Un processus à cinq axes, 10 éléments d'automatisation

L'automatisation est évidente même pour un œil non averti lorsqu'il observe la nouvelle machine à cinq axes de Phoenix Proto avec un pool de palettes à six stations et un système de chargement de palettes (il en va de même pour l'une de ses machines à trois axes équipées de la même manière). Cela dit, il existe d'autres éléments d'automatisation, peut-être plus subtils, qui composent le processus en cinq axes de l'atelier. En fait, ce sont ces éléments qui permettent au processus d'atteindre à plusieurs reprises les tolérances et les finitions de surface requises pour les composants du moule en aluminium de l'atelier tout en s'ajustant aux variables inhérentes qui peuvent affecter négativement la précision et le débit d'usinage.

Ce point concernant le débit est important, car l'objectif de l'atelier de Centreville, dans le Michigan, est de fournir des moules en aluminium assemblés aux clients dans un délai de trois semaines. Il est donc impératif d'obtenir rapidement des composants d'outillage usinés de qualité.

Bob Lammon, président de l'entreprise, affirme que l'aluminium continue d'être couramment utilisé pour fabriquer des prototypes et des outillages "ponts" (moules utilisés temporairement pour permettre à une entreprise de commencer le moulage par injection de pièces en plastique pour de nouveaux produits en attendant que l'outillage de production d'acier soit terminé). Cependant, il constate un intérêt accru pour les moules en aluminium utilisés pour la production à la place des moules en acier traditionnels.

« En fonction de la géométrie et de la résine de la pièce moulée par injection, il est possible d'obtenir 50 000 coups à partir d'un moule en aluminium non revêtu », explique M. Lammon. « Dans certains cas, cela peut suffire à répondre aux besoins de production. Cependant, en durcissant les moules en aluminium à 54 HRC via une technologie telle que le procédé de revêtement au nickel dur Nibore que nous utilisons, il est possible d'obtenir 1 million de coups ou plus pour une résine non abrasive, et peut-être 250 000 pour une résine abrasive remplie de verre. ."

Les applications des moules produits par l'atelier sont très variées, y compris des pièces pour les industries de l'électroménager, de l'automobile, de la consommation, de la médecine et des armes à feu. Cela conduit à un mélange élevé de tailles, de caractéristiques et de géométries de moules que la zone d'usinage doit prendre en charge en peu de temps. Selon M. Lammon, la solution naturelle semblait être d'automatiser un processus d'usinage à cinq axes à grande vitesse pour réaliser de longues périodes de production sans surveillance/sans éclairage pour les composants de moules les plus complexes. C'est ce qu'il réalise, comme je l'ai appris lors d'une récente visite à la boutique du Michigan.

Ajouts d'automatisation

Phoenix Proto dispose de trois machines à grande vitesse et de trois machines CNC conventionnelles. Le premier centre d'usinage automatisé ajouté par l'atelier était une machine à trois axes Roeders RXP500 achetée en 2012. Cette machine à moteur linéaire de 42 000 tr/min est équipée d'un système de changement de palettes RCE 1 avec un pool de palettes à six stations. Il est maintenant principalement utilisé pour l'usinage de composants tels que les bases de moules et les blocs d'empreintes.

Aujourd'hui, presque tout l'usinage des cavités et des noyaux de moules est effectué sur le nouveau Roeders RXP601DSH à cinq axes avec un plus grand système de changement de palettes RCE 2. Il s'agit de la première et (du moins pour l'instant) seule machine à cinq axes de l'atelier, installée début 2016. Comme la Roeders à trois axes à grande vitesse, elle dispose également d'une broche à 42 000 tr/min et d'entraînements par moteur linéaire. avec une résolution de 1 nanomètre. Les moteurs linéaires sont essentiels pour un mouvement rapide, permettant des vitesses de déplacement rapides de 2 362 ipm. Ils offrent également moins de frottement que les vis à billes, ce qui entraîne une consommation d'énergie inférieure.

La machine à cinq axes avec une enveloppe d'usinage de 21,3 x 25 x 15,7 pouces et un poids de pièce maximal de 440 livres présente une conception de style tourillon avec un pivotement de l'axe A allant jusqu'à ± 115 degrés. L'autre mouvement de rotation est assuré par le plateau de l'axe C sur le tourillon. Selon Matt Byers, président de Roeders of America, la conception du tourillon dans laquelle la broche ne fournit aucun mouvement d'axe de rotation a tendance à être plus rigide que les autres plates-formes de machine à cinq axes pour permettre des coupes lourdes. De plus, le centre de gravité bas de la pièce à usiner maintient les forces d'inertie à un faible niveau afin d'atténuer tout effet de basculement ou d'inclinaison lors d'un mouvement à grande vitesse.

