Cette nouvelle multibroche CNC peut-elle fonctionner pour votre atelier ?

Davenport Machine Company a trouvé une bonne conception de machine multibroche juste après le début de ce siècle. Selon Don Firm, président de la société, il suffisait que de nombreuses pièces soient interchangeables entre un modèle DA de 1908 exposé au siège de la société à Rochester, à New York, et le modèle B de 1996 en cours de construction dans l'usine.

Cependant, le monde qui abrite Davenports, et les visseuses automatiques multibroches en général, évolue rapidement. De plus en plus, les pressions du marché, sous la forme de tailles de lot inférieures et d'exigences de tolérance plus élevées, ajoutées à une pénurie de personnel de configuration qualifié, soulèvent des questions sur l'augmentation des vénérables automatismes multibroches.

M. Firm dirige un effort de Davenport pour créer une machine multibroche pour le siècle prochain. La technologie d'asservissement CNC a évolué jusqu'à un point d'application pratique aux multibroches.

Il considère cette nouvelle machine, désignée sous le nom de LS 522, comme une réponse aux problèmes des ateliers d'usinage de vis et comme une alternative de processus pour les ateliers d'usinage sans vis. Lors d'une récente visite, nous avons eu un aperçu de cette machine avant son introduction à l'IMTS 96.

Les machines multibroches fabriquent des pièces rapidement car leur conception permet d'effectuer plusieurs opérations de coupe à la fois. En général (car il existe de nombreuses variantes), chaque broche d'un multi est coupée par deux axes indépendants de déplacement d'outil.

L'un est le chariot transversal, qui déplace un outil de coupe perpendiculairement à l'axe de la broche. La deuxième glissière porte les outils de travail d'extrémité et se déplace au centre depuis l'extrémité de la poupée mobile de la machine. Respectivement, l'outillage sur ces glissières équivaut à des outils OD et ID sur un centre de tournage à point unique. Mais, une machine multibroche peut utiliser un outil OD et ID sur chaque broche, en même temps. Les machines Davenport ont cinq broches, elles peuvent donc amener au moins dix outils dans la coupe à la fois.

Les broches d'un multi sont montées autour de la périphérie d'un tambour indexable. Étant donné que toutes les opérations de coupe sur une machine multibroche se produisent simultanément, chaque index du tambour de broche produit une pièce finie. Sur un Davenport à cinq broches, cela représente cinq pièces pour chaque rotation du tambour.

Quantité ou qualité

Aussi longtemps que la plupart d'entre nous s'en souviennent, l'automatique multibroche a détenu le titre de production à haut volume pour les petites pièces de rotation. Mais il ne tourne pas les pièces plus rapidement que les autres conceptions de machines. Étant donné que de nombreux multis sont des machines à barres, les vitesses de broche sont conservatrices par rapport aux mandrins et lentes par rapport aux capacités des centres de tournage CNC à broche unique.

Le secret de la vitesse de traitement multibroche est le temps de cycle cumulé par rapport à l'additif. Pour ce faire, ils divisent le cycle de traitement des pièces en de nombreuses petites opérations, puis effectuent ces opérations simultanément sur plusieurs broches.

Les temps de cycle de la machine sur un multi sont déterminés par l'opération de coupe la plus longue à une station. Voici un exemple. La troisième station a une opération de forage de glissière d'extrémité qui prend 0,75 seconde (y compris l'index). L'opération suivante la plus longue est une rainure de glissement croisé de 0,65 seconde à la station quatre. Étant donné que la multibroche peut utiliser toutes les stations en même temps, le temps de cycle pour le travail reflète l'opération la plus longue effectuée, qui dans ce cas est de 0,75 seconde.

En général, les automatismes multibroches sont mieux connus pour leur grande vitesse que pour leur grande précision. Les mécaniques avec leurs cames, arbres, leviers et autres dispositifs d'actionnement accumulent simplement trop d'imprécisions pour produire systématiquement les nombreuses spécifications de tolérance étroite exigées par les clients.

