Rugosité de surface est un indicateur technique important qui reflète l'erreur micro-géométrique de la surface de la pièce d'usinage et constitue la base principale pour inspecter la qualité de surface des pièces d'usinage ; qu'elle soit raisonnable ou non, elle est directement liée à la qualité, à la durée de vie et au coût de production des pièces d'usinage. La rugosité de surface fait référence aux micro-irrégularités finement espacées sur la texture de surface, qui est composée de trois éléments: rugosité, ondulation et forme.
Le service d'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) permet de garder le contrôle sur les tolérances des pièces. Plus les normes de précision de l'industrie manufacturière sont élevées, plus la valeur de tolérance est faible. En revanche, plus la tolérance est élevée, plus la précision requise est large et faible. Lorsque des valeurs de rugosité de surface particulières sont requises, les méthodes de post-traitement sont rarement utilisées. En effet, ces processus sont difficiles à gérer et peuvent influencer la tolérance dimensionnelle des pièces.
Mais comment la rugosité de surface et le niveau de tolérance sont-ils corrélés dans l'usinage CNC ? Pour le savoir, continuez à lire pour explorer cette relation. Avant de continuer, il est important de connaître les méthodes de mesure de la rugosité de surface.
Méthodes de détermination de la rugosité
Il existe une grande variété d’équipements disponibles pour la mesure de rugosité. Mais voici deux grandes techniques pour déterminer la rugosité.
- Type de contact
- Type sans contact
Passons à une analyse approfondie de ces techniques. Forme d'analyse par contact dans laquelle un composant du dispositif de mesure entre réellement en contact avec la surface à mesurer pendant l'expérience. Mais, dans les mesures par contact, une pointe de stylet pointue peut endommager la surface, en particulier les surfaces molles. Les charges normales doivent être suffisamment faibles pour ces mesures afin que les contraintes de contact ne dépassent pas la dureté de la surface à tester. Les instruments à stylet à contact avec amplification électronique sont les plus populaires aujourd'hui. L'Organisation internationale de normalisation (ISO) recommande que la technique du stylet soit couramment utilisée à des fins de référence.
Un profileur optique sans contact basé sur le principe de l'interférométrie optique à deux faisceaux inventé en 1983 et est désormais couramment utilisé pour mesurer des surfaces lisses dans les secteurs de l'électronique et de l'optique. Un microscope à force atomique, qui est essentiellement un nano-profileur fonctionnant à des charges ultra-faibles, a été créé en 1985. La rugosité de la surface peut être mesurée avec une résolution latérale variant des échelles microscopiques aux échelles atomiques.
Cet équipement est souvent utilisé en recherche pour quantifier la rugosité à très haute résolution latérale, en particulier la rugosité à l'échelle nanométrique. Il existe un certain nombre d'autres procédures démontrées en laboratoire mais jamais déployées commercialement, ou qui ont été utilisées dans des applications spécialisées. Sur la base du principe physique impliqué, nous allons classer les différentes techniques en six catégories:
Stylet mécanique, optique, microscopie à sonde à balayage (SPM), approches de microscopie fluide, électrique et électronique.
Alors, comment fonctionnent exactement tous ces processus pour la mesure de la rugosité des surfaces ? Discutons-en en détail.
Méthode du stylet mécanique
Cette technique enregistre et amplifie le mouvement vertical du stylet sur la surface à mesurer à vitesse constante. Une tête de mesure à stylet avec une pointe de stylet et un mécanisme de balayage composent l'instrument. Acquisition de scans bidimensionnels dans la direction X tout en progressant de 5 m dans la direction Y avec la vis mère Y. Il est utilisé pour un positionnement précis des échantillons et produit une image tridimensionnelle.
Méthode optique
Selon l'étude, diverses méthodes optiques sont utilisées pour la rugosité de surface.
L'évaluation globale peut être réalisée au microscope optique, qui ne donne que des données qualitatives. Les approches géométriques et physiques sont deux types de méthodes optiques. La section conique et la section légère sont deux approches géométriques. Les réflexions spéculaires et diffuses, les motifs de taches et les interférences optiques sont des exemples d'approches physiques.
Méthodes de microscopie à sonde à balayage (SPM)
Les microscopies à sonde à balayage (SPM) sont un groupe d'équipements basés sur la microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie à force atomique (AFM). La première technique utilisée pour obtenir une image tridimensionnelle d’une surface solide avec une résolution atomique est la microscopie à sonde à balayage.
