Le virage est facultatif

Il était une fois des tours qui usinaient des pièces rondes. Ils le font toujours.

Cependant, les fabricants de machines-outils ont reconnu que les pièces tournées nécessitent souvent au moins quelques travaux de fraisage ou de perçage. Avec la pièce déjà maintenue dans le tour et avec un tour CNC déjà capable des mouvements qui pouvaient alimenter efficacement les outils rotatifs, il était logique d'augmenter les capacités des tours en ajoutant des broches supplémentaires pour le travail de l'outil rotatif. Ce qui était autrefois des machines de tournage dédiées est également devenu des machines de fraisage et de perçage.

En fait, les machines les plus efficaces pour coordonner le tournage, le fraisage et le perçage en une seule configuration sont devenues des centres d'usinage flexibles, à guichet unique et à opérations multiples. Avec tous les usinages qu'ils pouvaient faire, il aurait été logique de les renommer "centres d'usinage", si seulement ce nom n'avait pas déjà été pris. Un tour à barre qui a à la fois une capacité d'outil rotatif et une contre-broche opposée à la broche principale peut alimenter la matière brute à une extrémité et usiner toutes les faces et caractéristiques d'une pièce élaborée sans que l'opérateur n'ait à intervenir. De plus, il peut continuer à produire pièce après pièce aussi longtemps que dure la barre. De nombreux ateliers usinent maintenant de cette façon. Jesel Valvetrain Innovation est un fabricant particulièrement expérimenté dans l'usinage de cette manière.

Jesel, dont le siège est à Lakewood, New Jersey, fabrique des composants de soupapes adaptés aux applications exigeantes des voitures de course. Les composants qui pourraient être estampillés pour un moteur de voiture normal sont usinés en acier massif à Jesel. Il y a quatorze ans, l'entreprise était l'un des premiers utilisateurs du tour CNC modèle DL-15 de Mori Seiki avec des capacités d'outils en direct. Au fil des ans, les machines ont évolué et l'atelier n'a cessé d'apprendre à mieux les utiliser. Aujourd'hui, la zone de fabrication de cette usine comprend 11 machines de tournage-fraisage CNC, dont la plupart sont des machines de modèle DL-150, une version plus avancée de la machine que l'usine a commencé à utiliser.

Une partie que l'entreprise a récemment introduite illustre à quel point la réflexion de cette usine a évolué en ce qui concerne ces machines. La pièce est en quelque sorte un point de repère non seulement pour l'usine elle-même, mais aussi pour l'évolution de l'usinage au tour à outils motorisés en général. La pièce, un suiveur de came aérienne, a une forme en forme de boîte évoquant vaguement deux virgules ou deux oreilles reliées ensemble. À l'origine, l'usine supposait que cette pièce serait usinée en cinq configurations sur des centres d'usinage. Compte tenu de la valeur de la pièce et des volumes auxquels elle serait exécutée, un tel processus pourrait facilement être justifié. Cependant, Ray Frattone Sr., directeur de la fabrication de l'entreprise, a suggéré une approche différente. Une partie du rôle de M. Frattone consiste à trouver de nouvelles façons de fabriquer les pièces du catalogue de l'entreprise de manière plus rentable. Ce faisant, il a beaucoup travaillé avec l'équipement de tournage-fraisage. Le suiveur de came est suffisamment compact pour pouvoir être usiné à partir d'une barre solide, s'est-il rendu compte. Plus précisément, il pourrait être usiné à partir d'une barre en acier allié 4140 de 1,125 pouce de diamètre. L'alimentation de ce stock par le ravitailleur de barres LNS de la machine Mori Seiki permettrait non seulement d'usiner la pièce complètement, mais aussi d'usiner une série de pièces sans attention.

L'ingénieur de fabrication Mark Cubbedge a travaillé sur le processus pour cette pièce. Il a découvert qu'il y avait en effet suffisamment de capacité sur les deux tourelles à 12 positions du DL-150 pour accueillir tous les outils de fraisage et de perçage nécessaires pour usiner la pièce de cette manière. En bref, il y avait suffisamment de positions d'outils pour usiner la pièce complètement. La configuration de cette pièce comprend un outil de tronçonnage pour séparer la pièce de la barre, mais à part cela, chaque position d'outil utilisée pour usiner cette pièce contient une broche d'outil rotatif.

