Supporting Production from a Single Surface Roughness Profile

En production, le contrôle et la mise au point de coupes précises dépend fortement d'une approche essai et erreur et de l'expertise des spécialistes d'usinage. La manipulation des nombreuses variables du procédé en vue d'élaborer des conditions acceptables exige la fabrication de pièces d'essai. Lorsque le coût unitaire dépasse les dizaines de milliers de CAD, il est digne d'intérêt de diminuer le nombre de pièces d'essai même d'un seul exemplaire. Le contrôle du procédé est également important afin d'empêcher les pièces rebutées. Cette thèse décrit le développement de la capacité d'acquérir un unique profil linéaire de rugosité d'une pièce soumise au tournage dur de finition, de remettre ce profil à une analyse automatisée et obtenir les contributions proportionnelles de certains mécanismes envers des paramètres arbitraires d'amplitude de rugosité. L'évaluation en tant que contribution à n'importe paramètre facilite l'utilisation en fabrication, vu qu'en production il est normalement d'importance capitale de satisfaire aux critères spécifiques du dessin tel la rugosité moyenne Ra, plutôt qu'à des paramètres exotiques. L'analyse automatisée est importante afin d'éviter d'exiger une expertise spéciale pour appliquer les techniques chez le manufacturier. Les profils de rugosité linéaires sont attrayants pour leurs qualités d'être rapide, peu chers, non destructif, et dépendants uniquement d'équipements communs en atelier d'usinage. Les défis relevés comptent la tâche non triviale d'automatiser l'identification des traces d'outils dans les profils linéaires de rugosité, en absence de connaissance a priori de la morphologie des traces d'outils à cause de la déformation plastique importante lors du tournage dur de finition. La méthode créée est nommée « identification par domaine corrélé » (CDI) et exploite la variabilité aléatoire du procédé sans effectuer de régression. Des signatures de mécanismes actifs lors de la finition dure ont été identifiés en tant que modes de variabilité de la coupe, sans devoir prescrire par régression les déformations attendues. Les modes correspondent à la vibration radiale et axiale et à des réponses plastiques du matériau. Les modes ont été idéalisés mathématiquement. De plus, il a été vérifié expérimentalement que les vibrations radiales expliquent la signature de son mode associé dans sa totalité. L'étude culmine avec une implémentation sous forme de logiciel graphique destiné à l'utilisation en production. L'analyse est conçue pour la facilité de l'utilisation et se trouve presque entièrement automatisée. Le logiciel compte aussi parmi ses fonctionnalités l'estimation par éléments finis de la concentration de contrainte microgéométrique et la génération d'hypersurfaces de réponse pour plans expérimentaux. Les codes sont structurés et documentés afin de faciliter une continuation suivant le départ de l'auteur du programme doctoral.

Abstract

In production, control and optimization of precision cuts is heavily dependent upon trial and error and upon machining specialist expertise. When unit cost is in the tens of thousands of CAD, manipulation of the many process variables in order to narrow in on acceptable conditions should be done with as few trial parts as possible; reduction of the number of trial parts by even one specimen is worthwhile. Process control is equally important to maintain stable production and prevent the scrapping of parts. This thesis describes the development of the ability to acquire a single linear roughness profile from a fi hard turned metallic part, submit the roughness profiles to a computer-automated analysis, and obtain percent contributions of specific mechanisms to arbitrary roughness parameters of profile amplitude. Expression as a contribution to any parameter facilitates applicability in manufacturing, in which production is usually concerned with meeting specific scalar surface roughness requirements such as average roughness Ra rather than exotic roughness parameters. Automated analysis is important in order to avoid requiring special expertise in the techniques developed for manufacturer implementation. Linear roughness profiles are attractive for the quick, inexpensive, and non-destructive nature of their acquisition, and for the widespread availability of linear roughness measuring machines in machine shops. The challenges overcome include the non-trivial task of automating identification of the locations of tool traces or “feed marks” in linear roughness profiles without any a priori knowledge of feed mark shape due to the significant plastic deformations in finish hard turning. The method developed is dubbed “Correlated Domain Identification” (CDI), does not depend on regression techniques, and exploits the continuous random variability of the cutting process. Signatures of specific mechanisms active during hard turning were identified as modes of cut variability without coercing the data by fitting of expected deformations. The modes identified include radial and axial cutting vibration, local ploughing, and side flow. The modes were idealized mathematically. The claim that radial vibration fully accounts for its associated mode signature was verified experimentally. The study culminates with implementation as a graphical software program suitable for use in production. The analysis is nearly entirely automated and is designed for ease of use. Additional features of the software include finite element estimation of microgeometry-induced stress concentration and generation of response hypersurfaces of designed experiments. The codes developed are neatly organized and documented in order to facilitate development following the author's departure from the Ph. D. program.