Microscopie à effet tunnel (STM)
La STM fonctionne sur une base simple. Une pointe métallique pointue (une électrode de la jonction tunnel) est rapprochée suffisamment de la surface à sonder (deuxième électrode) pour que le courant tunnel varie de 0.2 à 10 nA, ce qui est quantifiable à une tension de fonctionnement pratique (10 mV à 2 V). À une distance de 0.3 à 1 nm, la pointe est balayée sur une surface tandis que le courant tunnel entre la pointe et la surface est mesuré.
Microscopie à force atomique (AFM)
L'AFM combine les principes du STM avec ceux du profileur de stylet. Pour percevoir la proximité de la pointe par rapport à l'échantillon dans l'AFM, la force entre l'échantillon et la pointe est détectée plutôt que le courant tunnel. Le déplacement de l'échantillon à l'aide de scanners piézoélectriques amène une pointe acérée à l'extrémité d'un cantilever en contact avec la surface d'un échantillon. mode de fonctionnement est connu sous le nom de « mode répulsif » ou « mode contact ». La microscopie à force atomique est un nano-profileur qui peut fonctionner avec de très petits échantillons. Cette approche détermine la rugosité de surface avec une résolution latérale allant de l'échelle microscopique à l'échelle atomique. Cette méthode est le plus souvent utilisée pour mettre à l'échelle la rugosité avec une résolution latérale très élevée, comme la rugosité à l'échelle nanométrique.
Méthodes fluides
Ces techniques sont principalement utilisées dans le cadre d'opérations d'évaluation constante (contrôle qualité). Puisqu'ils travaillent sans toucher la surface et sont extrêmement rapides. Cela donne des données numériques qui peuvent être empiriquement corrélées à la rugosité. Les méthodes de jaugeage hydraulique et pneumatique sont les deux techniques les plus utilisées.
Méthode électrique
Cette technique utilise l'approche de la capacité basée sur l'idée du condensateur parallèle. La capacité entre deux éléments conducteurs est liée à leur surface et à la constante diélectrique du milieu, mais est inversement proportionnelle à leur séparation. Il est assez simple de calculer la capacité effective entre une surface rugueuse et un disque à surface lisse pour divers modèles déterministes. Elle est considérée comme la somme d'un certain nombre de petites surfaces élémentaires à différentes hauteurs. La rugosité de la surface affecte la capacitance entre une surface de disque lisse et la surface à mesurer. Partant de ce principe, un instrument commercial est disponible. Les processus d'inspection continue utilisent également la méthode de la capacité.
Microscopie électronique
La microscopie électronique par réflexion et par réplique peut révéler des phénomènes macroscopiques et microscopiques. caractéristiques de surface. Cependant, ils présentent deux inconvénients principaux : premièrement, les données quantifiables sont difficiles à obtenir ; et deuxièmement, en raison de leur champ de vision intrinsèquement limité, ils ne présentent que quelques aspérités, alors que le point important concernant le contact en surface est qu'il implique de vastes populations d'aspérités en interaction.
La méthode de mesure finalement choisie dépend fortement de l'application de l'utilisateur. Des méthodes de mesure basées sur la réflexion spéculaire, la réflexion diffuse ou le motif de taches sont utilisées pour les opérations d'inspection en cours de processus. Les technologies fluides ou électriques pourraient être utilisées pour des activités d’inspection continue (contrôle qualité) qui nécessitent un minimum d’informations.
Norme nationale pour la tolérance d'usinage CNC
Photo par Mastars on Unsplash
Des variations peuvent survenir pour diverses raisons, allant du matériau de la pièce au procédé d'usinage utilisé. C'est pourquoi des tolérances d'usinage sont attribuées aux pièces tout au long de la phase de conception, c'est-à-dire une quantité de variation autorisée dans les dimensions d'une pièce.
Alors, que sont les tolérances d’usinage et pourquoi sont-elles importantes ? Continuez à lire pour découvrir comment choisir la tolérance dont le principe est lié à l'usinage CNC.
Chaque caractéristique d'un composant a une taille et une forme géométrique. La fonction de la pièce implique des contraintes de taille et de variations des attributs géométriques (forme, orientation et placement) qui, lorsqu'elles sont dépassées, endommagent cette fonction. La plupart des inspecteurs utilisent la solution de zone minimale pour calculer tolérances de forme, qui minimise l'erreur maximale entre les points de données et une entité de référence.
