Le tournage quasi net ouvre la voie à une automatisation plus simple

Le tournage quasi net (NNS) est une tendance qui s'est imposée dans le courant dominant de la fabrication au cours des deux dernières décennies. L'idée est maintenant comprise par presque tout le monde dans le secteur manufacturier. À la base, le tournage NNS signifie simplement tourner des pièces qui ont été formées ou coulées près des dimensions finales. Les implications de cette méthode continuent de se déployer à mesure que les machines, les outils et les processus intègrent de nouveaux développements et idées.

La plupart des tournages NNS impliquent l'usinage de très peu de fonctions sur une pièce; souvent un ou deux, rarement plus de trois. Le tournage NNS produit souvent des difficultés de serrage car les pièces typiques sont souvent à section mince, ou sont coulées ou formées sans référence de fixation ou de mesure. Étant donné que l'opération de tournage NNS typique est l'opération de finition finale, nous pouvons ajouter qu'elle entre généralement dans la catégorie du tournage, de l'alésage ou du surfaçage de haute précision.

L'implication la plus importante du virage NNS, cependant, est la façon dont il a influencé les tendances de l'automatisation. Lorsque le temps de fabrication des copeaux devient une partie plus petite des temps de cycle totaux, la gestion du travail et le changement d'outil apparaissent comme les principaux obstacles à une meilleure efficacité. Le tournage NNS a évolué pour s'adapter très bien à la manipulation de travail la plus simple et au changement d'outil, une tendance qui s'est étendue quelque peu au-delà du tournage NNS lui-même, remettant en question la sagesse conventionnelle sur la complexité qui est bonne pour l'efficacité de la fabrication et la rentabilité globale.

Faire entrer et sortir les pièces rapidement

"Notre travail consiste à faire entrer et sortir les pièces de la machine aussi rapidement que possible et de la manière la plus cohérente possible", explique Dan Kruse, directeur des opérations de Bearing Technologies, Inc., Div. de MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Il fait référence aux courses des roulements fabriqués par sa société, usinés à partir de sections coupées à longueur de tubes en acier 4118. Bien que le travail ne soit que marginalement une opération de forme quasi nette (car jusqu'à 0,080 pouce de stock est retiré en trois passes maximum de l'outil de coupe), il utilise la technologie d'automatisation et l'approche globale du processus que le tournage NNS a favorisé.

Bearing Technologies utilise deux machines à outils multiples à quatre axes, reliées entre elles dans une cellule au moyen d'un système de transfert de type portique linéaire. Les machines de cette cellule reflètent l'influence du tournage NNS sur la conception des machines de tournage de production. Petites, étroitement couplées et avec une capacité pour seulement un ou deux outils sur chacun des deux blocs d'outillage montés sur glissières croisées ("gang"), ces machines Wasino SS-8 se concentrent sur le tournage de petites pièces qui nécessitent l'usinage de seulement quelques-uns. fonctionnalités.

Sans tourelles à indexer, le changement d'outil est rapide. De même, le temps de coupe est minimisé grâce à la coupe simultanée à quatre axes et à deux outils. Mais seulement 15 % des temps de cycle courts de 30 à 40 secondes des pièces impliquent une manipulation de travail. Les temps de chargement et de déchargement ont été réduits autant que l'état de l'art le permet.

Bearing Technologies utilise l'exemple extrême d'un chargement et d'un déchargement simple et rapide :un système de goulotte alimenté par gravité alimente les pièces en une ligne droite et avec un seul mouvement de manutention. Il convient uniquement aux pièces en forme d'anneau ou de disque, mais il atteint l'objectif présenté dans la gestion des travaux NNS. Le système de goulotte utilise le moins de mouvement mécanique possible et se charge sur le chemin pratique le plus court.