La réflexion de Jesel sur les tours à outils motorisés a donc fait un voyage complet. Ces machines sont maintenant utilisées et appréciées dans cette usine non pas comme des tours avec des capacités supplémentaires, mais plutôt comme des centres de production à réglage unique. Comme l'illustre la partie suiveur de came, cette machine apporte de la valeur au processus même lorsque la géométrie de la pièce est si loin d'être ronde qu'il n'y a pratiquement aucun travail de tour traditionnel requis.

Compromis

Deux numéros de pièce de suiveur de came sont usinés sur le DL-150. La plus grande des deux parties mesure environ 0,75 sur 0,8 sur 2,5 pouces. Hormis le traitement thermique et le rodage, toute la fabrication est réalisée sur cette machine, dans un cycle qui nécessite moins de 10 minutes.

La broche principale et la contre-broche travaillent simultanément au cours de ce cycle. La broche principale maintient la pièce pour le fraisage d'ébauche, le fraisage de finition et le perçage. La contre-broche prend ensuite la pièce pour terminer le fraisage de la forme et effectue également quelques rainures, tandis que la broche principale commence à usiner la pièce suivante. L'utilisation du terme «broche» dans ces contextes est quelque peu imprécise, bien sûr, car les broches sont utilisées comme axes rotatifs dans ce processus au lieu de faire tourner la pièce pour le tournage. Compte tenu de la façon dont la machine est utilisée, se référer au « mandrin principal » et au « mandrin secondaire » est plus approprié.

Le logiciel CAM de Gibbs and Associates fournit le chemin de l'outil. M. Cubbedge dit qu'un plug-in d'ébavurage de Gibbs s'est avéré particulièrement précieux. Le logiciel programme le mouvement précis d'un outil à bout hémisphérique de petit diamètre le long des angles vifs de la pièce. Dans le mandrin secondaire, cet ébavurage permet également de fusionner le travail des premier et deuxième serrages en surfaces usinées continues et sans joint. L'efficacité de cet ébavurage sur machine a été essentielle pour générer une pièce prête à l'emploi avec peu d'effort supplémentaire après l'usinage.

M. Frattone et M. Cubbedge s'accordent à dire que l'usinage au tour à outils motorisés n'est pas parfait. Amener la pièce à partir du stock brut presque terminée en une seule manipulation à la barre peut sembler extrêmement efficace, mais en réalité, ce type de machine présente des compromis qui doivent être conciliés. Même si la machine est suffisamment polyvalente pour ne pas avoir à se limiter aux pièces tournées pour offrir de la valeur, la machine n'est pas nécessairement adaptée à n'importe quelle pièce susceptible de tomber dans l'enveloppe du stock alimenté à la barre. Par rapport à l'option d'usiner la pièce dans plusieurs configurations sur un centre d'usinage, les défis auxquels Jesel a dû faire face lors de l'exécution de la pièce sur un tour comprenaient tous les éléments suivants :

