant l’auto alignement du rodoir dans l’alésage. Le rodoir est donc monté de manière rigide dans l’emmanchement de la broche. Dans ce cas, le rodage est réalisé sur le même posage de pièce que pour l’alésage.

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1.3.2.3. Les principaux mouvements (translation rotation)

Le mouvement de translation axial a jusqu’à présent été réalisé par un ou plusieurs vérins hydrauliques pilotés par un distributeur proportionnel assurant une vitesse quasi constante. Ce système a l’intérêt d’être très robuste. Les masses en mouvement et les efforts de coupe n’empêchent pas le système de suivre sa trajectoire. On voit maintenant apparaitre des mécanismes de vis à bille et des moteurs linéaires sur les machines les plus modernes.

La figure 18 schématise le choix des points d’inversion du mouvement de battement en fonction de la hauteur de la chemise Hf et de la hauteur des pierres abrasives Hr. Le taux maximal de

sortie du rodoir est d’environ un tiers de la hauteur des pierres.

La course de battement pour un moteur standard est comprise en 130 et 190mm. Les vitesses de battement généralement observées sont de l’ordre de 15 à 25m/min. La période de battement est proche de 1 seconde. Ce rythme rapide nécessite beaucoup d’énergie. Le mouvement de battement est la plus importante source de consommation énergétique de la machine de rodage.

Figure 18 : Mise en place des paramètres de la course de battement avec les points d’inversion.

La rotation de l’outil est transmise par cannelure et chaine depuis un motoréducteur monté en parallèle à l’axe de la broche. Le moteur asynchrone de la rotation de broche est piloté pour avoir une vitesse de rotation constante.

1.3.2.4. L’axe d’expansion

Le système d’expansion est la particularité propre aux broches de rodage. L’actionnement de l’expansion du rodoir se traduit par le déplacement d’un « poignard » qui vient pousser la came du rodoir pour écarter les porte-pierres. Il existe deux systèmes d’actionneur pour réaliser ce mouvement du poignard : les systèmes hydrauliques et les systèmes électromécaniques, comme représenté en figure 19.

- Les systèmes d’expansion hydrauliques équipent les machines de rodage depuis leur origine. L’actionneur est un vérin hydraulique. Il est embarqué dans la broche directement dans l’axe de l’outil. La tige de vérin actionne directement le poignard. L’effort de coupe est donc donné par la pression hydraulique d’alimentation du vérin. - Les systèmes d’expansion électromécaniques sont apparus avec les commandes

numériques. Le système de base n’a pas pu être breveté, car il est simplement composé d’un moteur électrique monté sur un réducteur et une vis à bille à pas fin permettant de transformer la rotation en translation. En revanche certaines techniques de détection de mise en contact rapide des pierres ont été brevetées [17]. Le rapport de réduction doit

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être important pour réaliser de très faibles déplacements du poignard avec une force importante. La mise en œuvre mécanique est plus délicate que le vérin, mais le système s’intègre à la broche. Les systèmes d’expansion électromécaniques sont pilotés en position. La consigne de position est souvent exprimée en µm et correspond en absolu à un diamètre ou en relatif à une avance des supports de pierres abrasives. Pour une commande en vitesse, le système exécute des incréments de position à intervalles réguliers.

(a) (b)

Figure 19 : Schéma du dispositif d’expansion (a) électromécanique, (b) hydraulique.

La figure 20 représente la solution technique retenue par Gehring pour actionner des rodoir à double expansion, avec une expansion électromécanique et une expansion hydraulique.

Figure 20 : Schéma du dispositif (a) d’expansion électromécanique et (b) à double expansion.

Il est important de noter que l’utilisation de systèmes d’expansion hydrauliques permet de contrôler l’effort d’expansion alors que les systèmes d’expansion électromécaniques permettent de contrôler la position des supports de pierre. Le diamètre observé de l’avance de l’expansion n’est pas forcement identique au diamètre de travail réel de l’abrasif, car l’usure de l’abrasif n’est pas prise en compte. En revanche, la mesure in-process présentée dans le paragraphe suivant, donne une mesure réelle du diamètre du fut. L’ordinateur de la commande numérique peut alors calculer l’usure de l’abrasif en comparant l’évolution du diamètre réel et l’avance des supports de pierre.

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1.3.2.5. Le système de mesure in-process

Le système de mesure in-process est une spécificité du rodage. Comme son l’indique la mesure du diamètre du fût est réalisée en temps réel au cours de l’opération Le principe de fonctionnement décrit en figure 21 repose sur la technologie de mesure par fuite d’air. Ici, le tampon de mesure est le rodoir. Il est équipé de deux buses de soufflage calibrées et diamétralement opposées. Le débit d’air fuyant par une buse augmente quand la paroi opposée s’éloigne. La pression pneumatique d’alimentation des buses est proportionnelle au diamètre local du fût. Ce procédé de mesure précis à l’intérêt de ne pas être trop perturbé par l’environnement de travail du rodage.

La mesure in-process doit être étalonnée régulièrement, car en général c’est l’obtention du diamètre cible par la mesure qui déclenche la fin du cycle de rodage. L’étalonnage est réalisé en plaçant le rodoir dans une bague étalon de diamètre connu et en effectuant une remise à zéro du convertisseur de pression.

Figure 21 : Principe du système de mesure in-process du Diamètre par soufflage.

Au cours du cycle, le rodoir est animé d’un mouvement de rotation et de battement, donc le diamètre mesuré par les buses de soufflage se déplace dans le fût. L’ordinateur de la commande numérique échantillonne cette mesure en fonction de la position verticale des buses dans le fût. Il mémorise ainsi trois diamètres correspondant à trois altitudes (A, B, C) dans le cylindre. La comparaison de ces trois diamètres permet d’estimer la cylindricité du fût en cours de rodage. Il est possible de programmer la machine pour diminuer les écarts entre les trois diamètres. Le programme déclenche alors des cycles spécifiques permettant de corriger le défaut de forme calculé au début de l’opération. Ce mode de fonctionnement est dit « macro-forme », il équipe de manière optionnelle les machines Gehring et Nagel.

1.3.2.6. Commande numérique

La commande numérique d’une machine de rodage se différentie des commandes classiques de machine-outil, car la scrutation de la mesure in-process et les modifications de paramétrage à la volée nécessitent un processeur très rapide.

A la différence d’une programmation de MOCN (machine-outil à commande numérique), le régleur ne programme pas une trajectoire, il paramètre un cycle prédéterminé par le constructeur de la machine.

Les variables d’entrée du rodage peuvent être représentées sous forme d’un système de paramètres machine et de variables process, comme l’illustre Fritz Klocke [18] dans la figure 22.

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Les opérations de rodage ne durent jamais plus d’une minute, pourtant le réglage d’un cycle de rodage repose sur presque trois cents paramètres. Actuellement, les machines nécessitent de très longues mises au point. Seuls, les experts en rodage arrivent à mettre au point ce procédé grâce à leurs connaissances empiriques.

Les algorithmes régissant le déroulement du cycle seront présentés dans la partie simulation du rodage.

Figure 22 : Variables d’entrée et résultats du rodage [18].