Pour des tolérances plus élevées, de nombreux ateliers se tournent vers les centres de tournage CNC monopoint. "Leur programmabilité et leur asservissement du contournage permettent des tolérances plus proches d'un point décimal par rapport à la plupart des automatiques", explique M. Firm.

Le tournage monopoint étant un processus séquentiel, ces machines ne peuvent pas produire les volumes d'une machine multibroche. Une passe d'ébauche est suivie d'une passe de finition. Une opération de surfaçage a lieu avant une opération de perçage ou d'alésage.

Par conséquent, le temps de cycle sur un centre de tournage est additif. Le temps requis pour chaque opération est additionné et la somme devient le temps de cycle. Les vitesses et les avances peuvent réduire le temps global en effectuant chaque opération de coupe plus rapidement, mais le processus est séquentiel.

Presse automatique

Les automatismes multibroches sont parmi les derniers domaines de la commande de mouvement purement mécanique. La plupart de ces machines se trouvent dans des magasins spécialisés dans la fabrication de "pièces de machines à vis". Parmi ces magasins, beaucoup sont plus connus pour la marque des machines à vis qu'ils utilisent que pour les produits qu'ils fabriquent. Il y a des magasins Davenport, des magasins New Britain, des magasins Acme et autres.

Il y a de bonnes raisons pour que les magasins se spécialisent dans une marque de machine donnée. C'est un technicien très compétent qui peut mettre en place une de ces visseuses automatiques. Chaque machine a des caractéristiques spécifiques.

La configuration et l'utilisation d'une multibroche est une opération pratique. Il faut beaucoup de compétences et d'expérience pour « peaufiner » les mécanismes qui font fonctionner ces machines. Malheureusement, il y a une pénurie croissante de personnel capable de faire le travail.

Ce manque de personnel est exacerbé par un besoin croissant de configurer plus fréquemment des machines multibroches. Les travaux à long terme, l'élément vital traditionnel de l'industrie des machines à vis, ont tendance à être plus courts.

Les magasins trouvent la concurrence féroce pour les contrats de machines à vis traditionnelles car il y a moins de contrats de ce type. Les clients commandent des pièces en petits lots, mais de manière plus fréquente, répondant en partie aux exigences d'inventaire juste à temps et en partie aux cycles de vie plus courts des produits.

Certains ateliers gardent une machine configurée en permanence pour exécuter des travaux récurrents. Lorsqu'une commande est terminée, la machine reste inactive. Les ateliers doivent décider entre le coût d'installation et de démontage et ne pas faire fonctionner la machine. Avec l'augmentation des pressions sur les marges, il devient difficile de justifier de ne pas utiliser pleinement les ressources de l'atelier.

Quoi de neuf

À partir de la base, la nouvelle LS 522 de Davenport est une nouvelle machine. La base est une seule pièce coulée à partir d'un mélange de granit époxy. Ce matériau composite possède d'excellentes caractéristiques d'amortissement des vibrations et de stabilité thermique.

La conception de la base laisse ouverte l'extrémité de la poupée mobile de la machine. Un convoyeur à copeaux avec bac de récupération du liquide de refroidissement peut coulisser dans cette ouverture et se positionner directement sous la zone de coupe de la machine. Les copeaux et le liquide de refroidissement sont dirigés vers le convoyeur par des auges coulées dans la base.

La technologie habilitante de cette nouvelle machine est son système de contrôle de mouvement. "La technologie servo est maintenant à un point où son application à une multibroche est pratique", déclare M. Firm. "Il y a cinq ans, seuls les composants électroniques utilisés sur la LS 522 coûtaient plus cher que le prix de base prévu de la machine."

À l'exception du moteur d'entraînement de la broche principale, il y a dix axes linéaires programmables sur le LS 522. Chaque chariot transversal et chariot d'extrémité a un servomoteur dédié. Le fonctionnement de ces moteurs électriques est nettement plus silencieux qu'un système d'actionnement mécanique.

