Ateliers experts moules et matrices pour composants ronds de précision

Pour de nombreux ateliers de sous-traitance dans la fabrication, le travail moules et matrices fait généralement référence à la fabrication de pièces asymétriques. Les composants en tôle sont de formes variées, et les pièces en plastique injecté vont des téléphones aux boîtiers d'ordinateur.

Cependant, dans le monde de la fabrication de moules et matrices, il existe un grand nombre de pièces qui sont rondes. Bouchons, joints, garnitures, pour n'en nommer que quelques-uns, sont des pièces qui nécessitent des composants de moules et matrices ronds.

Beaucoup a été écrit sur l'usinage de cavités de moules et jeux de matrices pour pièces asymétriques. Dans cet article, l'accent est mis sur le tournage dur appliqué à la fabrication de composants de moules et matrices pour produire les nombreuses pièces métalliques et plastiques qui sont rondes.

Pour en savoir plus sur ce créneau de fabrication, nous avons visité Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). C'est un atelier de sous-traitance de 50 ans qui a développé une spécialité dans le tournage dur et l'utilise pour fabriquer des composants de moules et jeux de matrices qui produisent des produits ronds.

Nous avons parlé à Dale Schrieber, directeur d'usine, pour découvrir comment Reliance a bénéficié du tournage dur dans ses processus de production.

Matrices progressives et composées

Les jeux de matrices incorporent un certain nombre de composants. Ce sont souvent des pièces individuelles montées sur le dessus et le dessous des plaques de matrice. Cette conception permet des ajustements sur les composants individuels du jeu de matrice plutôt que sur l'ensemble de l'unité.

Dans une matrice progressive, des bobines de tôle sont alimentées entre les moitiés supérieure et inférieure du jeu de matrice. À chaque fermeture de la presse, une pièce complète est éjectée à l'extrémité de finition de la presse.

Une matrice progressive peut avoir deux, quatre, voire 16 postes différents pour générer un estampage complet. Après que la presse termine une course, la bobine avance d'un poste de matrice au suivant. Certains jeux de matrices sont conçus pour estamper progressivement une forme plate puis plier l'estampage en une pièce 3D. Tout cela est fait en une seule presse sur une seule matrice progressive.

Les matrices composées diffèrent des progressives en ce qu'elles créent un estampage complet en une seule course de la presse. Les matrices composées formeront, perceront des trous et façonneront la pièce en un seul coup de presse.

Comme les matrices progressives, les matrices composées sont aussi faites de composants montés sur les plaques supérieure et inférieure. Ce sont ces composants que Reliance fabrique et assemble en jeux complets. Pour la plupart de leurs clients, ces composants sont ronds.

Pourquoi le tournage dur ?

Il y a environ six ans, Reliance a commencé à expérimenter le tournage dur. L'idée était d'augmenter les opérations de rectification traditionnelles avec un processus plus flexible et capable de faire passer plus de pièces par l'atelier.

Avant d'implémenter le tournage dur, Reliance fabriquait ses jeux de matrices et composants de moules de la manière traditionnelle. Ils ébauchaient la pièce en laissant de la surépaisseur pour rectification, puis traitaient thermiquement et rectifiaient en finition.

Comme tout atelier de sous-traitance, les pressions pour livrer les pièces toujours plus vite pilotent une grande partie de la recherche de technologies alternatives. La seule condition que Reliance a imposée à l'examen de nouvelles façons de fabriquer des jeux de matrices et composants de moules était de donner à ses clients des pièces aussi bonnes ou meilleures que celles qui avaient été rectifiées.

« Au début, notre approche du tournage dur était essai-erreur », dit Jeff Staes, qui a développé le processus de tournage dur chez Reliance. « Les avantages sur la rectification étaient immédiatement apparents pour certaines de nos applications. »

La plupart des travaux destinés au tournage dur ont des exigences de tolérance de 0,0127 mm. Mais avec des rayons aussi petits que 0,127 mm et le besoin de fondre des conicités aux rayons, le tournage à pointe unique a des avantages distincts sur la rectification. Les conicités, tant intérieures qu'extérieures, nécessaires pour les angles de dépouille et la géométrie de la pièce, sont aussi facilement générées sur un centre de tournage.

