Améliorer les tours CNC : du tournage au fraisage et perçage

Il fut un temps où les tours usinaient des pièces rondes. Ils le font encore.

Cependant, les constructeurs de machines-outils ont reconnu que les pièces tournées nécessitent souvent au moins un peu de fraisage ou perçage. Avec la pièce déjà maintenue dans le tour, et un tour CNC déjà capable des mouvements qui pourraient alimenter efficacement des outils rotatifs, il était logique d'augmenter les capacités des tours en ajoutant des broches supplémentaires pour le travail d'outils rotatifs. Ce qui étaient once des machines de tournage dédiées sont devenues des machines de fraisage et perçage également.

En fait, les machines les plus efficaces pour coordonner tournage, fraisage et perçage en une seule prise sont devenues des centres d'usinage métal flexibles, guichet unique, multi-opérations. Avec tout l'usinage qu'elles pouvaient faire, il aurait été logique de les renommer « centres d'usinage », si ce nom n'avait pas déjà été pris. Un tour à barre avec capacité d'outil rotatif et une contre-broche opposée à la broche principale peut alimenter la matière brute par une extrémité, et usiner toutes les faces et caractéristiques d'une pièce élaborée sans intervention de l'opérateur. De plus, il peut continuer à produire pièce après pièce aussi longtemps que dure la barre. De nombreux ateliers usinent maintenant ainsi. Un fabricant particulièrement expérimenté dans ce mode d'usinage est Jesel Valvetrain Innovation.

L'expérience Jesel

Jesel, basé à Lakewood, New Jersey, fabrique des composants de distribution adaptés aux applications exigeantes de voitures de course. Des composants qui seraient estampés pour un moteur de voiture normal sont usinés dans l'acier massif chez Jesel. Il y a quatorze ans, l'entreprise était un utilisateur précoce du tour CNC DL-15 de Mori Seiki avec capacités d'outils motorisés. Au fil des ans, les machines ont évolué et l'atelier a continué d'apprendre à les appliquer plus efficacement. Aujourd'hui, la zone de fabrication de cette usine comprend 11 machines tour-fraise CNC, mostly modèles DL-150 — une version plus avancée de la machine avec laquelle l'usine a commencé.

Une pièce récemment introduite illustre jusqu'où la réflexion de cet atelier est allée avec ces machines. La pièce est un jalon non seulement pour l'usine elle-même, mais aussi pour l'évolution de l'usinage tour-fraise à outils motorisés en général. La pièce, un culbuteur à came en tête, a une forme en boîte vaguement suggestive de deux virgules ou deux oreilles reliées. À l'origine, l'usine supposait que cette pièce serait usinée en cinq mises en place sur centres d'usinage. Compte tenu de la valeur de la pièce et des volumes auxquels elle tournerait, un tel processus pouvait facilement être justifié. Cependant, Ray Frattone Sr., directeur de la fabrication, a suggéré une approche différente. Une partie de son rôle est de trouver de nouvelles façons de fabriquer les pièces du catalogue plus rentablement. Ce faisant, il a travaillé intensivement avec l'équipement tour-fraise. Le culbuteur est assez compact pour être usiné à partir de barre pleine, a-t-il réalisé. Plus précisément, il pourrait être usiné dans une barre 4140 de 28,6 mm de diamètre. Alimenter cette matière dans le chargeur de barres LNS du Mori Seiki permettrait non seulement d'usiner la pièce complète, mais aussi une série de pièces sans surveillance.

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

La réflexion de Jesel sur les tours à outils motorisés a ainsi fait un parcours complet. Ces machines sont maintenant utilisées et valorisées dans cet atelier non pas comme des tours avec une capacité supplémentaire, mais comme des centres de production en une prise. Comme l'illustre la pièce de culbuteur, 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 essentiellement aucun travail de tour traditionnel requis.

Compromis

Deux numéros de pièce de culbuteur sont usinés sur le DL-150. Le plus grand mesure environ 19 × 20 × 63 mm. Hors traitement thermique et rodage, toute la fabrication est effectuée sur cette machine, dans un cycle nécessitant moins de 10 minutes.

La broche principale et la contre-broche travaillent simultanément pendant ce cycle. La broche principale tient la pièce pour le fraisage d'ébauche, fraisage de finition et perçage. La contre-broche prend alors la pièce pour terminer le fraisage de la forme et effectue aussi du rainurage, pendant que la broche principale commence l'usinage de la pièce suivante. L'utilisation du terme « broche » dans ces contextes est quelque peu inexacte, car les broches sont utilisées comme axes rotatifs dans ce processus au lieu de faire tourner la pièce pour le tournage. Vu la façon dont la machine est utilisée, parler de « mandrin principal » et « mandrin secondaire » est plus approprié.

Le logiciel FAO de Gibbs and Associates fournit le parcours d'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 petit outil hémisphérique le long des arêtes vives de la pièce. Dans le mandrin secondaire, cet ébavurage aide aussi à fusionner le travail des premier et second serrages en surfaces usinées continues et sans couture. L'efficacité de cet ébavurage sur machine a été vitale pour générer une pièce prête à l'emploi avec peu d'effort supplémentaire après usinage.

