Le succès de l'usinage nécessite un équilibre productif

Présentation

Pour produire une vaste gamme de pièces à partir de matériaux très différents, les fabricants utilisent une variété de procédés d'usinage. Quoi qu'il en soit, l'objectif commun de tous les fabricants est de créer un certain nombre de pièces d'une qualité souhaitée, dans un délai spécifié et à un coût approprié.

De nombreux fabricants atteignent cet objectif en suivant un modèle à perspective étroite qui commence par la sélection et l'application des outils et la résolution des problèmes sur une base réactive. Inverser cette approche, cependant, peut réduire les coûts et augmenter l'efficacité. Au lieu d'attendre que des problèmes surviennent, puis d'apporter des ajustements aux opérations d'usinage individuelles, les fabricants doivent d'abord se concentrer sur une planification préalable proactive visant à éliminer les pièces rejetées et les temps d'arrêt imprévus. Une fois qu'un processus stable et fiable a été établi, l'application des concepts d'économie de production peut aider les fabricants à trouver un équilibre entre le taux de production et les coûts de fabrication. Ensuite, en s'appuyant sur des opérations sûres et économiquement solides, les fabricants peuvent sélectionner des outils et des conditions de coupe qui optimiseront pleinement le processus d'usinage.

Économie de la production

Avant de prendre des mesures pour optimiser la coupe du métal, il est essentiel que les processus soient sûrs et fiables, sans pièces défectueuses ou temps d'arrêt imprévus. La sécurisation des processus nécessite la création d'un environnement de production stable. Les domaines que les fabricants doivent analyser comprennent la maintenance des machines-outils, la programmation FAO, les systèmes de porte-outils et l'application de liquide de refroidissement. L'automatisation de la manipulation des tâches, comme les systèmes de chargement/déchargement de palettes ou de pièces robotisées, pourrait également faire partie de l'évaluation.

L'art et la science de l'économie de la production visent à assurer une sécurité maximale et une prévisibilité du processus de fabrication, tout en maintenant la productivité la plus élevée et les coûts de production les plus bas. Lorsque le processus et l'environnement de coupe du métal sont sûrs et prévisibles, l'économie de la production devient une quête bidimensionnelle :trouver un équilibre entre la production et les coûts de fabrication qui convient à la situation spécifique d'un fabricant. Par exemple, dans la production de masse de pièces simples, la maximisation de la production à des coûts minimaux peut être la principale considération. D'un autre côté, dans la fabrication à grande échelle et à faible volume de pièces complexes de valeur, l'accent doit être mis sur la fiabilité et la précision totales avant de s'attaquer aux coûts de fabrication.

Micro versus macro

L'approche traditionnelle pour maximiser le rendement de coupe des métaux implique un micro-modèle à perspective étroite basé sur l'optimisation d'outils individuels dans des opérations individuelles. Les modèles macro, quant à eux, considèrent les processus de fabrication dans une perspective plus large. Ces modèles se concentrent sur le temps total d'un étage à l'autre nécessaire pour produire une pièce donnée.

La relation entre les modèles micro et macro économiques peut être comparée à la perspective d'un artiste lors de la création d'une peinture. Le micro-modèle se concentre sur des détails individuels, de la même manière qu'un artiste se concentrerait sur des coups de pinceau individuels. Le modèle macro prend du recul et visualise le processus de production de la pièce dans son ensemble, comme dans la visualisation d'une peinture dans son intégralité. Il est clair que l'attention aux détails est nécessaire, mais pas au prix d'ignorer l'objectif global de l'effort.

Coûts cachés

Une fixation exagérée sur les détails peut détourner l'attention du résultat final du processus. Par exemple, il est désavantageux de réduire le temps de coupe de dix secondes lorsqu'il est réalisé avec un outil supplémentaire qui ajoute dix minutes au temps de configuration et d'indexation. De même, travailler pour atteindre une qualité de produit au-delà des exigences des clients augmentera les coûts et le temps de production. Presque sérieusement, on pourrait se demander :"Combien de temps faudrait-il et combien cela coûterait-il pour produire la pire pièce possible, qui soit toujours fonctionnellement acceptable ?"

Coûts d'exploitation

Les modèles de coûts d'usinage peuvent également représenter des micro- et macro-perspectives. Les micro-modèles considèrent les processus de coupe d'un point de vue étroit, liant directement les conditions de coupe aux coûts de réduction. Les modèles macro-économiques fonctionnent dans une perspective plus large, mettant l'accent sur le temps global nécessaire pour produire une pièce donnée.

Les fabricants mesurent le taux de production de différentes manières, des pièces achevées sur une période de temps à la durée totale nécessaire pour terminer une opération. De nombreux facteurs affectent le taux de production, notamment les exigences de géométrie des pièces et les caractéristiques des matériaux, le flux de produits dans une installation, l'apport de personnel, la maintenance, les équipements périphériques et les problèmes d'environnement, de recyclage et de sécurité.

