Tournage quasi net-shape : simplifier l'automatisation pour la fabrication moderne

Le tournage quasi net-shape (NNS) est une tendance qui s'est imposée dans le courant principal de la fabrication au cours de deux décennies. L'idée est comprise par presque tous dans la fabrication maintenant. À sa racine, le tournage NNS signifie simplement usiner des pièces qui ont été formées ou coulées près des dimensions finales. Les implications de cette méthode continuent de se dévoiler alors que machines, outils et processus intègrent de nouveaux développements et idées.

La plupart du tournage NNS implique l'usinage de très peu de caractéristiques sur une pièce ; souvent une ou deux, rarement plus de trois. Le tournage NNS crée souvent des difficultés de serrage car les pièces typiques sont souvent à parois minces, ou coulées/formées sans dispositifs de fixation ou repères de mesure. Comme l'opération typique de tournage NNS est l'opération de finition finale, on peut ajouter qu'elle relève généralement de la catégorie du tournage, alésage ou surfacage de haute précision.

L'implication la plus importante du tournage NNS, cependant, est la façon dont il a influencé les tendances en automatisation. Lorsque le temps de copeaux devient une plus petite partie des temps de cycle totaux, la manipulation des pièces et le changement d'outils émergent comme les principaux obstacles à une meilleure efficacité. Le tournage NNS a évolué pour très bien s'accommoder des manipulations de pièces et changements d'outils les plus simples — une tendance qui s'est étendue au-delà du tournage NNS lui-même, remettant en question la sagesse conventionnelle sur la complexité bénéfique pour l'efficacité de fabrication et la rentabilité globale.

Faire entrer et sortir les pièces rapidement

"Notre travail est de faire entrer et sortir les pièces de la machine aussi vite et aussi régulièrement que possible", dit Dan Kruse, responsable opérations de Bearing Technologies, Inc., Div. de MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Il fait référence aux bagues pour les roulements que son entreprise fabrique, usinées à partir de sections coupées à longueur de tubes en acier 4118. Bien que le travail soit seulement marginalement une opération quasi net-shape (car jusqu'à 0,080 pouce de matière est enlevé en jusqu'à trois passes), il utilise la technologie d'automatisation et l'approche globale que le tournage NNS a favorisée.

Bearing Technologies utilise deux machines à 4 axes à outils gang, reliées en cellule par un système de transfert linéaire de type portique. Les machines de cette cellule reflètent l'influence du tournage NNS sur la conception des tours de production. Petites, étroitement couplées, avec capacité pour seulement un ou deux outils sur chacun des deux blocs d'outils montés sur chariot transversal ("gang"), ces machines Wasino SS-8 se concentrent sur le tournage de petites pièces ne nécessitant l'usinage que de quelques caractéristiques.

Sans tourelles à indexer, le changement d'outil est rapide. Le temps de coupe est aussi minimisé avec la coupe simultanée à 4 axes, 2 outils. Mais seulement 15 % des courts temps de cycle de 30 à 40 secondes impliquent la manipulation de pièces. Les temps de chargement/déchargement ont été réduits au maximum que l'état de l'art permet.

Bearing Technologies utilise l'exemple extrême de chargement/déchargement rapide et simple : un système de goulotte par gravité alimente les pièces en ligne droite et avec un seul mouvement de manipulation. Il ne convient qu'aux pièces en anneau ou disque, mais atteint la cible présentée par la manipulation NNS. Le système de goulotte utilise le moins de mouvement mécanique possible, et charge dans le chemin pratique le plus court.

L'entreprise faisait auparavant le travail avec des tours 2 axes équipés de chargeurs plus conventionnels. Leur temps de coupe était 25 % plus long que celui des nouvelles machines 4 axes. Mais la plus grande différence est dans la manipulation. Le temps de cycle total était environ trois fois plus long avant le passage aux chargeurs par gravité.

Tolérances de rectification

De nombreuses applications NNS poussent la précision machine à l'extrême, remplaçant souvent les opérations de rectification 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 métallurgie des poudres (MP), le tournage dur est devenu un concurrent sérieux de la rectification. Cette classe de travail peut être considérée comme une sous-catégorie du tournage NNS et impose les mêmes exigences d'efficacité de manipulation et de précision.