« Essayer de maintenir un minuscule rayon ou générer des conicités avec une meule nécessite un dressage fréquent — ce qui ralentit le processus de production », dit M. Schrieber. « La rectification de finition des derniers centièmes est aussi chronophage car la meule doit être dressée plus fréquemment. Le grain plus fin de la meule de finition se charge plus vite qu'une meule d'ébauche, ce qui limite les taux d'enlèvement de matière. »

Ce qu'ils ont appris

La clé d'un tournage dur réussi commence par le tournage tendre. Obtenir des finitions de surface et des précisions dimensionnelles constantes sur des pièces trempées nécessite la bonne quantité de surépaisseur laissée après l'ébauche avant le traitement thermique du brut.

Les caractéristiques géométriques telles que les sections à paroi mince ont souvent besoin de plus de surépaisseur pour le tournage dur en raison de la tendance à se déformer légèrement au traitement thermique. L'idée est de renforcer les sections minces pour avoir assez de surépaisseur pour permettre les changements dimensionnels du traitement thermique.

« Notre traiteurg thermique fait un bon travail en gardant la déformation au minimum », dit M. Schrieber. « Ils utilisent des plaques en céramique pour les pièces à section transversale mince avec d'autres techniques pour contrôler le changement dimensionnel. Nous mettons même nos pièces en rack avant de les expédier pour le traitement thermique pour contrôler la constance. »

Maintenir la même surépaisseur pour le tournage dur est important à cause de l'usure d'outil. Généralement, le processus de tournage dur se fait en deux étapes : une ou plusieurs passes d'ébauche suivies d'une passe de finition. Enlever la quantité minimale de matière sur la passe d'ébauche économise du temps de production mais plus important, cela préserve l'outil de tournage dur d'ébauche. « L'usure de l'outil d'ébauche dur affectera la finition de surface et la dimension sur la passe finale », dit M. Staes.

L'outil de choix pour Reliance est le CBN (nitrure de bore cubique). Pour les très courtes séries ou coupes interrompues, les céramiques sont utilisées, mais ne s'usent pas aussi bien que le CBN pour les plus grandes séries de production.

« Le CBN a une grande polyvalence », dit M. Staes. La sélection d'inserts est un facteur limitant cependant. « Nous concevons des inserts et les faisons fabriquer spécialement pour nous par nos fournisseurs d'outillage. Nous créons d'autres géométries d'inserts en retravaillant des inserts existants en formes dont nous avons besoin », continue M. Staes. « Il n'y a pas encore la variété de formes et géométries d'inserts pour le CBN — mais ça s'améliore. »

Acier à outils dans la coupe

Une grande partie du matériau utilisé par Reliance est de l'acier à outils A-3 et D-2 trempé entre 48 et 64 HRC. Les inserts CBN fonctionnent bien sur ces applications de tournage dur.

Bien que le CBN soit le deuxième matériau le plus dur après le diamant, les inserts en CBN peuvent être fragiles. Certains processus de tournage doivent être modifiés par rapport à ce qui est considéré comme conventionnel pour permettre cette fragilité.

En général, un insert CBN est fait en brasant ou en joignant autrement un bord préformé de matériau CBN à un substrat en carbure. Cette jonction tend à être le point faible du couperet.

Les composants de matrices et moules doivent avoir une haute précision dimensionnelle et une excellente finition de surface. Pour atteindre ces objectifs en utilisant le tournage dur, M. Staes a développé quelques lignes directrices.

« La direction de coupe dans un épaulement sur un OD ou ID peut être un facteur si une tolérance serrée sur la profondeur et la finition de paroi sont requises », dit-il. « Plutôt que d'aborder la face depuis l'ID ou l'OD, il est préférable de dresser la paroi d'abord pour enlever l'excès de matière. Laisser entre 0,0127 et 0,0254 mm de surépaisseur pour une passe de finition. »

« Avec la passe d'ébauche terminée et la majeure partie de la matière enlevée, la passe de finition peut alors être faite dans la paroi. Enlever les 0,0254 mm ou moins de métal restants met une pression d'outil plus faible sur l'insert, particulièrement si une géométrie d'outil à petit angle d'attaque est utilisée », dit M. Staes.

Sur les opérations d'alésage, la hauteur de centre de l'insert est un facteur critique pour maintenir dimension et finition avec succès. Si la barre fléchit, elle pourrait abaisser le bord de coupe sous la ligne de centre, résultant en une durée de vie d'outil plus courte et une mauvaise finition. M. Staes recommande des barres d'alésage en carbure massif pour le tournage dur. « Elles réduiront le problème de fléchissement et donneront une plus grande capacité de profondeur », dit-il.

