Les matériaux du stylet deviennent plus légers, plus rigides et plus durs

Dec 08, 2023

Parcourez n'importe quel catalogue de machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) ou de stylets de machine-outil, et vous verrez un éventail de matériaux disponibles parmi lesquels choisir. Bien sûr, les anciennes veilles - billes de rubis, arbres en carbure et bases en acier inoxydable - sont toujours là. Mais aujourd'hui, vous trouverez du nitrure de silicium, de la zircone, de l'acier, du diamant, de la fibre de carbone, de la céramique, du titane et plus encore. Cela conduit à de nombreuses questions sur le meilleur matériau pour le travail. Dans cet article, nous allons explorer les matériaux et leurs avantages et inconvénients.

En réponse à l'évolution des marchés, les stylets de MMT et de machine-outil deviennent plus légers, plus rigides et plus résistants à l'usure.

Aujourd'hui, une pléthore de choix de matériaux existe lors du choix des stylets pour une MMT ou un palpeur de machine-outil.

Si vous n'êtes pas sûr du meilleur choix pour votre application particulière, contactez le fabricant du stylet pour obtenir des conseils.

Les premières MMT utilisaient un stylet positionné manuellement en acier trempé. À l'époque, les conceptions de stylets se limitaient à une bille d'acier brasée sur une tige en acier, un demi-cylindre en acier et un cône en acier conçu pour être pressé dans un trou afin de localiser rapidement son point central. L'opérateur tenait le stylet sur une surface, contre un bord, ou le pressait dans un trou, puis appuyait sur une pédale pour enregistrer sa position.

Les systèmes de palpage se sont rapidement améliorés, tout comme les stylets. Les premières sondes à déclenchement tactile utilisaient un stylet à bille similaire à ceux utilisés aujourd'hui. Les boules étaient en acier et les tiges n'étaient pas filetées. Au lieu de filets, une vis de réglage maintenait l'arbre en place. Le stylet en trois parties familier d'aujourd'hui composé d'une boule, d'une tige et d'une base filetée est apparu dans les années 1980 avec la prolifération des têtes de palpage à déclenchement par contact sur les MMT et les machines-outils.

Le rubis est toujours le matériau de billes de choix pour la plupart des applications de MMT et de machines-outils. Les boules de rubis sont relativement peu coûteuses et résistantes à l'usure. Le carbure de tungstène, grâce à sa rigidité inhérente, est le plus souvent utilisé pour les tiges ou tiges de stylet. L'acier inoxydable est le matériau le plus courant pour les bases filetées.

Alors, qu'en est-il de tous les nouveaux matériaux?

Au fur et à mesure que les systèmes de mesure et de palpage ont évolué, leurs exigences en matière de stylet ont également évolué. De nombreux systèmes de palpage actuels limitent la longueur et le poids du stylet. Ces limites créent un besoin pour des matériaux allégés qui offrent encore une rigidité suffisante. Certaines MMT sont conçues pour fonctionner en usine. Celles-ci nécessitent un outillage résistant aux fluctuations de température. Les "bras" de CMM manuels sont courants dans les domaines de fabrication et d'inspection d'aujourd'hui. Ces MMT manuelles nécessitent des stylets robustes fabriqués à partir de matériaux capables de résister à une utilisation manuelle.

Les stylets de machine-outil, d'autre part, intègrent un soi-disant "fusible mécanique". La plupart des stylets de machine-outil sont conçus pour se casser en cas de collision, afin d'éviter d'endommager la machine ou la tête du palpeur.

Comme les pièces médicales et électroniques diminuent de taille, les stylets aussi. Il n'y a pas si longtemps, les stylets avec des billes inférieures à 1,5 mm étaient considérés comme exotiques. Ils étaient jugés fragiles et difficiles à calibrer. Aujourd'hui, ils sont monnaie courante. Des stylets avec des billes de 0,2 mm (0,008") de diamètre ont été récemment introduits pour servir ce domaine en expansion. Pour mettre cela en perspective, une bille de 0,2 mm est plus petite que le point à la fin de cette phrase.