L'entreprise effectuait auparavant le travail avec des tours à deux axes équipés de chargeurs plus conventionnels. Leur temps de coupe était 25 % plus long que celui des nouvelles machines à quatre axes. Mais la plus grande différence réside dans la gestion du travail. Le temps de cycle total était environ trois fois plus long avant de passer aux chargeurs alimentés par gravité.

Tolérances de type broyeur

De nombreuses applications NNS poussent la précision de la machine à l'extrême, remplaçant souvent les opérations de meulage et effectuant tout le tournage en une seule étape, ou en un seul passage à travers une cellule qui tourne les deux extrémités d'une pièce. Les applications de tournage dur entrent souvent dans cette catégorie. Pour les engrenages, bagues et autres petites pièces en métal en poudre (PM), le tournage dur est devenu un concurrent sérieux pour le meulage. Cette classe de travail peut être considérée comme une sous-catégorie du tournage NNS et elle impose les mêmes exigences en matière d'efficacité et de précision de la gestion du travail.

Il accorde également une grande importance à la rigidité de la machine et à la conception des outils. Bien que la céramique soit utilisée dans des applications de tournage dur à faible charge, c'est l'introduction d'outils en nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN) qui a introduit le tournage dur dans le courant dominant de la production. Ces outils durent sur de longues séries et produisent une grande régularité d'usure, à condition qu'une attention particulière soit portée à la préparation des bords.

Le tournage NNS de précision, dur ou doux, nécessite généralement un développement d'application supplémentaire. Les configurations d'outillage et les matériaux d'outillage sont essentiels pour les pièces plus tendres ainsi que pour les pièces dures, où les longues séries se combinent avec des exigences de haute précision et de finition de surface fine. Et beaucoup de ces pièces présentent des exigences particulières en matière de montage ou de serrage.

L'usinage de petits pistons pour l'équipement de pelouse est une bonne illustration des particularités du tournage NNS. Moulées avec précision en sections minces, sans références facilement accessibles, ces pièces sont difficiles à serrer avec précision et ont tendance à se déformer facilement. Même ainsi, nous pouvons souvent tourner les jupes de piston à ± 50 millionièmes (0,000050) de pouce.

La légèreté est un objectif clé pour les petits pistons, et ils ont été une application naturelle pour le moulage sous pression de précision. Mais le processus de coulée ne produit aucune caractéristique pour le serrage à l'intérieur des pièces. Ils doivent être usinés sur tout leur diamètre extérieur, et la seule référence pour l'orientation de l'axe de la broche est l'intérieur du dôme du piston, ou couronne.

Le tournage est donc un travail d'usinage double, dans lequel un diamètre extérieur usiné en bout de couronne doit être poursuivi en jupe, sans perte de concentricité. Les parois minces et facilement déformées de la jupe rendent cette tâche plus difficile.

La réponse est une combinaison de mandrins pneumatiques délicats et précis et de mâchoires tournées sur place - des mâchoires dures, pour une production à grand volume. L'utilisation de mandrins pneumatiques, fonctionnant à une pression de ligne maximale de 60 à 70 psi, résout de nombreux problèmes de serrage NNS à section mince. Ils ont tendance à serrer avec précision sur une large gamme de pressions d'air, allant de peut-être 30 psi jusqu'à un maximum de 70. Même avec des mâchoires lisses, ils obtiennent une prise adéquate sur la pièce si les forces de rotation sont faibles, comme sur les pistons en aluminium.

Pourtant, le maintien de la précision sur les pièces à section mince ne se limite pas à un simple serrage précis. Les pistons présentent un autre problème potentiel en raison de leurs sections minces :les alésages des manetons, que nous alésons sur un centre d'usinage coordonné dans la même cellule de machine, sont situés dans des bossages à parois minces. Ceux-ci chauffent rapidement lors de la première étape de rotation, puis se referment en refroidissant, dilatant et contractant le diamètre extérieur du piston de 0,00015 à 0,00020 pouce. Dans certaines applications NNS, de telles distorsions thermiques sont extrêmement difficiles à gérer.

