Ce monde des magasins de matrices et de moules est rond

Pour de nombreux ateliers de fabrication, le travail de moules et de matrices fait généralement référence à la fabrication de pièces asymétriques. Les composants en tôle sont de formes diverses et les pièces en plastique moulées par injection vont des téléphones aux armoires informatiques.

Cependant, il existe, dans le monde de la fabrication de matrices et de moules, un grand nombre de pièces rondes. Les bouchons, les joints, les joints, pour n'en nommer que quelques-uns, sont des pièces qui nécessitent des composants de matrice et de moule ronds.

On a beaucoup écrit sur l'usinage des cavités de moules et des ensembles de matrices pour les pièces asymétriques. Dans cet article, l'accent est mis sur le tournage dur appliqué à la fabrication de composants de moules et de matrices pour produire les nombreuses pièces métalliques et plastiques rondes.

Pour en savoir plus sur ce créneau manufacturier, nous avons visité Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). Il s'agit d'un atelier de travail vieux de 50 ans qui s'est spécialisé dans le tournage dur et l'utilise pour fabriquer des composants de moules et des ensembles de matrices qui produisent des produits ronds.

Nous avons parlé à Dale Schrieber, directeur de l'usine, pour savoir comment Reliance a bénéficié d'un virage serré dans ses processus de production.

Matrices progressives et composées

Les jeux de matrices incorporent un certain nombre de composants. Ce sont souvent des pièces individuelles qui sont montées en haut et en bas des plaques matrices. Cette conception permet d'effectuer des ajustements sur les composants individuels du jeu de matrices plutôt que sur l'ensemble de l'unité.

Dans une matrice progressive, des bobines de tôle sont alimentées entre les moitiés supérieure et inférieure du jeu de matrices. A chaque fermeture de la presse, une pièce complète est éjectée en bout de presse.

Une matrice progressive peut avoir deux, quatre ou même 16 stations différentes pour générer un emboutissage complet. Une fois que la presse a terminé une course, la bobine passe d'un poste de matrice à l'autre. Certains jeux de matrices sont conçus pour estamper progressivement une forme plate, puis plier l'emboutissage en une pièce 3D. Tout cela se fait en une seule pression sur un dé progressif.

Les matrices composées diffèrent des progressives en ce qu'elles créent un estampage complet en un seul coup de presse. Les matrices composées se forment, perforent des trous et façonnent la pièce en un seul coup de presse.

Comme les matrices progressives, les matrices composées sont également fabriquées à partir de composants montés sur les plaques supérieure et inférieure. Ce sont ces composants que Reliance fabrique et assemble en ensembles complets. Pour la plupart de leurs clients, ces composants sont ronds.

Pourquoi tourner dur ?

Il y a environ six ans, Reliance a commencé à expérimenter le tournage dur. L'idée était d'augmenter les opérations de rectification traditionnelles avec un processus plus flexible et capable de faire passer plus de pièces dans l'atelier.

Avant de mettre en œuvre le tournage dur, Reliance fabriquait ses matrices et ses composants de moule de manière traditionnelle. Ils tourneraient grossièrement la pièce en laissant le stock de broyage, puis traiteraient à la chaleur et finiraient de broyer.

Comme dans tout atelier de travail, les pressions pour livrer des pièces toujours plus rapidement motivent une grande partie de la recherche de technologies alternatives. La seule stipulation imposée par Reliance pour rechercher de nouvelles façons de fabriquer des ensembles de matrices et des composants de moules était de fournir à ses clients des pièces aussi bonnes ou meilleures que celles qui avaient été rectifiées.

"Au début, notre approche du tournage dur était un essai et une erreur", explique Jeff Staes, qui a développé le processus de tournage dur chez Reliance. "Les avantages par rapport au meulage ont été immédiatement apparents pour certaines de nos applications."

La plupart des travaux destinés au tournage dur ont des exigences de tolérance de 0,0005 pouce. Mais avec des rayons aussi petits que 0,005 pouce et la nécessité de mélanger les cônes aux rayons, le tournage en un seul point présente des avantages distincts par rapport au meulage. Les conicités, ID et OD, qui sont nécessaires pour les angles de dépouille et la géométrie de la pièce, sont également facilement générées sur un centre de tournage.

"Essayer de maintenir des rayons minuscules ou de générer des cônes avec une meule nécessite un dressage fréquent, ce qui ralentit le processus de production", explique M. Schrieber. "Le meulage de finition des deux derniers millièmes prend également du temps car la meule doit être rectifiée plus fréquemment. Le grain plus fin de la meule de finition se charge plus rapidement qu'une meule d'ébauche qui limite les taux d'enlèvement de métal."