Ces changements ont induit l'introduction de nouveaux matériaux pour répondre à ces exigences évolutives. Voici un aperçu des matériaux qui composent les principaux composants d'un stylet : 1) la boule, 2) la tige et 3) la base filetée.

LE BALLON

Les balles en rubis synthétique sont la norme de l'industrie. Le rubis est le deuxième en dureté du diamant et présente donc une résistance à l'usure supérieure. Ruby a un coefficient de frottement relativement faible, ce qui en fait un bon choix pour les applications impliquant un contact continu ou "balayage". Cependant, lors de la numérisation d'aluminium non traité, l'aluminium a tendance à s'accumuler à la surface de la balle, la rendant impropre à une utilisation ultérieure. De plus, les surfaces abrasives peuvent porter un méplat sur une boule de rubis. Pour ces applications, nous recommandons des billes en nitrure de silicium.

Le nitrure de silicium est une céramique industrielle très dure utilisée principalement pour les roulements à billes. En plus de leur précision sphérique, les billes de nitrure de silicium sont hautement polies. L'inconvénient est qu'elles sont difficiles à usiner, ce qui les rend plus chères que les billes de rubis pour une utilisation dans les stylets. Les stylets à bille en nitrure de silicium conviennent parfaitement aux applications de production impliquant des sondages répétitifs, en particulier avec de l'aluminium non traité. Ils fonctionnent également très bien sur des surfaces abrasives, comme celles produites par usinage érosif (EDM). Dans la plupart des applications, les billes de nitrure de silicium dureront plus longtemps que les billes de rubis. Ils sont un bon choix pour à peu près n'importe quel matériau, à l'exception de la fonte.

La zircone est le matériau de balle de choix lors du sondage de la fonte. La zircone est une céramique dure et hautement polie. Les propriétés mécaniques de la zircone la rendent plus adaptée que le rubis et le nitrure de silicium pour une utilisation sur la fonte.

Parfois, un stylet doit être électriquement conducteur. Dans ce cas, une bille en carbure ou en acier trempé est nécessaire. Les billes en acier sont souvent disponibles dans une plus grande gamme de diamètres que les billes en carbure et coûtent généralement moins cher. Par conséquent, les billes en acier trempé sont souvent le meilleur choix lorsque l'ensemble du stylet doit conduire un courant électrique.

Les billes en céramique (alumine) sont populaires dans les diamètres de billes supérieurs à huit millimètres. La céramique est plus légère que l'acier ou le carbure. Il est très poli et résiste à l'usure. Les boules en céramique d'un diamètre supérieur à huit millimètres sont moins chères que les boules en rubis équivalentes. Cependant, les boules en céramique sont souvent fabriquées avec un degré de sphéricité inférieur à celui des boules en rubis. Une bille en céramique typique de 10 mm est meulée à une sphéricité de grade 25 tandis qu'une bille de rubis typique sera de grade 10. Mais la bille de rubis coûte plus cher. Un compromis entre prix et précision se pose avec ces billes de grand diamètre.

Les boules de diamant sont apparues il y a une dizaine d'années. Les premières offres étaient de taille limitée et les prix étaient à couper le souffle. Le diamant est, bien sûr, la substance connue la plus dure. Tout comme le rubis, les diamants de laboratoire sont utilisés pour créer des boules de diamant. Lorsqu'elle est utilisée dans un appareil de mesure par contact comme une MMT, une bille en diamant ne s'usera pas. La taille des boules de diamant a un peu augmenté, mais leur prix reste élevé par rapport au rubis ou au nitrure de silicium.

LA TIGE

Le carbure de tungstène est le matériau le plus couramment utilisé pour les tiges de stylet. Le carbure est relativement facile à usiner et possède une excellente rigidité. Il peut être rectifié à de très petits diamètres. Il est lourd, cependant, une propriété qui entre souvent en conflit avec les systèmes de palpage hautes performances sensibles au poids du stylet. Néanmoins, le carbure reste le matériau de choix pour la plupart des stylets fabriqués aujourd'hui. Lors de l'utilisation de billes d'un diamètre compris entre 0,2 mm et 1,5 mm, le carbure est la seule option.