Cela met aussi une prime sur la rigidité de la machine et l'ingénierie de l'outil. Bien que les céramiques soient utilisées dans les applications de tournage dur légèrement chargées, c'est l'introduction d'outils en nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN) qui a amené le tournage dur dans la production de série. Ces outils tiennent sur de longues séries et produisent une grande constance d'usure — tant qu'une attention soignée est portée à la préparation du tranchant.

Le tournage NNS de précision, dur ou tendre, nécessite généralement un développement d'application supplémentaire. Les montages d'outillage et matériaux d'outils sont critiques pour les pièces tendres comme pour les dures, où les longues séries combinent haute précision et exigences de finition de surface fine. Et beaucoup de telles pièces présentent des exigences spéciales de fixation ou serrage.

L'usinage de petits pistons pour équipements de jardin est une bonne illustration des caractéristiques spéciales du tournage NNS. Coulés sous pression de précision à parois minces, sans repères facilement accessibles, ces pièces sont difficiles à serrer avec précision et se déforment facilement. Même ainsi, on peut 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 moulage ne produit pas de caractéristiques pour le serrage à l'intérieur. Ils doivent être usinés sur tout leur diamètre extérieur, et le seul repère pour l'orientation de l'axe de broche est l'intérieur du dôme de piston, ou couronne.

Le tournage est donc un travail d'usinage double face, où un diamètre extérieur fini à l'extrémité couronne doit être continué à la jupe, sans perdre la concentricité. Les parois minces et facilement déformables de la jupe rendent cette tâche plus difficile.

La réponse est une combinaison de serrage pneumatique de précision délicat et de mors tournés en place — durs, pour la production de grand volume. L'utilisation de mandrins pneumatiques, fonctionnant à 60-70 psi pression maximale, résout de nombreux problèmes de serrage de sections minces NNS. Ils tendent à serrer avec précision sur une large gamme de pressions, de 30 psi jusqu'au maximum de 70. Même avec des mors lisses, ils obtiennent une prise adéquate si les forces de coupe sont faibles, comme sur pistons en aluminium.

Pourtant, il y a plus à maintenir la précision sur pièces à sections minces que de simplement les serrer précisément. Les pistons présentent un autre problème potentiel à cause de leurs sections minces : les alésages d'axe de piston, que nous alésoirs sur un centre d'usinage coordonné dans la même cellule, sont situés dans des bossages à parois minces. Ceux-ci chauffent rapidement à la première étape de tournage 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 mors en place sur la machine est devenue une pratique standard. Il est aussi courant de percer ces mors en cône pour compenser toute flexion qu'ils pourraient subir en usage. Usiner les racines de mors durcis à un diamètre plus grand que leurs extrémités, de 0,0005 à 0,001 pouce, est recommandé.

Il est nécessaire de concevoir les mors pour une surface de contact maximale quand une faible pression est utilisée. Même alors, les forces de coupe peuvent dépasser le pouvoir de serrage et permettre aux pièces de glisser. Les crénelures carrées ordinaires ne sont pas très utiles, mais on rapporte de bons succès avec des mors à crénelures vives, usinés sur mesure pour chaque application. La façon la plus pratique de les faire est comme inserts boulonnés, tournés et crénelés le long de l'axe de broche, comme une pièce cylindrique unique puis sciés pour séparer les inserts pour chaque mors individuel.

Les crénelures font en fait de fines marques sur la pièce, donc elles ne résolvent pas tous les problèmes de serrage. Mais elles en ont résolu de très difficiles. Dans une application, tournage d'une bague en aluminium moulé sous pression 390, serrage avec mors lisses, on obtenait des variations de 0,0001 à 0,0003 pouce en rondeur, dues largement aux pressions de mors requises pour éviter le glissement et à une ligne de joint incohérente sur le diamètre extérieur des moulages. Avec mors crénelés, la pression pouvait être augmentée et améliorer encore la rondeur, à 30-50 millionièmes (0,000030 à 0,000050) de pouce.

Les pièces durcies présentent des difficultés de serrage encore plus grandes. Le glissement est un problème car les forces de coupe sont plus élevées. Et beaucoup de ces pièces, surtout les engrenages, ne peuvent être serrées sur aucune surface géométrique simple.