M. Frattone et M. Cubbedge s'accordent à dire que l'usinage tour à outils motorisés n'est pas parfait. Amener la pièce de la matière brute près de la finition en une seule manipulation bar-fed peut sembler tremendement efficace, mais ce type de machine présente des compromis qu'il faut réconcilier. Même si la machine est assez polyvalente pour ne pas être limitée aux pièces tournées pour délivrer de la valeur, elle n'est pas nécessairement adaptée à n'importe quelle pièce qui pourrait entrer dans l'enveloppe de la barre alimentée. Comparé à l'option d'usiner la pièce en mises en place multiples sur un centre d'usinage, les défis que Jesel a dû relever pour faire tourner la pièce sur un tour incluaient tous les suivants :

• Temps de mise en place. Le tour à outils motorisés de l'atelier a un total de 24 positions d'outils sur ses deux tourelles. Un petit centre d'usinage vertical aurait typiquement plus de capacité d'outils dans son magasin, et un centre d'usinage horizontal de production en aurait considérablement plus. Sur les centres d'usinage, les outils peuvent donc être gardés 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 changé complètement pour chaque nouveau numéro de pièce. Ce changement complet est suffisamment chronophage pour que les pièces aient généralement besoin d'être lancées en quantités de centaines avant que le temps de mise en place puisse être amorti. Ce n'est pas un problème pour les pièces de culbuteur, car Jesel tend à lancer ce numéro de pièce pendant des semaines pour reconstituer son stock. Cependant, l'exigence de temps de mise en place d'outillage exclurait cette même pièce d'être lancée sur une base petits lots ou just-in-time, à moins que la machine ne puisse être laissée configurée et entièrement dédiée aux numéros de pièces de cette famille.
• Problèmes de serrage. Un autre avantage qui aide Jesel à implémenter des processus inhabituels efficacement est que sa conception et sa fabrication se déroulent dans la même installation de 10 220 m². La coordination entre fabrication et conception était essentielle pour faire cette pièce efficacement, car le mandrin de la contre-broche avait besoin d'une forme sûre sur laquelle serrer. La pièce a été redessinée pour cela. Même ainsi, la force de serrage est limitée. La pièce partiellement usinée est assez 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 tendres à force de serrage modérée, et l'agressivité des opérations d'usinage est correspondamment limitée.
• Risque de vibrissement. En plus de la force de maintien limitée, un autre facteur est encore plus significatif pour limiter l'agressivité de la coupe. Les outils rotatifs dans ce processus comportent invariablement un porte-à-faux long, car l'outil a besoin de suffisamment de dégagement pour passer au-delà des mors du mandrin. Ces outils à longueur étendue posent un risque accru de déflexion et de vibrissement qui limite la profondeur de coupe, particulièrement dans une application usinant de l'acier. Avant que ce processus ne puisse être mis en production, le personnel de Jesel a dû tester et affiner le processus soigneusement pour s'assurer que les passes d'usinage critiques ne vibrissent pas d'une manière compromettant les tolérances serrées. Même ainsi, certains outils s'usent plus rapidement qu'ils ne le feraient dans un processus plus rigide. Un outil de fraisage particulier doit être changé après chaque 10 pièces.

Retours sur investissement

Pourtant, les outils pourraient s'user rapidement dans un processus sur centre d'usinage aussi, dit-il. Un processus impliquant des centres d'usinage devrait aussi être affiné dans une certaine mesure pour assurer que les précisions critiques soient atteintes. Le fait que Jesel se soit engagé sur le processus sur tour à outils motorisés témoigne que ces défis peuvent être surmontés. En fait, ces obstacles sont minimes comparés aux risques qu'une série de mises en place sur centres d'usinage poserait pour usiner la même pièce, disent les gens de Jesel.

Un de ces risques est l'erreur. Chaque nouvelle manipulation apporte le risque d'erreur liée à la mise en place. Dans un processus à cinq mises en place, la valeur ajoutée par quatre opérations d'usinage précises pourrait toutes être perdue si le cinquième chargement de la pièce était défectueux d'une manière causant la mise au rebut. La machine tour-fraise évite ce danger en éliminant la manipulation, le processus en une prise maintenant toutes les relations caractéristique-caractéristique tout autour de la géométrie de la pièce.

En d'autres termes, pour la pièce de culbuteur, Jesel acceptera le temps de mise en place pour changer les outils, car c'est plus facile à gérer que le temps de chargement/déchargement de passer les pièces d'opération en opération sur centres d'usinage. L'atelier acceptera aussi la nécessité d'éviter et gérer le vibrissement, car c'est bien mieux que le potentiel d'erreur imprévisible et de rebut dans un processus impliquant de nombreuses manipulations.

Enfin, le personnel de Jesel acceptera aussi le fait que leur machine de tournage tourne pendant des jours et des semaines sans faire beaucoup de tournage. L'atelier continue de développer sa compréhension de l'utilisation efficace de ces machines polyvalentes, et l'expérience de faire tourner cette pièce de centre d'usinage efficacement sur un tour à outils motorisés a donné à l'atelier des insights précieux. À l'avenir, de nombreuses pièces qui sont présumément du « travail centre d'usinage » seront vues différemment.