M. Byers pense également que la technologie de contrôle exclusive de la machine offre des avantages pour le type de fraisage à grande vitesse effectué par Phoenix Proto. Deux paramètres importants pour faciliter un fraisage à grande vitesse efficace sont la vitesse d'anticipation et la vitesse de traitement des blocs. La CNC RMS6 basée sur PC de la machine offre une anticipation de 10 000 blocs et une vitesse de traitement des blocs de 0,1 milliseconde.

Le rendement élevé rendu possible par les temps de cycle rapides de la machine utilisant des techniques d'usinage à grande vitesse est complété par tous les éléments d'automatisation qui sont intégrés à ce processus. Voici 10 éléments d'automatisation que j'ai remarqués lors de ma visite :

1. Système de chargement et pool de palettes

Le système de changement de palette automatique RCE 2 de la machine à cinq axes dispose d'un pool de palettes à six stations, bien que l'atelier fixe parfois plus d'une pièce sur une palette. Chaque palette mesure 23,6 sur 15,7 pouces.

À la demande de Phoenix Proto, la pince du système de chargement a été modifiée. A l'origine, aucune pièce ne pouvait dépasser des bords de la palette. En modifiant le préhenseur pour qu'il prélève depuis le bas de la palette, le système peut désormais charger des pièces plus grandes. Désormais, la taille des pièces n'est limitée que par la capacité de la machine, et non par le chargeur.

L'atelier utilise le logiciel de gestion des travaux de Roeders pour planifier et gérer les travaux. Il essaie de programmer les longs pour qu'ils fonctionnent la nuit et les week-ends, exécutant actuellement un quart de 12 heures cinq jours par semaine. Alternativement, il essaie de s'assurer qu'il y a suffisamment de tâches à exécution plus courte configurées pour permettre à la machine de rester occupée par elle-même.

2. Machine

L'usinage cinq axes est lui-même une forme d'automatisation. Il existe deux types de processus cinq axes :le contournage et le positionnement (appelé aussi « 3+2 »). Phoenix Proto effectue un positionnement 3+2 sur cette machine 75 % du temps. Pour cela, la machine utilise ses deux axes rotatifs supplémentaires uniquement pour incliner angulairement la pièce à usiner puis la verrouille dans cette position. Après cela, il effectue ce qui équivaut à une opération à trois axes dans cette orientation. L'un des avantages est que cela permet à l'outil d'accéder aux cinq côtés d'une pièce en un seul montage. Cela minimise le nombre de configurations, le nombre de machines qu'une pièce pourrait autrement devoir traverser et, par conséquent, le nombre de fois qu'une pièce est "touchée" pendant la production (c'est-à-dire qu'il s'agit d'une "automatisation").

La capacité d'inclinaison des pièces via 3 + 2 permet également aux outils d'atteindre loin dans les pièces pour créer des éléments de moule délicats tels que des nervures profondes. Dans certains cas, cela a éliminé les opérations secondaires d'EDM par enfonçage et le besoin associé d'usiner les électrodes. De plus, les porte-outils frettés utilisés ont des diamètres plus petits que les conceptions de type pince pour fournir un dégagement supplémentaire.

Avec 3+2, l'atelier peut également utiliser des couteaux plus courts et plus rigides. Des coupes plus rapides et plus agressives peuvent être effectuées à l'aide d'outils plus courts sans autant de risques de vibrations ou de broutages qui peuvent se produire si des outils plus longs sont nécessaires. Les vibrations et les broutages peuvent entraîner de mauvaises finitions de surface, ce qui, dans le cas de Phoenix Proto, nécessiterait plus de travail manuel sur banc pour les composants du moule ou même un travail EDM secondaire pour obtenir des finitions de qualité, prolongeant ainsi le temps de production global. L'atelier est également en mesure d'améliorer la durée de vie de l'outil pour les fraises sphériques, car lorsque les pièces sont inclinées à différents angles, une plus grande partie du rayon de l'outil peut être utilisée, pas seulement la pointe. L'usinage sur d'autres zones du rayon et non sur la pointe (le point où la vitesse de rotation est nulle) conduit également à de meilleurs états de surface.