Le serrage sur la ligne de pas des engrenages est l'idéal théorique, car si c'est un alésage de repérage ou une bague qui est usiné (et c'est généralement le cas), vous voulez que l'engrenage fini tourne 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, on ne peut même pas la voir. C'est un cercle théorique situé quelque part sur les dents de l'engrenage.

Nous avons résolu ce casse-tête en utilisant des dispositifs de serrage sur ligne de pas. Ce sont des « engrenages » durcis, électroérodés, qui se montent sur le mandrin et qui s'accouplent avec la pièce, assurant que la pièce tourne concentriquement avec sa ligne de pas. Quand la pièce est mise en contact avec le dispositif, les deux formes d'engrenage s'accouplent naturellement sur un cercle d'interférence minimale, qui est heureusement la ligne de pas elle-même.

Une application de grand volume d'engrenages coniques chez Black & Decker à Easton, Maryland, fonctionne avec cette configuration en production de grand volume depuis plusieurs années. Les pièces MP durcies et infiltrées de cuivre sont surfacées et alésées sur une machine à outils gang, avec outils PCBN. Le dispositif de ligne de pas nécessite l'indexation de la pièce lors du chargement, pour éviter l'écrasement pièce-dispositif, dent-contre-dent — ce qui soulève le prochain grand problème de l'automatisation NNS : les systèmes de manipulation de pièces.

Manipulation de pièces pour le tournage NNS

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

C'est de l'« automatisation auto-contenue », et cela nécessite une définition. Voici la configuration d'une machine de tournage NNS contemporaine typique : Elle est à outils gang, car seulement quelques caractéristiques sont usinées. L'outillage gang résulte en un couplage mécanique serré entre l'outil de coupe et le banc de machine. Cela la rend rigide et intrinsèquement plus facile à construire avec précision, sans bagues de tourelle ni engrenages d'indexage.

Le chargeur portique est construit sur le dessus de la machine, attaché directement au banc. Le chemin des pinces de préhension est strictement le long de lignes droites, depuis un carrousel de mise en scène intégré à la machine-outil elle-même. La tête de préhension se déplace le long de la longueur du banc et tout droit en haut et en bas aux extrémités, prenant et posant les pièces au carrousel et au mandrin.

Les chargeurs portiques actuels utilisent des entraînements programmables et des pinces type mandrin, avec mors tendres. Les changements de pièces sont donc rapides. Comme les mouvements de chargement/déchargement sont peu nombreux, et les déplacements ne font intervenir qu'un axe à la fois, leurs programmes sont courts. Ils peuvent être stockés et contrôlés depuis le CNC de la machine-outil.

C'est un ensemble intrinsèquement précis, très compact, et modulaire, qui se prête à l'assemblage facile de cellules multi-machines. Les chargeurs portiques peuvent alimenter un système de transfert intermédiaire, construit sur les mêmes lignes simples et linéaires, pour échanger des pièces entre machines.

Revenons à l'application d'engrenage : elle nécessite l'orientation de la pièce, mais les pinces sont type mandrin et indifférentes à la façon dont elles prennent les pièces du carrousel. Comment les orientent-elles ? En faisant une pause à une station intermédiaire, où elle dépose la pièce sur un dispositif rotatif qui utilise un faisceau lumineux pour dire où sont les dents, et rotate l'engrenage comme nécessaire pour éviter un crash. La pince reprend alors la pièce et continue vers le mandrin.

Ainsi, le système portique 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 en est une. La mesurer en est une autre pour applications SPC en ligne.

Le tournage quasi net-shape met une prime sur la précision et la rapidité, et permet une manipulation d'outils et de pièces simple, due à la nature des pièces NNS typiques. Les centres de tournage automatisés qui ont évolué pour répondre à cette demande sont simples sans être simplistes : ils sont programmables pour tâches spéciales, y compris le contrôle et l'orientation des pièces.

En effet, ces centres de tournage automatisés sont de l'automatisation pré-emballée. Rapides à configurer, capables de produire des précisions extrêmes, et polyvalents, ils indiquent la voie vers une meilleure automatisation pour de nombreuses autres applications d'usinage, au-delà du tournage de formes quasi nettes.