La flexibilité et la sensibilité thermique des pièces NNS continuent de pousser le développement de meilleures solutions de serrage. La finition des mâchoires de mandrin en place sur la machine est devenue une pratique courante. Il est également courant d'aléser conique ces mâchoires pour compenser toute flexion qu'elles peuvent subir en cours d'utilisation. Il est recommandé d'usiner les racines des mâchoires trempées à un diamètre supérieur à leurs extrémités, de 0,0005 pouce à 0,001 pouce.

Il est nécessaire de concevoir des mâchoires pour une zone de contact maximale lorsqu'une légère pression est utilisée. Même dans ce cas, les forces de coupe peuvent dépasser la force de préhension des mâchoires et permettre aux pièces de glisser. Les dentelures ordinaires à pointe carrée ne sont pas d'une grande aide à cet égard, mais un bon succès est signalé avec des mâchoires à dents pointues, usinées sur mesure pour chaque application. La façon la plus pratique de les faire fabriquer est d'insérer des inserts boulonnés, tournés et dentelés le long de l'axe de la broche, en une seule pièce cylindrique, puis sciés pour séparer les inserts pour chaque mâchoire individuelle.

Les dentelures font en fait de fines marques sur la pièce, elles ne résolvent donc pas tous les problèmes de serrage. Mais ils en ont résolu quelques-uns très difficiles. Dans une application, en tournant une bague en aluminium moulé sous pression de qualité 390, en serrant avec des mâchoires lisses, nous avons obtenu des variations de rondeur de 0,0001 à 0,0003 pouce, en grande partie en raison des pressions de mâchoire nécessaires pour éviter le glissement et d'une ligne de séparation incohérente à l'extérieur diamètre des moulages sous pression. Avec des mâchoires dentelées, la pression pourrait être augmentée tout en améliorant l'ovalisation, jusqu'à 30 à 50 millionièmes (0,000030 à 0,000050) de pouce.

Les pièces trempées présentent des difficultés de serrage encore plus grandes. Le glissement est un problème car les forces de coupe sont un peu plus élevées. Et bon nombre de ces pièces, en particulier les engrenages, ne peuvent être fixées sur aucune surface géométrique simple.

Le serrage sur la ligne de pas des engrenages est l'idéal théorique, car, s'il s'agit d'un alésage ou d'une douille de positionnement qui est usiné (et c'est généralement le cas), vous voulez que l'engrenage fini fonctionne sur sa ligne de pas pour un fonctionnement silencieux et fluide. Sur un engrenage conique, ou même sur un engrenage à face plate, la ligne de pas n'est pas une surface de serrage évidente. En fait, vous ne pouvez même pas le voir. C'est un cercle théorique situé quelque part sur les dents de l'engrenage.

Nous avons résolu ce casse-tête d'un problème en utilisant des dispositifs de serrage de ligne de pas. Ce sont des faces "d'engrenage" trempées et EDMed qui se montent sur le mandrin et qui s'accouplent avec la pièce à usiner, ce qui garantit que la pièce tourne concentriquement avec sa ligne de pas. Lorsque le travail est mis en contact avec le luminaire, les deux formes d'engrenages s'accouplent naturellement sur un cercle de moindre interférence, qui, heureusement, est la ligne de pas elle-même.

Une application d'engrenages coniques à haut volume à l'usine Black &Decker d'Easton, dans le Maryland, utilise cette configuration en production à haut volume depuis plusieurs années. Les pièces PM trempées et infiltrées de cuivre sont surfacées et alésées sur une machine de tournage à outils multiples, à l'aide d'outils PCBN. Le montage de la ligne de pas nécessite l'indexation de la pièce, au fur et à mesure qu'elle est chargée, pour éviter l'écrasement de la pièce et du montage, de bout en bout de dent, ce qui soulève le prochain gros problème avec le tournage NNS automatisé :les systèmes de manipulation de travail.

