Élever l'usinage multi-broches CNC : opérations avancées et précision

La technologie CNC a radicalement changé la nature de l'usinage sur machine multi-broches. Le mouvement des porte-outils et glissières à chaque poste d'indexage est commandé par servomoteurs CNC sous commande programmée, non plus par cames mécaniques. Il est possible d'effectuer une gamme d'opérations non-tournage (fraisage, perçage, taraudage, taillage) à chaque poste, en plus de toutes les opérations de tournage. Une grande variété de pièces peut être terminée en un seul passage sur un multi-broches CNC. De plus, mises en place et changements de série sont grandement simplifiés car les mouvements d'outils peuvent être reprogrammés au lieu de produire et installer un nouveau jeu de cames.

Développements innovants sur la ligne TMZ de Mori-Say (ZPS America)

Des développements innovants sur la ligne TMZ de multi-broches Mori-Say de ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) promettent d'élever le CNC à un nouveau niveau. L'un d'eux : un nouveau système d'entraînement permettant de programmer indépendamment la vitesse de rotation de l'axe C de chaque broche. Cette capacité permet d'optimiser les vitesses pour des opérations spécifiques, rendant les opérations CNC plus flexibles et efficaces tout en simplifiant davantage mise en place et changement. Plus important, disent les développeurs, de nouvelles classes de pièces peuvent maintenant être produites efficacement et économiquement sur un multi-broches : pièces souvent produites sur tours-fraiseuses ou cellules multi-machines. Pièces complexes nécessitant variété de tournage et opérations non-tournage haute précision finies en un passage, sans nécessiter de grands volumes pour être économiques.

Nouvelle génération : deux modèles distincts

Cette nouvelle génération comprend deux modèles distincts. Le Mori-Say TMZ642, version 6 broches, introduit en Amérique du Nord à l'IMTS 2008 à Chicago. Le Mori-Say TMZ867, version 8 broches pour pièces plus grandes et coupes plus lourdes, sera introduit au PMTS (Columbus, Ohio, avril 2009).

Un concept d'entraînement novateur

Le nouveau système d'entraînement suit un concept de conception inhabituel. Selon Olaf Tessarzyk, associé directeur et président de ZPS America, c'est ce système qui distingue ces machines des autres designs multi-broches. Le système utilise un arbre d'entraînement composite unique pour alimenter toutes les broches du tambour rotatif, mais chaque broche peut tourner à une vitesse différente. Vitesses disponibles : 2 000 à 6 000 tr/min. L'utilisateur choisit la vitesse adaptée aux opérations de chaque poste, évitant les compromis de performance d'outil, finition ou temps de cycle résultant de l'application d'une vitesse unique à toutes les broches comme dans les designs conventionnels.

Comment plusieurs broches peuvent-elles tourner à des vitesses différentes avec un seul arbre d'entraînement ? L'« arbre » est en réalité un assemblage de tubes télescopiques — un tube par broche. Les tubes sont de longueurs inégales — le plus interne le plus long, le plus externe le plus court. Côté moteur, la différence de longueur permet d'attacher poulies, courroies et engrenages de chaque ensemble de moteurs sans interférence. Chaque tube peut ainsi être couplé à son propre système d'entraînement. Les moteurs sont servo-commandés pour que la broche correspondante tourne à la vitesse programmée. Les tubes sont aussi « étagés » côté coupe, où l'engrenage au bout de chaque tube transmet le mouvement à sa broche. Des roulements à l'intérieur de l'assemblage permettent à tous les tubes de tourner avec friction minimale.

Avantages techniques

Premier avantage : éloigner la chaleur du banc de moteurs du tambour de broches, assurant stabilité thermique sans système de refroidissement élaboré. De plus, les broches restent toujours connectées à leurs moteurs sans contacts d'alimentation complexes à déconnecter/reconnecter à chaque cycle d'indexage. Le tambour n'a pas à « se dévider » pour éviter d'enrouler des câbles. En fait, les tambours sur ces nouveaux modèles peuvent tourner dans les deux sens.

Mori-Say, ZPS, TAJMAC : des noms peu familiers

La plupart des utilisateurs américains ne connaissent pas Mori-Say comme marque. ZPS-America et sa maison mère TAJMAC Group le sont aussi peu. TAJMAC (prononcé TIE-mack) est un groupe multinational de construction, distribution et sourcing de machines-outils, basé près de Milan, Italie. Formé après WWII par Amedeo Tajariol. Son fils Andrea dirige maintenant le siège. Le fils d'Andrea, Michele, dirige l'usine TAJMAC-ZPS en République tchèque.