Considérations de température et de maintien de pièce

Au moment où une pièce est tournée dure, sa valeur a augmenté significativement. Les coûts accumulés incluent le matériau, le temps d'usinage d'ébauche, et le traitement thermique. C'est définitivement le moment de ne pas mettre une telle pièce au rebut.

Quand M. Staes tourne ces pièces, il aime garder un œil sur les outils, surtout quand il utilise du CBN. Certaines applications peuvent être coupées à sec, mais d'autres sont affectées négativement par les températures élevées du processus d'usinage. Pour contrôler cela, tout en permettant une vue claire de la zone de travail, Reliance utilise de l'air d'atelier ou un pistolet à air froid pour maintenir la température de la pièce.

Le maintien de pièce est une autre considération pour la fabrication de composants ronds de matrices et moules. La circularité est une dimension critique pour beaucoup de ces pièces, qui sont fréquemment à paroi très mince.

« Nous utilisons un mandrin manuel trois mors de 150 mm tenu par le mandrin hydraulique monté sur le centre de tournage », dit M. Staes. « Les mors tendres sur le mandrin manuel sont alésés sur la machine dans une concentricité de 0,0127 mm. »

Techniques d'inspection

Une grande partie du travail de composants de matrices et moules que Reliance fait est relativement facile à inspecter pour la précision dimensionnelle et la finition de surface. Ils ont tout l'équipement d'inspection, la documentation et les techniques de traçabilité en place pour se qualifier pour ANSI/ASQC Q9001-1994 et ISO 9000.

Mais certaines pièces produites ne sont pas si faciles à mesurer. Reliance a développé une technique intéressante pour vérifier les caractéristiques cachées dans les IDs et autres endroits difficiles d'accès sur une pièce.

« Pour les formes ID et OD, nous coupions périodiquement une pièce en deux pour vérifier les caractéristiques », dit M. Schrieber. « Maintenant, nous utilisons un matériau dentaire [un polysiloxane de vinyle à haute viscosité] pour prendre une empreinte de la caractéristique. Ce matériau est ensuite vérifié sur un comparateur optique. C'est une technique qui a bien fonctionné pour nous et est très précise quand elle est faite correctement. »

Partenariat d'ateliers

Reliance a bâti une réputation impressionnante pour la fabrication de composants ronds de moules et matrices. « Beaucoup de nos meilleurs clients sont d'autres ateliers d'outillage qui ont besoin de notre expertise dans la production de pièces rondes », dit M. Schrieber. « Surtout si une application difficile à rectifier arrive. Nous obtenons beaucoup d'affaires pour le tournage dur. »

Appelez cela partenariat ou spécialisation, des ateliers qui se considéraient autrefois comme concurrents travaillent ensemble pour livrer de bonnes pièces aux clients. C'est une tendance dans l'exploitation des ateliers sous-traitants qui reflète les réalités de l'environnement de fabrication d'aujourd'hui.

Des ateliers comme Reliance fournissent des services spécialisés à d'autres ateliers qui ont besoin de ces spécialités. De même, quand Reliance se heurte à un problème de processus au-delà de sa capacité, il sollicitera l'aide d'autres ateliers.

La standardisation de la documentation de processus en utilisant les techniques ISO 9000 et autres aide les ateliers à faire des affaires ensemble. Il est aisément apparent en examinant la documentation de processus si un atelier peut faire ce qu'il dit pouvoir faire.

Résultats

Reliance, comme presque tous les autres ateliers de sous-traitance, est sous une pression extrême de ses clients pour réduire les délais. Cette pression est générée par des cycles de vie de produits raccourcis et des programmes d'amélioration continue au sein de ces entreprises.

En plus de fabriquer des jeux de matrices et composants de moules pour d'autres entreprises, Reliance a une belle activité de fabrication interne. Ils font de nombreux estampages propres.

« Le tournage dur nous a aidés à réduire les délais de livraison à nos clients d'une moyenne de 16 à 18 semaines à six », dit M. Schrieber. « Cela nous a aussi apporté des affaires d'autres ateliers de matrices et moules qui n'ont pas l'expertise en tournage mais voient les avantages du tournage dur sur la rectification pour certaines applications. »

« Notre propre opération d'estampage est devenue, en effet, un site de test bêta pour de nouveaux processus et techniques. Nous les essayons nous-mêmes avant de les essayer sur une application client », ajoute M. Schrieber.

Pour Reliance, le tournage dur semble fonctionner. Les ventes sont en hausse de 44 %, la base clients s'élargit, et la croissance est projetée sur les prochaines années entre 15 et 20 %. MMS