L'institut national américain de normalisation (ANSI Y14.5M-1982), a établi une approche standardisée pour la norme nationale sur le dimensionnement et le tolérancement connue sous le nom de dimension géométrique et de tolérancement (norme GD&T Y14.5). Une approche normalisée pour afficher les normes de tolérance sur les dessins techniques est établie afin d'accroître l'utilisation des spécifications de tolérance comme outil de communication.
Pour garantir que les aspects de taille et de géométrie de tous les éléments sont réglementés, les tolérances sur le dessin doivent être complètes, c'est-à-dire que rien ne doit être supposé ou laissé au jugement de l'atelier ou du service d'inspection. L’utilisation de tolérances générales de taille et de géométrie permet de garantir plus facilement le respect de cette exigence.
Des normes de tolérance de forme sont utilisées pour réguler les éléments dérivés, car les points de l'entité dérivée ne peuvent pas être échantillonnés directement. Ces points doivent être calculés à partir de points échantillonnés depuis l'extérieur. Mais comment choisir la tolérance pour l’usinage CNC ?
Eh bien, la dimension géométrique et la tolérance (norme GD&T Y14.5) sont utiles aux concepteurs et aux fabricants pour communiquer les informations de tolérance. Malheureusement, il n'existe actuellement aucune norme pour vérifier spécifications de tolérance.
Comme indiqué précédemment, les différents matériaux et procédés d'usinage nécessitent des tolérances différentes. Cela signifie que les tolérances d'usinage ne sont pas exactement « standard ». Cependant, certains fabricants ont établi des règles pour des applications spécifiques.
Certains ateliers d'usinage exigent des tolérances de la part des clients, et si celles-ci ne sont pas fournies, ils refuseront de travailler sur le composant ou utiliseront une tolérance standard de, disons, ±0.005'' (0.127 mm). La tolérance peut être supérieure ou inférieure à 0.005.
Tolérance géométrique admissible ISO 2768
Précautions de tolérance
Par conséquent, quelles sont les précautions de tolérance à prendre en compte pour l'usinage CNC ? De nombreux aspects importants doivent être pris en compte lors du calcul des tolérances. Ceux-ci sont discutés ci-dessous ;
- Matériau : Il n'existe pas deux matériaux identiques et certains sont plus faciles à travailler que d'autres. Pour définir les tolérances, il est essentiel d'examiner la stabilité thermique, la dureté, la rigidité et l'abrasivité du matériau.
- Technique d'usinage : Certaines procédures étant plus précises que d'autres, le type d'usinage utilisé peut avoir un impact significatif sur le résultat final.
- Finition et placage : de petites quantités de matériau sont ajoutées à la surface d'une pièce pendant le placage et la finition, ce qui peut modifier les dimensions de la pièce juste assez pour nécessiter une tolérance différente.
- Coût : La technique est plus coûteuse si vous limitez strictement la tolérance. Il est essentiel de maintenir une tolérance précise afin de rester rentable. Il est essentiel de veiller à ce que votre tolérance soit précise, mais pas excessivement.
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Types de tolérance
Connaissez-vous les catégories ASME différents types de tolérance à des fins d’usinage ?
Le dimensionnement géométrique et le tolérancement (GD&T) spécifie cinq types de tolérances en général :
- Tolérances de forme : Tolérance géométrique fondamentale qui dicte la forme de la pièce.
- Tolérances pour les profils : définit une limite autour d'une surface dans laquelle les constituants de la surface doivent être contenus.
- Tolérances d'orientation : Détermine l'orientation du formulaire par rapport à une référence.
- Tolérances d'emplacement : indique la position de la fonction par rapport à une référence.
- Excentricité : lorsqu'une pièce est tournée sur un axe, la fluctuation d'excentricité de la fonction d'une cible est spécifiée.
Rugosité de surface pour l'usinage CNC
Différents éléments doivent être pris en compte pour choisir la rugosité de surface appropriée à votre projet. En fonction de l'application du produit, de la durabilité souhaitée, du fait que l'article sera poli ou peint, de l'importance de dimensions précises et du budget du projet, la rugosité moyenne (Ra) peut devoir être plus ou moins élevée.
Sous les mêmes tolérances dimensionnelles, les exigences de rugosité de surface des pièces usinées CNC varient selon la machine. C'est là que réside la question de la stabilité de la coopération. Les critères de stabilité et d'interchangeabilité des pièces usinées varient dans la conception et la fabrication de pièces mécaniques pour différents types de machines.