• Temps de configuration. Le tour à outils motorisés de l'atelier dispose d'un total de 24 positions d'outils sur ses deux tourelles. Un petit centre d'usinage vertical aurait généralement plus de capacité d'outils dans son magasin que cela, et un centre d'usinage horizontal de production aurait considérablement plus de capacité d'outils. Sur les centres d'usinage, les outils peuvent donc être maintenus en place dans la machine jusqu'à ce qu'ils soient nécessaires. En revanche, sur le tour à outils motorisés, l'outillage doit généralement être complètement changé pour chaque nouveau numéro de pièce utilisé par l'atelier. Le changement d'outil minutieux prend suffisamment de temps pour que les pièces doivent généralement être exécutées par centaines avant que le temps de réglage ne puisse être amorti. Ce n'est pas un problème sur les pièces du suiveur de came, car Jesel a tendance à exécuter ce numéro de pièce pendant des semaines à la fois pour reconstituer son inventaire. Cependant, l'exigence de temps de configuration de l'outil empêcherait cette même pièce d'être exécutée sur un petit lot ou juste à temps, à moins que la machine ne puisse d'une manière ou d'une autre être laissée configurée et entièrement dédiée aux numéros de pièce de cette famille .
• Problèmes de serrage. Un autre avantage qui aide Jesel à mettre en œuvre efficacement des processus inhabituels est que sa conception et sa fabrication se déroulent dans la même installation de 110 000 pieds carrés. La coordination entre la fabrication et la conception était essentielle pour fabriquer cette pièce de manière efficace, car le mandrin de la contre-broche avait besoin d'une forme sûre sur laquelle serrer. La pièce a été repensée pour cela. Même à cela, cependant, la force de serrage est limitée. La pièce partiellement usinée est suffisamment flexible pour qu'une force de serrage élevée avec un mandrin puisse affecter la précision. Dans la contre-broche, la pièce est donc maintenue dans un mandrin à mors doux avec une force de serrage modérée, et l'agressivité des opérations d'usinage est d'autant limitée.
• Risque de bavardage. En plus de la force de maintien limitée, un autre facteur est encore plus important pour limiter l'agressivité du processus de coupe. Les outils rotatifs dans ce processus présentent invariablement un long porte-à-faux, car l'outil a besoin d'un dégagement suffisant pour dépasser les mâchoires du mandrin. Ces outils de grande longueur présentent un risque accru de déviation et de broutage qui limite la profondeur de coupe, en particulier dans une application comme celle-ci qui usine l'acier. Avant que ce processus puisse être mis en production, le personnel de Jesel a dû tester et affiner soigneusement le processus pour s'assurer que les passes d'usinage critiques ne broutent pas d'une manière qui compromettrait les tolérances serrées. Même à cela, certains outils s'usent plus rapidement qu'ils ne le feraient dans un processus plus rigide, dit M. Cubbedge. Un outil de fraisage particulier doit être changé toutes les 10 pièces.

Paiements

Pourtant, les outils peuvent également s'user rapidement dans un processus de centre d'usinage, dit-il. Un processus impliquant des centres d'usinage devrait également être affiné dans une certaine mesure pour s'assurer que les précisions critiques sont atteintes. Le fait que Jesel se soit engagé dans le processus sur le tour à outils motorisés est un témoignage suffisant que ces défis peuvent être surmontés. En fait, ces obstacles sont minimes par rapport aux risques que poseraient une série de configurations sur des centres d'usinage pour usiner la même pièce, explique le personnel de Jesel.

L'un de ces risques est l'erreur. Chaque nouvelle manipulation présente un risque d'erreur liée à la configuration. Dans un processus à cinq configurations, la valeur ajoutée par quatre opérations d'usinage précises pourrait être entièrement perdue si le cinquième chargement de la pièce était défectueux d'une manière qui provoquait la mise au rebut de la pièce. La machine de tournage-fraisage évite ce danger en éliminant la manipulation, le processus à guichet unique maintenant toutes les relations entre les caractéristiques tout autour de la géométrie de la pièce.

En d'autres termes, pour la partie suiveur de came, Jesel vivra avec le temps de réglage pour le changement d'outils, car il est plus facile à gérer que le temps de chargement/déchargement pour faire passer les pièces d'une opération à l'autre sur des centres d'usinage. Le magasin acceptera également la nécessité d'éviter et de gérer les bavardages, car c'est bien mieux que le potentiel d'erreurs et de rebuts imprévisibles dans un processus qui implique de nombreuses manipulations.

Enfin, le personnel de Jesel vivra également avec le fait que leur machine de tournage tourne pendant des jours et des semaines sans faire grand-chose en matière de tournage. L'atelier continue de développer sa compréhension de l'utilisation efficace des machines polyvalentes, et l'expérience de l'exécution efficace de cette pièce de centre d'usinage sur un tour à outils motorisés a donné à l'atelier des informations précieuses. À l'avenir, de nombreuses pièces qui sont vraisemblablement du « travail de centre d'usinage » seront vues d'une manière différente.