Ce qu'ils ont appris

La clé d'un tournage dur réussi commence par un tournage doux. L'obtention de finitions de surface constantes et de précisions dimensionnelles sur des pièces trempées nécessite la bonne quantité de stock restant après le tournage grossier avant le traitement thermique de l'ébauche.

Les caractéristiques géométriques telles que les sections de parois minces nécessitent souvent plus de stock pour le tournage dur en raison de la tendance à se déformer légèrement lors du traitement thermique. L'idée est d'alourdir les sections minces pour avoir suffisamment de stock pour permettre les changements dimensionnels du traitement thermique.

"Notre appareil de traitement thermique fait du bon travail en minimisant le gauchissement", déclare M. Schrieber. "Ils utilisent des plaques en céramique pour les pièces à section mince ainsi que d'autres techniques pour contrôler les changements dimensionnels. Nous enregistrons même nos pièces avant de les expédier pour un traitement thermique afin de contrôler la cohérence."

Le maintien de la même surépaisseur pour le tournage dur est important en raison de l'usure de l'outil. Généralement, le processus de tournage dur comporte deux étapes :une ou plusieurs passes d'ébauche suivies d'une passe de finition. Enlever le moins de matière possible lors de la passe d'ébauche permet de gagner du temps de production, mais plus important encore, cela permet d'économiser sur l'outil d'ébauche à tournage dur. "L'usure des outils de tournage dur affectera la finition et la taille de la surface lors de la passe finale", déclare M. Staes.

La fraise de choix pour Reliance est le CBN (nitrure de bore cubique). Pour les séries très courtes ou les coupes interrompues, la céramique est utilisée, mais ne s'use pas aussi bien que le CBN pour les séries de production plus importantes.

"CBN a une grande polyvalence", déclare M. Staes. La sélection des inserts est cependant un facteur limitant. "Nous concevons des inserts et les faisons fabriquer spécialement pour nous par nos fournisseurs d'outillage. Nous créons d'autres géométries d'inserts en retravaillant les inserts existants dans les formes dont nous avons besoin", poursuit M. Staes. "Il n'y a pas encore la variété de formes et de géométries de plaquettes pour le CBN, mais ça s'améliore."

Acier à outils dans la coupe

Une grande partie du matériau utilisé par Reliance est de l'acier à outils A-3 et D-2 trempé entre 48 et 64 Rc. Les fraises à plaquettes CBN conviennent parfaitement à ces applications de tournage dur.

Alors que le CBN est le deuxième matériau le plus dur, après le diamant, les inserts fabriqués avec du CBN peuvent être fragiles. Certains processus de tournage doivent être modifiés par rapport à ce qui est considéré comme conventionnel pour tenir compte de cette fragilité.

En général, un insert CBN est fabriqué à partir d'un brasage ou d'une autre jonction d'un bord préformé de matériau CBN à un substrat en carbure. Cette articulation a tendance à être le point faible de la fraise.

Les composants de matrices et de moules doivent avoir une précision dimensionnelle élevée et une excellente finition de surface. Pour atteindre ces objectifs en utilisant le tournage dur, M. Staes a développé quelques lignes directrices.

"La direction de coupe dans un épaulement sur un diamètre extérieur ou intérieur peut être un facteur si une tolérance étroite sur la profondeur et la finition des murs est requise", dit-il. "Plutôt que d'entrer dans la face depuis l'ID ou l'OD, il est préférable de faire d'abord face au mur pour enlever l'excédent de matériau. Laisser entre 0,0005 et 0,0010 pouce de brut pour une passe de finition.

"Une fois la passe d'ébauche terminée et la majeure partie de la matière retirée, la passe de finition peut alors être réalisée dans le mur. Le retrait des 0,0010 pouce restants ou moins de métal réduit la pression de l'outil sur l'insert, en particulier s'il s'agit d'un petit outil à angle d'attaque. la géométrie est utilisée », explique M. Staes.

Lors d'opérations d'alésage, la hauteur du centre de la plaquette est un facteur critique pour maintenir avec succès la taille et la finition. Si la barre fléchit, elle pourrait laisser tomber le tranchant sous la ligne médiane, ce qui réduirait la durée de vie de l'outil et donnerait une mauvaise finition. M. Staes recommande les barres d'alésage en carbure monobloc pour le tournage dur. "Ils réduiront le problème de flexion et donneront une plus grande capacité de profondeur", dit-il.