Mais quels sont les différents types d'usinage et comment s'y prendre ? Examinons ce domaine en pleine expansion. Les trois types suivants sont représentés dans le manuel de conception de pièces mécaniques existant :
La rugosité de surface dans l'usinage CNC a un impact sur la façon dont l'objet créé interagit avec son environnement. Une finition d'usinage CNC « telle qu'usinée » typique est lisse au toucher avec une rugosité moyenne (Ra3.2), mais les lignes d'usinage visibles de l'outil de coupe sont visibles. La plupart des pièces peuvent être fabriquées avec ce niveau de rugosité, bien que dans certains cas, une surface plus lisse soit nécessaire. Lors du développement de pièces coulissantes, une surface plus lisse peut être avantageuse car elle réduit la friction entre les pièces et améliore les performances d'usure.
Le premier est principalement utilisé dans les machines de précision qui nécessitent un niveau élevé de stabilité d’ajustement. Pendant le service ou après un assemblage continu, la limite d'usure des pièces usinées ne doit pas dépasser 10 % de la tolérance dimensionnelle des pièces. Ceci est principalement utilisé sur les surfaces de friction de pièces usinées extrêmement essentielles, comme la surface intérieure du cylindre, le col de broche des machines-outils de précision, le col de broche des aléseuses à coordonnées et des embouts plus précis qui répondent à des exigences très particulières.
L'autre est utilisé dans les équipements de précision typiques qui nécessitent une stabilité d'ajustement élevée, une limite d'usure des composants mécaniques ne dépassant pas 25 % de la précision dimensionnelle de la pièce usinée et d'une surface de contact très étroite. Les machines, les outils, les surfaces qui fonctionnent avec des roulements, les trous d'épingle coniques et les surfaces de contact qui se déplacent à des vitesses assez rapides sont tous des exemples de son application.
Le troisième type est principalement utilisé dans les machines générales où la limite d'usure des pièces mécaniques ne doit pas dépasser 50 % de la valeur de tolérance dimensionnelle et il n'y a pas de surfaces de contact pour les pièces mobiles relatives, de même que les surfaces serrées, les clavettes et la surface de travail des rainures de clavette ; surface de contact avec une faible vitesse de mouvement relatif ainsi qu'un trou de support, une bague, une surface de travail avec un trou pour l'arbre de roue, un réducteur, etc.
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Relation n/b rugosité et tolérance
Maintenant, quel est le rapport entre la rugosité et la tolérance dans l'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) ?
La rugosité de surface compatible avec le niveau de tolérance est la plus couramment utilisée.
Si les exigences de précision dimensionnelle pour les composants mécaniques sont faibles, réduisez la valeur de rugosité de surface des pièces mécaniques. Cependant, il n’existe pas de lien fonctionnel établi entre eux dans des circonstances normales. Certaines machines et instruments ont des exigences de surface très lisses, par exemple ; poignées, volants, équipements sanitaires, machines alimentaires et pièces mécaniques à surface modifiée.
Cela signifie que les exigences en matière de rugosité de surface sont élevées mais que les exigences en matière de tolérance dimensionnelle sont faibles. Dans des circonstances typiques, le niveau de tolérance et la valeur de rugosité de surface des éléments d'usinage CNC avec des exigences de tolérance dimensionnelle ont une relation raisonnable.
Selon certains manuels et monographies de conception de composants mécaniques, de nombreuses formules de calcul sont disponibles. Il représente la relation entre la rugosité de surface et les tolérances dimensionnelles des pièces mécaniques. Vous pouvez lire la liste des formules parmi lesquelles choisir.
Quand vous le lisez réellement. Vous remarquerez que la même formule empirique est utilisée avec des valeurs différentes. Cela peut semer la confusion chez les personnes qui ont des connaissances très limitées dans ce domaine. Dans le même temps, cela rend plus complexe la sélection de la rugosité de surface dans le travail des pièces mécaniques.
Sélection du principe de tolérance pour la machine CNC
L’usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) exige une précision extrême. Dans ce métier, même des millimètres peuvent conduire à des erreurs majeures. Malheureusement, aucune machine ne peut garantir une précision à 100 % à tout moment.
Par conséquent, quel principe de tolérance de base faut-il adopter pour l'usinage CNC ? Explorons cette chose ensemble.