3. Palpage à déclenchement par contact

Une fois qu'une nouvelle pièce est chargée dans la machine, une routine de palpage automatique avec une sonde à déclenchement par contact identifie l'emplacement de plusieurs points sur la pièce ou le dispositif de serrage pour établir l'emplacement exact de la pièce sur la machine. La CNC de la machine ajuste ensuite automatiquement le système de coordonnées de travail natif pour le faire correspondre. Cela élimine le calage manuel, le décalage des pièces et d'autres tâches fastidieuses qui seraient autrement nécessaires pour mettre la pièce à niveau et alignée afin qu'elle corresponde parfaitement au système de coordonnées de la machine.

4. Cycle d'étalonnage automatique

La machine à cinq axes possède divers canaux de refroidissement dans sa base, ses rails, ses chariots, etc., de sorte que ces composants ne se dilatent pas en raison de sources de chaleur internes. Cependant, pour s'adapter aux fluctuations de la température ambiante à l'intérieur d'un magasin (disons du début d'une journée à la fin de la journée), un cycle d'étalonnage automatique à l'aide de la sonde à déclenchement par contact peut être effectué.

Le cycle d'étalonnage Roeders est effectué différemment des processus de la plupart des autres constructeurs de machines-outils, explique M. Byers. Il dit que ces cycles exigent généralement que la palette actuellement chargée dans la machine soit retirée et remplacée par une autre palette dotée d'une boule d'outillage. Cette balle est ensuite sondée pour déterminer le degré de déplacement de son emplacement en raison des changements de température ambiante de l'atelier. Inversement, le cycle Roeders ne nécessite pas le retrait de la palette existante avec la pièce à usiner. La machine est dotée de prismes rectifiés avec précision sur son moulage de bras de tourillon et son moulage de moteur d'axe C qui sont sondés pour déterminer tout changement de position et, si nécessaire, compenser automatiquement ces changements. Phoenix Proto effectue cette routine d'étalonnage une fois par mois à moins qu'un problème ne soit remarqué et l'exécute parfois avant une passe de finition critique.

5. Compensation de la croissance de la broche

M. Byers explique que certains constructeurs de machines-outils créent des algorithmes pour chaque machine avant de l'expédier à un client afin d'estimer l'expansion de sa broche à différentes vitesses et durées de fonctionnement. Cependant, il note qu'il est essentiellement impossible de tenir compte de toutes les différentes façons dont le client pourrait utiliser la machine d'un jour à l'autre. La machine à cinq axes de Phoenix Proto dispose d'un système de compensation automatique de la broche en option pour s'adapter à l'expansion (ou à la contraction) de la broche en temps réel. Le système utilise un capteur sans contact attaché à un bras en forme de L positionné près de la face de la broche (voir la photo dans le diaporama ci-dessus). Le capteur avec une résolution nanométrique détecte l'expansion ou la contraction de la broche pendant le fonctionnement et renvoie cette information à la CNC pour ajuster l'axe Z vers le haut ou vers le bas pour compenser. Ceci est particulièrement important pour les opérations à cinq axes, car lorsqu'une pièce est inclinée, la croissance de la broche peut affecter l'emplacement de l'info-bulle sur les trois axes linéaires, et pas seulement sur Z. La compensation automatique permet d'assurer des finitions de surface et des mélanges bons et cohérents.

6. Réglage de l'outil laser sur machine

Après chaque changement d'outil, la longueur et le diamètre du nouvel outil sont automatiquement mesurés à l'aide du palpeur de réglage d'outil laser Blum sur machine. (Le palpeur laser ainsi que la bille de l'outil d'étalonnage du palpeur tactile sont situés à l'extérieur de la zone d'usinage dans le changeur d'outils afin d'être protégés contre les copeaux et le liquide de refroidissement.) L'atelier spécifie une bande de tolérance pour le diamètre de chaque outil. Si le palpeur détecte que le diamètre d'un outil est hors tolérance, il ne permettra pas d'effectuer l'usinage avec cet outil. Par exemple, si une fraise boule de 0,250 pouce mesure ± 0,0002 trop grande ou trop petite, elle ne sera pas utilisée. Cela s'applique également à la longueur de la fraise.

