Optimiser la production : Réduire les coûts par l'usinage en un seul réglage

Comment minimiser le coût unitaire de pièces complexes nécessitant tournage, fraisage et perçage ? Pour Steve Hattori, la réponse est simple : les usiner en un seul réglage — et rendre ce réglage aussi simple que possible.

Le président de l'atelier sous-traitant Salinas Valley Precision (Salinas, Californie) avait autrefois besoin d'au moins trois machines pour produire toute pièce ronde complexe à partir de brut : une scie à ruban pour tronçonner la barre, un tour et un centre d'usinage pour réaliser les plats et trous. Désormais, l'atelier confie tout ce travail à une seule machine — transformant automatiquement la barre brute en pièces finies, remplaçant efficacement de nombreux réglages par un seul.

« Quiconque défend l'ancienne méthode n'a jamais essayé d'usiner un moulinet de pêche », dit M. Hattori. En fait, la première fois qu'un fabricant local d'articles de sport lui a proposé la pièce du moulinet, Hattori a refusé. À l'époque, la pièce était trop complexe pour être rentable. Taillée dans de l'aluminium massif avec 90 % de la matière enlevée, le moulinet de 82,5 mm de diamètre se compose de deux flasques faciles à déformer de moins de 2,5 mm d'épaisseur, reliés par un noyau évidé aux parois à peine plus épaisses.

La pièce doit être attaquée sous tous les angles. Chaque flasque est percé de 12 trous de 11,4 mm de diamètre pour l'allègement. La circonférence du noyau comporte 12 fentes ovales d'allègement. Enfin, un alésage sur une face comprend 36 crénelures pour le mécanisme de cliquet de la canne à pêche, ainsi qu'un alésage pour roulement à pression avec une tolérance totale de 0,005 mm sur le diamètre.

« Et toute cette géométrie n'était que la moitié du problème », dit M. Hattori. « L'autre moitié était la taille de lot. Nous aurions pu usiner la pièce avec des montages complexes sur le centre d'usinage, ainsi qu'avec le tour CNC que nous utilisions alors. Mais cela aurait engendré un coût de réglage important, impossible à amortir sur la petite série de la pièce, souvent aussi basse que 100 pièces. »

M. Hattori a usiné le prototype du moulinet, mais n'a pas soumissionné pour la production. Du moins, pas au début. Depuis, cependant, la pièce est devenue une source majeure de revenus pour l'atelier de 10 employés. Cela est venu après que M. Hattori a réinventé son processus.

Usinage tout-en-un

Le résultat clé de l'ingéniosité de M. Hattori est un processus où toutes les opérations de tournage, fraisage et perçage sont combinées sur une seule machine, un centre de tournage CNC Mazak « Super Quick Turn » (SQT) 15MS-Y. Outre une panoplie d'outils rotatifs pour le fraisage et une broche secondaire opposée pour le tournage de la seconde face, la machine est équipée d'un axe Y programmable avec 101,6 mm de course. Cette capacité d'axe Y permet d'effectuer des opérations de fraisage décentrées pendant que la pièce est encore maintenue dans la broche primaire ou secondaire.

Grâce à un passage coordonné et automatique entre les deux broches, chaque surface de la pièce peut être atteinte sans intervention humaine. Chaque opération de tournage, fraisage et perçage est réalisée sans « lâcher » la pièce, conservant ainsi les références de position critiques tout au long du processus d'usinage.

Les bruts sont alimentés par un chargeur de barres Mazak Cut-Feeder. Tout comme la capacité fraisage-perçage permet au centre de tournage de remplacer un centre d'usinage, le Cut-Feeder élimine la scie à ruban du processus et réduit le délai entre cycles consécutifs à quelques secondes seulement. Le Cut-Feeder n'avance pas seulement la barre, il la coupe à longueur, de 15,2 à 130 mm. Il effectue cette coupe pendant que le SQT usine la pièce en cours, puis charge le nouveau brut dans le mandrin dès que le tour est prêt pour le cycle suivant.

L'alimentation automatique minimise le temps de réglage. L'unité stocke jusqu'à cinq barres de 82,5 mm de diamètre pour les moulinets et les avance et coupe chacune sans rotation. Contrairement à une alimentation de barre conventionnelle, le Cut-Feeder maintient la barre immobile pendant que les outils de coupe tournent autour du brut, s'avançant lentement jusqu'à la coupe complète. Comme les barres ne tournent pas, aucun pré-usinage n'est nécessaire pour les rendre cylindriques (même les profils carrés ou hexagonaux fonctionnent). Ainsi, M. Hattori peut simplement déposer une ou plusieurs barres dans le chargeur et laisser le centre de tournage les convertir en pièces usinées finies. L'ébavurage final est la seule opération effectuée hors machine.

Le processus d'usinage implique 20 changements d'outil mais ne nécessite aucun opérateur, si bien que M. Hattori le laisse souvent tourner sans surveillance — récupérant 90 moulinets pour chaque barre de 3,66 m chargée.

Retour sur imagination

Les moulinets sortent du centre de tournage au rythme d'un toutes les huit minutes. Bien que le cycle profite des vitesses de broche élevées — 5 000 tr/min pour les broches principale et secondaire, 3 000 pour les outils rotatifs — M. Hattori attribue la programmation créative comme raison principale d'un temps de cycle si bas. Ancien spécialiste de l'usinage pour une entreprise de R&D aérospatiale, Hattori a ouvert son atelier il y a 10 ans pour pouvoir continuer à concevoir des stratégies CNC complexes après la fermeture de son employeur.