Certains éléments des coûts de fabrication sont fixes. La complexité et le matériau de la pièce dictent généralement le type et le nombre d'opérations d'usinage nécessaires pour fabriquer une pièce. Les coûts d'acquisition et d'entretien des machines-outils d'une installation et la puissance nécessaire pour les faire fonctionner sont essentiellement des coûts fixes. Les coûts de main-d'œuvre sont un peu plus flexibles, mais sont effectivement fixes, au moins à court terme. Ces coûts doivent être compensés par les revenus de la vente de composants usinés. L'augmentation du taux de production - la vitesse à laquelle les pièces sont transformées en produits finis - peut compenser les coûts fixes.

Optimisation individuelle

Une fois que l'image globale de la productivité et de la rentabilité d'un processus est équilibrée et optimisée sur une base macro, les fabricants peuvent réaliser d'autres améliorations en optimisant soigneusement les opérations individuelles. Les conditions de coupe - à savoir la profondeur de coupe, l'avance et les vitesses de coupe - jouent un rôle clé dans l'équilibre entre la productivité et les coûts. L'un ou l'ensemble des trois peut contribuer à réduire le temps d'usinage, mais l'impact de chacun sur la fiabilité du processus varie considérablement. La profondeur de coupe n'a essentiellement aucun effet sur la durée de vie de l'outil. L'avance affecte légèrement la durée de vie de l'outil. Cependant, l'impact de la vitesse de coupe sur la durée de vie de l'outil, ainsi que sur la fiabilité du processus de coupe, est significatif.

De nombreux directeurs d'atelier pensent que le simple fait d'augmenter les vitesses de coupe produira plus de pièces par période de temps et réduira ainsi les coûts de fabrication. C'est généralement vrai, mais des compromis sont nécessaires. En général, plus une opération s'exécute rapidement, moins elle devient stable. Les vitesses élevées génèrent plus de chaleur qui affecte à la fois l'outil et la pièce. L'usure de l'outil se produit plus rapidement et est moins prévisible, et l'usure ou les vibrations de l'outil peuvent entraîner une variation des dimensions de la pièce et une détérioration de la finition de surface.

Un outil peut casser et abîmer la pièce. De plus, un processus fonctionnant aux limites extérieures de la fiabilité est généralement incapable de fonctionner sans surveillance ou semi-surveillé, ce qui élimine une source potentielle d'économies de main-d'œuvre. Des vitesses de coupe extrêmement élevées et des paramètres d'usinage agressifs peuvent augmenter les coûts de maintenance de la machine et même les temps d'arrêt résultant de pannes de la machine.

Conscient de ces enjeux, l'ingénieur mécanicien américain F.W. Taylor, au début du 20 ^e siècle, a développé un modèle pour la détermination de la durée de vie de l'outil. Le modèle montre que pour une combinaison donnée de profondeur de coupe et d'avance, il existe une certaine fenêtre pour les vitesses de coupe où la détérioration de l'outil est sûre, prévisible et contrôlable. Le modèle de Taylor permet de quantifier la relation entre la vitesse de coupe, l'usure de l'outil et la durée de vie de l'outil, en équilibrant la rentabilité et la productivité et en fournissant une image claire de la vitesse de coupe optimale pour une opération.

En général, les fabricants doivent sélectionner les plus grandes profondeurs de coupe et les vitesses d'avance les plus élevées possibles pour chaque opération, en fonction de la stabilité du serrage de l'outil, de la fixation de la pièce et de la machine-outil, ainsi que de la puissance de la machine-outil. La sécurité opérationnelle, en ce qui concerne la formation et l'évacuation des copeaux, les vibrations et la déformation de la pièce, doit également être prise en compte. Une approche équilibrée implique des vitesses de coupe réduites associées à des augmentations proportionnelles de la vitesse d'avance et de la profondeur de coupe. L'utilisation de la plus grande profondeur de coupe possible réduit le nombre de passes de coupe nécessaires et réduit ainsi le temps d'usinage. La vitesse d'alimentation doit également être maximisée, bien que la qualité de la pièce et les exigences de finition de surface puissent être affectées par des vitesses d'alimentation excessives. Dans la plupart des cas, l'augmentation de la vitesse d'avance et de la profondeur de coupe tout en maintenant ou en réduisant les vitesses de coupe produira des taux d'enlèvement de métal égaux à ceux obtenus par des vitesses de coupe plus élevées seules.

Les coûts de production sont la somme des coûts d'outillage et des coûts de machine. Avec l'augmentation des vitesses de coupe, les temps d'usinage deviennent plus courts et les coûts de la machine diminuent. Cependant, à partir d'un certain point, les coûts globaux augmentent car une durée de vie plus courte augmente suffisamment le coût de l'outillage et les temps de changement d'outil pour dépasser les économies réalisées sur le coût de la machine.