Auparavant, le laser détermine si l'outil à remplacer est cassé. Si l'outil est en panne, mais qu'il est programmé pour être utilisé sur des tâches ultérieures mises en file d'attente dans le pool de palettes, il n'arrêtera pas la production de ces tâches. "Par exemple, si l'outil en position ATC cinq s'avère cassé, la machine retirera la pièce dans laquelle cet outil s'était cassé, chargera le travail programmé suivant et exécutera ce travail jusqu'à ce qu'il atteigne le stade où l'outil dans la station cinq serait utilisé », explique Scott, le fils de M. Lammon, directeur des opérations de l'entreprise et l'un des deux qui programment et configurent la machine à cinq axes. « Ensuite, la machine retirait cette pièce et passait au travail suivant dans la file d'attente. Ce processus se poursuivrait pour chaque tâche chargée. »

7. Réglage de la buse de liquide de refroidissement

Plutôt que d'utiliser uniquement des buses de refroidissement flexibles conventionnelles qui doivent être positionnées manuellement, la machine à cinq axes dispose d'un système de distribution de liquide de refroidissement qui ajuste automatiquement la direction du flux de liquide de refroidissement au point de coupe, quelle que soit la longueur de l'outil. La direction des buses est ajustée via un code M basé sur la longueur connue du prochain outil installé dans la broche.

8. Fonction de programmation d'inclinaison automatique

Chris Claar est le directeur technique de Phoenix Proto qui programme et configure également la machine à cinq axes. Il raconte qu'en 2010, l'atelier a réalisé une étude de temps comparant son ancien logiciel de CAO/FAO avec le logiciel Cimatron. « Nous sommes passés à Cimatron après que notre étude ait montré un gain de temps de programmation de 30 % par rapport aux autres logiciels », explique M. Claar. « Une fonctionnalité qui permet de gagner du temps et que nous apprécions est la fonction d'inclinaison automatique sur cinq axes. Parce que nous avons tous les composants de la machine ainsi que la pièce, la fixation et l'outillage modélisés en 3D dans le logiciel, la fonction d'inclinaison automatique est capable de déterminer à quelle profondeur la fraise ou le porte-outil toucherait la pièce, puis inclinerait automatiquement la pièce pour empêcher le planter et permettre à l'opération de continuer. Le logiciel utilise également ces modèles 3D pour permettre aux programmeurs d'effectuer une simulation hors ligne des opérations d'usinage afin de détecter les pannes potentielles.

9. Vérification de la syntaxe

En plus des programmeurs exécutant des simulations hors ligne dans Cimatron pour chaque programme, ils utilisent également une fonction de vérification de la syntaxe dans le contrôle Roeders qui relit automatiquement le programme et le post-processeur pour identifier toute erreur avant que ce travail ne soit planifié.

10. Redémarrage du programme

S'il est nécessaire d'arrêter la machine au milieu d'un programme, il n'est pas nécessaire que le programmeur entre manuellement dans le programme affiché, recherche le numéro de ligne à laquelle la machine a été arrêtée, puis efface tout le code au-dessus. il redémarre donc à la position appropriée à laquelle il s'était arrêté. Avec le contrôle Roeders, un opérateur entre simplement le numéro de ligne dans le fichier de commande, et il lira automatiquement le programme et redémarrera à partir de là.

Automatisation Tranquillité d'esprit

Bien que la stratégie d'usinage sans surveillance de Phoenix Proto ait fait l'objet de nombreuses réflexions, Phoenix Proto se rend compte que l'inattendu peut se produire. C'est pourquoi les machines Roeders à trois et cinq axes sont configurées pour envoyer des alertes par SMS ou par e-mail avec des messages d'erreur. Il est également possible de se connecter à distance aux commandes des machines via le logiciel en ligne "Team Viewer", tout comme les techniciens de service de Roeders peuvent effectuer des diagnostics à distance de la machine pour avoir une idée si un composant doit être remplacé, si un lecteur doit être remplacé. être à l'écoute et ainsi de suite. (En fait, le réglage du lecteur peut être effectué à distance à l'aide de ce logiciel, explique M. Byers.)

Cela dit, la boutique a une autre option. Il a accroché une caméra au plafond entre les deux machines Roeders auxquelles ses programmeurs peuvent accéder via leurs téléphones pour voir ce qui se passe (voir la photo dans le diaporama en haut de cette page). Ils peuvent faire un panoramique de la caméra et zoomer sur une machine ou son écran CNC pour voir (et entendre) l'état des tâches en cours d'exécution. «Aussi occupés que nous soyons maintenant, je vais vérifier sur mon téléphone à certains moments de la nuit, car une machine en panne peut vraiment perturber notre emploi du temps», déclare M. Claar. "C'est comme si je me tenais devant la machine."