Pour émuler le mouvement de course généré par une came, ces servomoteurs compacts utilisent une boîte de vitesses intégrée qui transforme le mouvement rotatif du servomoteur en mouvement linéaire qui crée une course sur un arbre de sortie. Le moteur linéaire se couple directement à sa glissière d'outil respective, éliminant ainsi le besoin de vis à billes. La course de ces moteurs est entièrement programmable.

La boîte de vitesses offre un avantage mécanique qui donne à l'arbre de sortie une poussée suffisante à 800 livres par glissière - pour alimenter les outils de forme dans la plupart des matériaux.

Le positionnement de l'index du porte-broche est essentiel à la précision dimensionnelle de la pièce. Un accouplement à plusieurs dents Hurth est utilisé pour asseoir le porte-broche. Le temps d'indexation est de 0,4 seconde. Les capacités de barre sont de 0,875 pouce pour le stock rond, de 0,625 pouce pour le carré et de 0,75 pouce pour l'hexagone.

L'entraînement de la broche principale est un moteur à courant alternatif de 14 ch qui entraîne les cinq broches via un système d'engrenage planétaire. Les vitesses sont programmables via la CNC et vont de 250 à 6 000 tr/min. Les broches individuelles peuvent être programmées pour s'arrêter pour les opérations de fraisage à cheval, de perçage transversal ou de taraudage transversal.

Le contrôle du nouveau Davenport est un 486 PC. Pour actionner les glissières d'axe, une carte de commande de mouvement est utilisée pour communiquer entre l'ordinateur et les servos. Une boucle de rétroaction SERCOS, qui utilise des câbles à fibre optique pour relier les servos à la carte de commande de mouvement, transporte les données de positionnement vers et depuis les servomoteurs.

Précision ?

"Les capacités de précision dimensionnelle des mécaniques multibroches Davenport s'épuisent lorsque des tolérances supérieures à 0,002 pouce sont nécessaires", déclare M. Firm. "Ils n'ont tout simplement pas été conçus pour offrir de meilleures tolérances."

C'est une autre motivation pour créer la LS 522. L'utilisation de servomoteurs à la place des cames et l'utilisation d'un accouplement Hurth sur le tambour de broche augmentent la précision de la nouvelle machine à ±0,0002 pouce.

Accélération de la configuration

"Les multibroches mécaniques traditionnelles, y compris les Davenports, peuvent prendre de 12 à 48 heures pour configurer la machine pour un nouveau travail", explique M. Firm. "Le changement complet pour ce nouveau multibroche prendra environ deux heures et beaucoup moins que pour l'exécution d'une famille de pièces. Avec des configurations aussi courtes, il n'y a aucune raison de limiter l'utilisation des ressources en dédiant des machines à des tâches spécifiques."

La clé pour réduire le temps nécessaire au changement est la programmabilité des servovariateurs. Le mouvement de la glissière transversale et des glissières d'extrémité sur une machine mécanique est créé par une came. Le réglage fin de la course (compensation d'axe) est un processus long d'essais et d'erreurs avec des ajustements mécaniques généralement nécessaires sur chacune des dix glissières mobiles.

La technologie servo, à la place des cames, modifie considérablement ce processus. Avec la course programmable, le mouvement rapide et les avances sont réglés avec des frappes de touches. La compensation de décalage d'outil est effectuée sur la commande.

Deux points de référence sont utilisés pour chaque broche. Le zéro longitudinal est le point de départ du glissement croisé. L'axe de la broche est le point zéro radial à partir du chariot de finition. Tous les mouvements d'axe sont des nombres positifs à partir de ces points de départ. Comme les machines à cames, chaque mouvement d'axe est une plongée. L'outillage de forme standard est utilisé sur le nouveau Davenport afin que les ateliers n'aient pas besoin de jeter l'outillage de stock.

Un opérateur/programmeur entre simplement une dimension de début et de fin. Une base de données résidente calcule les vitesses d'avance entre 0,0002 et 0,050 pouce par tour. L'entrée est répétée pour chaque diapositive. L'affectation et la séquence des opérations sont effectuées à l'aide d'une feuille de planification de processus.