Lorsqu'une combinaison stable et fiable de vitesse d'avance et de profondeur de coupe a été atteinte, les vitesses de coupe peuvent être utilisées pour l'étalonnage final de l'opération. L'objectif est une vitesse de coupe plus élevée qui réduit les coûts de temps machine mais n'augmente pas excessivement les coûts d'outils de coupe via une usure accélérée des outils.

Problèmes non coupants

Les questions d'environnement et de sécurité représentent des facteurs de plus en plus importants dans l'économie de la production. Les fabricants sont sous pression pour économiser l'énergie. L'utilisation et l'élimination des liquides de refroidissement et des huiles de coupe sont de plus en plus réglementées et coûteuses. Une approche équilibrée des conditions de coupe peut aider les fabricants à faire face à ces problèmes et à d'autres similaires. Des vitesses de coupe plus faibles combinées à une vitesse d'avance accrue et à des profondeurs de coupe plus petites réduisent la quantité d'énergie nécessaire pour enlever le métal. Des conditions équilibrées augmentent également la durée de vie de l'outil, réduisant la consommation d'outils et les problèmes d'élimination. Une consommation d'énergie plus faible entraîne une génération de chaleur réduite, offrant des possibilités d'usinage avec un minimum ou pas de liquide de refroidissement.

Conclusion

Adopter des concepts d'économie de production nécessite de faire une analyse globale de l'environnement d'usinage et d'accepter des modes de pensée qui vont à l'encontre de nombreuses pratiques établies de coupe des métaux. Cependant, la mise en œuvre des stratégies recommandées peut améliorer les économies de coûts et la qualité des pièces et permettre une production plus respectueuse de l'environnement, tout en maintenant la productivité et la rentabilité dans un processus de fabrication globalement stable et fiable.

Perspective à l'échelle de l'établissement

Les avantages de la visualisation des processus d'usinage dans une perspective macro s'étendent au-delà des opérations de coupe de métal individuelles. Une vision large considère l'interrelation de toutes les étapes de la production. Un exemple simplifié implique deux machines-outils utilisées en série pour produire un composant. Si la machine-outil A est optimisée pour augmenter sa production mais que les résultats de la machine B ne peuvent pas être améliorés, les pièces de la première machine attendront la seconde en tant que stock semi-fini, ce qui augmentera les coûts. Dans ce cas, la simple optimisation des coûts de coupe (plutôt que de la production) sur la première machine réduirait le coût d'usinage global tout en maintenant la production.

D'un autre côté, dans une situation où la machine B est inactive en attendant de traiter des pièces de la machine A, l'augmentation de la production de la première machine augmentera la production totale. Tout dépend si le flux de production de l'atelier est organisé en ligne, en lot ou en séquence parallèle.

Les coûts d'acquisition des machines-outils peuvent également être évalués par rapport à l'activité globale d'un fabricant. Une situation typique implique un atelier utilisant une fraiseuse à pleine charge 40 heures par semaine et décidant de la remplacer par une machine plus chère, plus sophistiquée et plus rapide. Cependant, lorsque la nouvelle machine est opérationnelle, elle passe la moitié du temps à rester inactive.

L'atelier est confronté au défi et aux dépenses de trouver plus de travail pour occuper la nouvelle machine et justifier l'investissement. De plus, un travail qui tire pleinement parti des capacités de la nouvelle machine peut ne pas être adapté au reste des opérations ou des marchés de l'atelier. La meilleure voie aurait été d'abord d'examiner la situation dans son ensemble et d'anticiper ce qui résulterait de la plus grande production de la nouvelle machine. Une machine moins chère et moins avancée peut mieux correspondre aux exigences actuelles et prévues en matière de pièces et aux volumes de production. Associée à l'ancienne machine, une machine-outil choisie avec plus de soin pourrait également offrir une flexibilité et une redondance accrues pour gérer les temps d'arrêt programmés ou imprévus de la machine.

Adopter une vision globale de l'optimisation des processus peut également impliquer des actions et des analyses très basiques et simples. L'examen des outils utilisés donne une vue d'ensemble de ce qui se passe dans un atelier. Par exemple, si un atelier utilise généralement des plaquettes avec des arêtes de coupe de 12 mm de long mais que les motifs d'usure des outils n'atteignent que 2 mm ou 2½ mm, l'atelier utilise probablement des plaquettes beaucoup trop grandes pour ce qu'il fait. Des outils avec des arêtes de coupe de 6 mm seraient plus que suffisants, et un outil avec des arêtes de coupe de 6 mm de long est nettement moins cher qu'un outil avec une arête de coupe de 12 mm. Une observation aussi simple peut réduire les coûts d'outillage de 50 % sans affecter la productivité.

Précédemment présenté sur SecoTools.com.