Considérations relatives à la température et au maintien du travail

Au moment où une pièce est tournée dur, sa valeur a considérablement augmenté. Les coûts cumulés comprennent le matériau, le temps d'usinage grossier et le traitement thermique. Ce n'est certainement pas le moment de supprimer une telle pièce.

Lorsque M. Staes tourne ces pièces, il aime garder un œil sur les outils, surtout lorsqu'il utilise du CBN. Certaines applications peuvent être coupées à sec, mais d'autres sont affectées par les températures élevées du processus d'usinage. Pour contrôler cela, tout en permettant une vue dégagée de la zone de travail, Reliance utilise l'air de l'atelier ou un pistolet à air froid pour maintenir la température de la pièce.

Le serrage est une autre considération pour la fabrication de composants de matrices et de moules ronds. La rondeur est une dimension critique pour bon nombre de ces pièces, qui ont souvent des parois très fines.

« Nous utilisons un mandrin manuel à trois mors de six pouces maintenu par le mandrin hydraulique monté sur le centre de tournage », explique M. Staes. "Les mâchoires souples du mandrin manuel sont percées sur la machine avec une concentricité de 0,0005 pouce."

Techniques d'inspection

Une grande partie du travail sur les composants de matrices et de moules effectué par Reliance est relativement facile à inspecter pour la précision dimensionnelle et la finition de surface. Ils disposent de tous les équipements d'inspection, de la documentation et des techniques de traçabilité nécessaires pour se qualifier pour ANSI/ASQC Q9001-1994 et ISO 9000.

Mais certaines des pièces produites ne sont pas si faciles à mesurer. Reliance a développé une technique intéressante pour vérifier les caractéristiques cachées dans les identifiants et autres endroits difficiles d'accès sur une pièce.

"Pour les formulaires ID et OD, nous avions l'habitude de couper périodiquement un morceau en deux pour vérifier les caractéristiques", explique M. Schrieber. "Maintenant, nous utilisons un matériau dentaire [un polysilicone vinylique à haute viscosité] pour prendre une empreinte de la caractéristique. Ce matériau est ensuite vérifié sur un comparateur optique. C'est une technique qui a bien fonctionné pour nous et qui est très précise lorsqu'elle est effectuée correctement."

Partenariat Job-Shop

Reliance s'est forgé une réputation impressionnante dans la fabrication de composants de moules et de matrices ronds. "Beaucoup de nos meilleurs clients sont d'autres ateliers d'outillage qui ont besoin de notre expertise dans la production de pièces rondes", déclare M. Schrieber. "Surtout si une application difficile à rectifier se présente. Nous obtenons beaucoup d'affaires pour le tournage dur."

Appelez cela un partenariat ou une spécialisation, les magasins qui se considéraient autrefois comme des concurrents travaillent ensemble pour livrer de bonnes pièces aux clients. Il s'agit d'une tendance dans l'exploitation d'ateliers sous contrat qui reflète les réalités de l'environnement de fabrication d'aujourd'hui.

Des magasins comme Reliance fournissent des services spécialisés à d'autres ateliers qui ont besoin de ces spécialités. De même, lorsque Reliance rencontre un problème de processus au-delà de ses capacités, il sollicite l'aide d'autres ateliers.

La normalisation de la documentation des processus à l'aide des techniques ISO 9000 et autres aide les ateliers à faire des affaires ensemble. Il est évident en examinant la documentation du processus si un magasin peut faire ce qu'il dit
peut faire.

Résultats

Reliance, comme la plupart des autres ateliers de travail, subit une pression extrême de la part de ses clients pour réduire les délais de livraison. Cette pression est générée par des cycles de vie raccourcis des produits et des programmes d'amélioration continue au sein de ces entreprises.

En plus de fabriquer des matrices et des composants de moules pour d'autres entreprises, Reliance possède une belle entreprise de fabrication en interne. Ils fabriquent eux-mêmes de nombreux estampages.

« Le tournage dur nous a permis de réduire les livraisons à nos clients d'une moyenne de 16 à 18 semaines à six », déclare M. Schrieber. "Cela nous a également permis de faire affaire avec d'autres ateliers de moules et matrices qui n'ont pas l'expertise en tournage mais qui voient les avantages du tournage dur plutôt que de la rectification pour certaines applications.

"Notre propre opération d'emboutissage est devenue, en fait, un site de test bêta pour de nouveaux processus et techniques. Nous les essayons nous-mêmes avant de les essayer sur l'application d'un client", ajoute M. Schrieber.

Pour Reliance, le tournage dur semble fonctionner. Les ventes ont augmenté de 44 %, la clientèle s'élargit et la croissance devrait se situer entre 15 et 20 % au cours des prochaines années.