Les forces qui façonnent les opérations de tournage de production exigent que les ateliers regardent le traitement des pièces sous un jour différent. Le temps de cycle a été presque exclusivement la mesure de la productivité et une référence importante dans la réussite des appels d'offres.

Les clients et les magasins sont encore très conscients du temps de cycle. Son importance ne doit pas être ignorée. Cependant, le temps de cycle total pour une exécution ne doit pas non plus être ignoré. Avec le raccourcissement des cycles de production et la nécessité de répondre rapidement à la planification JIT, le temps de cycle total (ce qui se passe avant et après la découpe de la pièce) est un indicateur d'efficacité de plus en plus important. La rapidité avec laquelle un atelier peut changer de travail est essentielle pour extraire plus de marge d'un cycle de production. Et, la capacité de débit globale d'un magasin est le plus souvent le facteur clé pour gagner ou perdre un contrat.

Conquérir de nouveaux mondes

Il est pratiquement certain que le nouveau Davenport LS 522 trouvera un marché bienvenu dans les ateliers de décolletage. Le système d'actionnement servo de la machine reproduit fidèlement la fonctionnalité et la vitesse des machines mécaniques.

L'expérience de traitement des travaux acquise sur les multibroches mécaniques est directement transférable à la machine CNC. L'outillage est également applicable à la nouvelle machine sans modification.

"L'efficacité du traitement simultané est incontestée", déclare M. Firm. "Libérer les ateliers du fardeau des longs changements, permettre la production de tolérances plus élevées, simplifier le fonctionnement tout en maintenant des vitesses de traitement des pièces aussi bonnes ou meilleures que la mécanique est la promesse de cette nouvelle machine."

Dans le domaine du tournage de production de machines sans vis, Davenport s'attend à ce que le LS 522 fournisse une alternative de traitement aux centres de tournage à une broche et à un point. Ces ateliers connaissent la programmation, mais beaucoup sont moins familiarisés avec les outils de formulaire et la planification des processus pour un fonctionnement simultané.

Si ces ateliers effectuent la transition du tournage de contour à deux axes et à un seul point au tournage d'outils de forme à un seul axe, M. Firm voit des ateliers de tournage de production moyenne à élevée appliquer ces nouvelles machines multibroches pour augmenter considérablement leur rendement.

Est-ce pour vous ?

Il existe essentiellement deux types d'ateliers qui pourraient envisager cette nouvelle machine multibroche. Il s'agit d'ateliers d'usinage de vis et d'ateliers avec des applications de tournage mixtes de volume moyen à élevé actuellement effectuées à l'aide de centres de tournage monopoint.

Les ateliers d'usinage de vis doivent reconnaître les exigences de configuration réduites sans perdre les fonctionnalités de type mécanique comme une aubaine pour la production. Étendre la capacité de l'atelier pour inclure de manière économique des séries plus courtes et des tolérances plus étroites est logique dans l'environnement de fabrication d'aujourd'hui.

Pour les ateliers utilisant une seule broche, le tournage en un seul point, une transition vers plusieurs broches et un outillage de forme représente un changement significatif dans la technique de traitement. "Changer la façon dont vous traitez les pièces n'est jamais facile", déclare M. Firm. "Il faut tenir compte des coûts de l'outillage de forme par rapport aux outils à point unique. C'est une autre façon de tourner les pièces qui doit être apprise."

Mais cela peut valoir la peine de changer si les exigences de qualité peuvent être maintenues tout en réalisant une augmentation significative de la production. Plus de débit par machine signifie que plus de tâches peuvent être effectuées sur chaque machine.

Ainsi, si le tournage d'un grand nombre de pièces de précision en volume moyen à élevé est votre activité, les ateliers qui n'ont jamais envisagé les machines multibroches CNC peuvent trouver cette nouvelle machine-outil intéressante en tant que complément de traitement aux centres de tournage monopoint ou un alternative aux automatiques.