« Le tour multitâche offre un meilleur retour sur l'imagination du programmeur que tout autre que j'ai utilisé », dit-il. « Avec autant d'options sur une seule machine, il y a toujours une autre façon — et souvent une meilleure — de produire n'importe quelle caractéristique. »

Par exemple, M. Hattori a trouvé une méthode inhabituelle pour tourner les flasques minces du moulinet en aluminium à haute vitesse sans flèche. Après que toutes les caractéristiques d'une face ont été usinées pendant que la pièce est dans le mandrin principal, son programme fait saisir la pièce par le second mandrin tout en maintenant la prise du mandrin principal. Serrer la pièce des deux côtés de cette manière élimine le problème de flèche. Les deux broches tournant à l'unisson, le métal entre les deux flasques est évidé comme s'il s'agissait d'une seule rainure de 19 mm de profondeur.

La capacité d'axe Y est utilisée pour produire les crénelures du cliquet. Au lieu d'indexer la pièce avec la broche pour couper chaque évidement — comme on le ferait sur un tour à outils tournants traditionnel — M. Hattori fait maintenir la pièce immobile par la broche principale pendant que le tourelle passe d'une crénelure à la suivante, par interpolation X-Y. Bien que le tourelle ne se déplace que légèrement plus vite que la broche d'indexage, cette différence multipliée par 36 crénelures représente un gain de productivité marqué.

Dans d'autres cas, l'axe Y produit des caractéristiques qui pourraient être usinées sur un tour/fraiseuse trois axes conventionnel (X, Y et C). Un exemple est une roue de cliquet en acier 4340 pour le mécanisme de synchronisation d'un système d'assemblage robotique. La pièce fait 82,5 mm de diamètre avec un disque de 4,76 mm d'épaisseur et un moyeu intégral plus large, ressemblant à une lame de scie avec 12 dents sur la circonférence. L'axe Y permet d'usiner 12 plats autour de la circonférence de la lame. « Chaque plat est une coupe simple », dit M. Hattori. « Nous avions besoin d'un centre d'usinage pour cette pièce, mais maintenant que je peux l'usiner complètement [en un seul réglage], un lot de 100 roues prend trois heures de moins à usiner. »

Interpolation trois axes

Cette pièce est un autre cas où le diable se cache dans les crénelures. Pour un fabricant local d'équipements médicaux, M. Hattori produit un support de 50,8 mm de diamètre pour l'unité de contrôle d'un cathéter de cartographie cardiaque électronique. Une moitié d'une articulation de charnière qui maintient le contrôle stable dans de nombreuses orientations, la pièce comporte un long plat sur l'axe central où la moitié de la partie supérieure est enlevée. Ce plat forme la surface où les deux moitiés de l'articulation se rejoignent, et comprend un trou pour l'axe de pivot qui les relie. Autour de ce pivot se trouvent 30 crénelures en dents de scie. Permettant à l'articulation de s'engrener et de se verrouiller en plusieurs positions, les crénelures forment un motif symétrique en rayons de soleil avec le pivot au centre, et s'accouplent avec un motif similaire sur l'autre moitié de la charnière.

« Deux axes linéaires ne suffisent pas pour usiner cette caractéristique ; il en faut trois », dit M. Hattori. « Bien que les crêtes des crénelures soient toutes dans le même plan, les trajectoires d'outil ne le sont pas. Nous utilisons une fraise sur mesure qui correspond à l'angle du creux entre deux crénelures, mais même avec cet outil, une trajectoire deux axes ne peut pas couper la bonne forme. Au lieu du sommet net nécessaire jusqu'à la circonférence du motif, une trajectoire deux axes produirait un sommet en éventail, car l'espace entre les deux coupes s'élargirait à mesure que l'outil s'éloigne du moyeu. »

Pour résoudre ce problème, M. Hattori interpole en trois axes pour chaque coupe. Le diamètre de l'outil sur mesure est approximativement la distance sommet-à-sommet à la circonférence. Par conséquent, M. Hattori commence au moyeu — où l'outil ne coupe qu'en pointe — et enfonce l'outil en Y tandis qu'il avance vers l'extérieur le long du rayon du motif en X et Z. Ainsi, les crénelures usinées ont la même épaisseur de sommet à la circonférence qu'au moyeu, et sont usinées en une seule passe. La pièce de charnière de support est également usinée à partir du brut — en partant d'une barre d'aluminium. Le temps de cycle total est d'environ 12 minutes par pièce.

Contrairement au moulinet, la charnière de support faisait déjà partie du portefeuille de travail de M. Hattori avant l'achat du tour multitâche. Les pièces étaient à l'origine usinées sur un tour CNC et un centre d'usinage vertical. Pour produire le cône arrondi de la pièce, le tournage venait en premier. « Le profil lisse rendait le réglage long sur le centre d'usinage vertical », dit M. Hattori. « Nous ne pouvions pas utiliser un étau, nous devions la boulonner dans un montage spécial. »

Maintenant, ce problème a disparu — car les mandrins du centre de tournage maintiennent la pièce pour le tournage et le fraisage. « Le temps de fraisage sur le SQT est le même que sur le centre d'usinage, mais maintenant personne n'a à boulonner et déboulonner la pièce », dit M. Hattori. « C'est une grande différence. Avec cette seule amélioration, nous avons réduit le temps de cycle de la pièce de charnière de bien plus de 30 %. »