Manipulation du travail pour le tournage NNS

La gestion du travail pour le tournage NNS doit être rapide, car les temps de cycle en dépendent. L'application de chargement d'engrenage suggère qu'elle doit également être polyvalente pour s'adapter à quelque chose d'aussi délicat que l'orientation des dents d'engrenage pour s'accoupler avec un appareil. L'un des développements les plus remarquables du tournage NNS a été ces systèmes de chargement/déchargement rapides et polyvalents, qui ont également les vertus d'être simples, contenus dans la machine-outil et faciles à contrôler avec une CNC standard - idéalement la même CNC qui tourne la machine à tourner.

Il s'agit d'une « automatisation autonome » et elle nécessite une définition. Voici la configuration d'une machine de tournage NNS contemporaine typique :elle est équipée d'outils collectifs, car seules quelques caractéristiques sont usinées. L'outillage en équipe se traduit par un couplage mécanique étroit entre l'outil de coupe et le bâti de la machine. Cela le rend rigide et intrinsèquement plus facile à construire avec précision, sans douilles de tourelle ni engrenages d'indexation.

Le chargeur de type portique est construit sur le dessus de la machine, fixé directement au lit de la machine. La trajectoire des pinces de travail suit strictement des lignes droites, à partir d'un carrousel de mise en scène intégré à la machine-outil elle-même. La tête de préhension se déplace sur toute la longueur du banc de la machine et vers le haut et vers le bas aux extrémités, saisissant et plaçant les pièces sur le carrousel et sur le mandrin.

Les chargeurs à portique actuels utilisent des entraînements programmables et des pinces de type mandrin, avec des mâchoires souples. Les changements de pièces sont donc rapides. Comme les mouvements de chargement et de déchargement sont peu nombreux et que les déplacements ne concernent qu'un seul axe à la fois, leurs programmes sont courts. Ils peuvent être stockés et contrôlés depuis la CNC de la machine-outil.

Il s'agit d'un ensemble intrinsèquement précis et très compact, et c'est un ensemble modulaire qui se prête à un assemblage facile de plusieurs cellules de machines. Les chargeurs à portique peuvent alimenter un système de transfert intermédiaire, construit selon les mêmes lignes simples à trajectoire linéaire, pour permuter les pièces entre les machines.

Revenons à cette application d'engrenage :elle nécessite l'orientation de la pièce, mais les pinces ressemblent à des mandrins et ne font aucune distinction quant à la manière dont elles prélèvent les pièces du carrousel. Comment les oriente-t-il ? En s'arrêtant à une station intermédiaire, où il dépose la pièce sur un dispositif rotatif qui utilise un faisceau lumineux pour indiquer où se trouvent les dents, puis fait tourner l'engrenage si nécessaire pour éviter un accident. Le préhenseur reprend ensuite la pièce et poursuit son chemin vers le mandrin.

Ainsi, le système de portique que nous avons décrit est simple mais pas simpliste; il peut être élaboré, grâce à sa programmabilité, pour faire quelque chose de plus avec la pièce. L'orienter est l'une de ces tâches. Le mesurer en est un autre pour les applications SPC en ligne.

Le tournage de forme proche du filet met l'accent sur la précision et la rapidité, et il permet une manipulation simple des outils et des travaux, en raison de la nature des pièces NNS typiques. Les centres de tournage automatisés qui ont évolué pour répondre à cette demande du marché sont simples sans être simples d'esprit :ils sont programmables pour des tâches spéciales, y compris le contrôle et l'orientation des pièces.

En effet, ces centres de tournage automatisés sont une automatisation pré-emballée. Rapides à configurer, capables de produire des précisions extrêmes et polyvalentes, elles ouvrent la voie à une meilleure automatisation pour de nombreuses autres applications d'usinage, en plus du tournage de formes presque nettes.