Comme nous le savons, la tolérance est le contrôle de l’exactitude des pièces usinées CNC. Il existe des tolérances standard pour les éléments usinés CNC tels que les filetages, les coupes et les tuyaux. Des tolérances standard sont requises pour les pièces usinées à commande numérique pour une variété d'applications. Lorsque le client ne sélectionne pas le niveau de tolérance, la plupart des services de fraisage CNC fournissent ±0.1 mm, qui est également la norme typique de tolérance des composants d'usinage CNC spécifiée par l'ingénieur en mécanique. Les organisations de normalisation mondiales les plus fréquentes qui fixent les tolérances d'usinage CNC sont (ISO) l'Organisation internationale de normalisation (ASME), l'American Society of Mechanical Engineers et d'autres. Discutez-en maintenant en profondeur.
Fondamentalement, l'Organisation internationale de normalisation (ISO 2768) est divisée en deux parties dont chacune vise à simplifier les dessins en établissant des niveaux de précision comme règles générales :
- Tolérance générale : ses niveaux sont décrits comme f-fin, m-moyen, c-grossier et v-très grossier pour les dimensions linéaires et angulaires.
- Tolérance géométrique ; Les classes de tolérance H, K et L établissent des tolérances géométriques pour les caractéristiques avec différents niveaux de précision.
A titre d'illustration, un dessin pourrait être désigné comme Organisation internationale de normalisation ISO 2768-mK, ce qui signifie qu'il doit respecter les limites de tolérance des classes de tolérance « moyenne » de la partie 1 et « K » de la partie 2. Vous pouvez simplifier votre dessin en incluant la spécification ISO 2768 et éviter de spécifier des tolérances pour chaque dimension et fonction.
La norme est formée de directives générales car il existe des situations dans lesquelles une dimension d'une pièce nécessite une tolérance plus stricte que celles définies par la norme ISO 2768. De tels cas sont courants, par conséquent, consultez le cartouche du dessin pour connaître les exigences générales de tolérance et notez toute spécifications des pièces ou exigences du projet.
Attendu que l'American Society of Mechanical Engineers(ASME Y14. 5) spécifie les symboles, définitions et réglementations de dimensionnement et de tolérancement géométriques. L'objectif de la norme est de garantir que des informations détaillées sont fournies clairement tout au long du processus de conception et de fabrication des composants mécaniques.
Il indique essentiellement au personnel et à l'équipement de fabrication à quel point chaque caractéristique réglementée de la pièce doit être exacte et précise. Sur les dessins techniques et les modèles solides tridimensionnels générés par ordinateur, la tolérance géométrique et dimensionnelle (GD&T) utilise un langage symbolique qui exprime la géométrie nominale et sa variance admissible.
Cadre de contrôle des fonctionnalités
Les tolérances sont choisies en fonction du processus de production. Généralement, plus la tolérance est élevée, plus le coût est faible. Excessif sélection de tolérance comporte le risque de pannes de performances prospectives et réelles, de détérioration du service, de caractère indésirable fonctionnel et de mauvaise apparence. Tolérance limite est le plus pratique et le plus utilisé. Il permet de sélectionner arbitrairement des tolérances pour une chaîne de mesures et garantit un bon ajustement, mais il ne prend pas en compte les coûts de production.
Les méthodes standard de détermination des tolérances ne maximisent pas directement les coûts et les tolérances. Leur objectif principal est définition des tolérances afin que le modèle puisse fonctionner en premier et, de préférence, être le moins cher.
La ligne du bas
Par conséquent, quelle est exactement la relation entre la rugosité de la surface et le niveau de tolérance dans l’usinage CNC ?
La texture moyenne de la surface d'une pièce est mesurée par la rugosité de surface. La rugosité de surface compatible avec le niveau de tolérance est la plus couramment utilisée. Plus les exigences de précision dimensionnelle des composants mécaniques sont faibles, plus la valeur de rugosité de surface des pièces mécaniques est faible. Cependant, il n'existe pas de lien fonctionnel permanent entre elles dans des circonstances normales.
L'Organisation internationale de normalisation (ISO) et l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) sont les deux organismes internationaux de normalisation les plus courants qui déterminent les tolérances d'usinage CNC. Une finition d'usinage CNC « telle qu'usinée » courante est lisse au toucher avec une rugosité moyenne (Ra3.2). Si ces éléments ne sont pas disponibles, une tolérance standard de ± 0.005" (0.127 mm) est utilisée.