Si le poids du stylet est un problème, nous recommandons la fibre de carbone. La fibre de carbone est légère et rigide. Il résiste aux fluctuations thermiques, une propriété recherchée en atelier. La fibre de carbone est généralement un bon choix pour les stylets très longs. L'inconvénient de la fibre de carbone, cependant, est la flexion qu'elle présente dans les tiges longues et minces. Dans ces cas, nous suggérons souvent une potence en céramique comme alternative à la fibre de carbone, pour aider à réduire le poids et à augmenter la rigidité.

Les tiges en céramique sont couramment utilisées dans les systèmes de palpage des machines-outils. Une tige en céramique permet de s'assurer qu'en cas de collision, le stylet se brise en premier, évitant ainsi d'endommager la tête du palpeur ou la machine-outil. La céramique est légère, rigide et cassante. Les stylets avec des tiges en céramique de plus de 150 mm se cassent facilement. La fibre de carbone est la meilleure option pour une potence légère de plus de 150 mm.

Les tiges en acier inoxydable sont faciles à fabriquer mais sujettes à la déviation. La déflexion, ou flexion, est généralement inacceptable dans les mesures de précision. Bien que les potences en inox soient usinées à partir d'une seule pièce d'acier, nous vous les déconseillons sauf lorsque le coût du stylet est plus important que ses performances.

Certains clients ont besoin de stylets non magnétiques. Ils nécessitent un manche en céramique ou en fibre de carbone avec une base filetée en aluminium anodisé dur. Cependant, en raison de la base en aluminium, les tailles de filetage sont limitées.

LA BASE FILETÉE

L'acier inoxydable est le choix le plus populaire pour les bases filetées. Il est peu coûteux et facile à usiner, des propriétés qui contribuent à réduire les coûts. Mais l'acier inoxydable est plus lourd que l'aluminium ou le titane, ce qui le rend indésirable pour une utilisation sur des systèmes de sonde sensibles au poids.

La demande de bases de stylet en titane est en croissance. Parce que le titane est plus cher et plus difficile à usiner que l'acier inoxydable, il augmente le prix du stylet. Néanmoins, le titane est un excellent choix pour une base filetée. Il est léger, résistant à l'usure et thermiquement stable.

L'aluminium est plus léger que le titane et l'acier inoxydable. C'est peu coûteux et facile à usiner. Mais l'aluminium est mou et est le plus affecté par les fluctuations thermiques. Parce qu'il est si doux, les bases en aluminium sont limitées à des tailles de filetage plus grandes. L'aluminium est un bon choix lorsque le poids du stylet est un problème et que la température ambiante est relativement stable.

METTRE TOUS ENSEMBLE

En réponse à l'évolution des marchés, les stylets de MMT et de machine-outil deviennent plus légers, plus rigides et plus résistants à l'usure. Aujourd'hui, une pléthore de choix de matériaux existe lors du choix des stylets pour une MMT ou un palpeur de machine-outil.

Si vous n'êtes pas sûr du meilleur choix pour votre application particulière, contactez le fabricant du stylet pour obtenir des conseils. Ils savent quels matériaux fonctionnent le mieux et quels matériaux éviter. Demandez une recommandation.

Enfin, les commentaires des utilisateurs sont très utiles pour votre fabricant. Si un stylet particulier fonctionne bien, transmettez-lui cette information. Si vous rencontrez une usure excessive ou d'autres problèmes avec le stylet, informez-en également votre fabricant.

Les caractéristiques physiques des matériaux sont une chose. Les expériences de la vie réelle peuvent en être une autre. En collaboration avec vous, votre fabricant de stylets peut vous aider à optimiser vos processus de mesure. Après tout, il y a beaucoup de choix maintenant.

Marc Osterstockest le président de Q-Mark Manufacturing Inc. Pour plus d'informations, appelez le (949) 457-1913, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez www.cmms.com