ZPS (acronyme tchèque pour « Usines de Génie de Précision ») est l'usine principale du groupe TAJMAC. Située près de Zlin, ville du centre de la République tchèque. Depuis des années, ZPS produit divers types de machines pour marquage privé par plusieurs entreprises américaines et japonaises connues. Donc, bien que ZPS soit peu connu, beaucoup de clients américains connaissent probablement ces machines sous un autre nom.

ZPS a une histoire depuis les années 1900. Production CNC depuis les années 1980. Après la chute du rideau de fer, plusieurs changements de propriété. TAJMAC a acquis en 2000. Une partie du complexe ZPS inclut l'une des fonderies les plus modernes d'Europe, produisant les fontes pour les multi-broches et d'autres modèles ZPS et nombreux constructeurs externes. Avoir une fonderie experte en fontes de machines-outils est un atout clé. Les nouveaux multi-broches en sont un exemple.

La conception du bloc central, contribuant significativement à la rigidité et précision de la structure, nécessite une fonte complexe que peu de fonderies pourraient produire fiablement et économiquement, dit Michele Tajariol. Cette fonte permet d'assembler tambour, bloc central et accouplement dans une configuration permettant la rotation du tambour sous puissance pour roder engrenages et roulements. Ces composants sont finis comme assemblage intégral seulement après cette période de rodage. Inclus les étapes finales sur les alésages de broches, finis sur une grande machine d'alésage de précision pendant que le tambour avec couplage Hirth est en position dans la fonte. Cette approche atteint un centrage presque parfait des broches. Résultat : positionnement hautement précis à l'indexage, permettant l'usinage haute précision de pièces complexes.

ZPS produit des multi-broches depuis les années 1950. La firme avait prévu d'entrer au marché US il y a ~20 ans, mais sans suite. TAJMAC-ZPS a récemment relancé les plans. ZPS-America, formé mi-2000, a construit un centre technique à Indianapolis (showroom, formation, pièces, service). Ouvert l'an dernier.

Machines qui font réfléchir

M. Tessarzyk croit que les multi-broches à capacité CNC étendue susciteront une réflexion sur l'application de cette classe de machines, mais elles doivent être compétitives en coût et fiables. À son avis, ce serait un exercice sain pour les entreprises US, qui ont une forte tradition d'adaptation aux nouvelles idées. Les ateliers rapides à repenser processus et pratiques pour profiter des nouveaux développements ont souvent un net avantage. Cette agilité mentale et ingéniosité maintiennent les meilleurs ateliers en tête. Les nouvelles machines Mori-Say vont à nouveau défier les ateliers à envelopper leur esprit autour de nouvelles possibilités pour une production efficace.

Deux classes d'utilisateurs potentiels distinctes, toutes deux challengées : 1) utilisateurs actuels de multi-broches — comprendre comment pièces nécessitant beaucoup d'opérations non-tournage peuvent être finies en une mise en place. 2) ateliers de production usinant ce type de pièces sur cellules multi-machines, tours-fraiseuses ou machines à transfert rotatif — considérer un multi-broches, largement ignoré car mises en place supposées compliquées et longues. Pensée conventionnelle : multi-broches = gros volumes pièces tournées.

Nouvelles stratégies possibles : profils d'adoptants précoces

Deux profils d'adoptants précoces du TMZ642 montrent comment ces machines changent les stratégies : un fabricant d'accessoires de soudage passé de multi-broches mécaniques et tours-fraiseuses haut de gamme ; un tourneur traditionnel diversifié dans pièces complexes en matériaux difficiles.

Trafimet (Italie) : torches, connecteurs, consommables, millions de pièces/an, majorité connecteurs, sockets, adaptateurs, pointes de torche en cuivre/laiton. Deux multi-broches 8 broches mécaniques + quatre 6 broches mécaniques pour pièces complexes gros volumes. Plusieurs tours-fraiseuses mono-broche 3 tourelles pour pièces moins complexes, séries courtes. En 2006, demande en hausse pour sockets/fiches. Ingénieurs ont considéré 8 broches auto mais inquiets changement rapide. Ont considéré TMZ642 fraîchement introduit en Europe. Approprié pour mix produits divers, séries 10 000-50 000 pièces.

« TAJMAC nous a aidés à penser différemment nos processus, et ainsi atteindre de meilleurs résultats », dit Ugo Simioni, ingénieur industriel. L'indépendance de chaque broche permet beaucoup de types d'usinage, dont opérations nécessitant arrêt broche ou broche axe C orientée indépendamment. « Ça fait de la machine un vrai et complet centre tournage-fraisage. » « En temps difficiles, on peut déplacer certains produits sur le TMZ et gérer des lots plus petits en réduisant temps de cycle/pièce. Une pièce tournait sur mono-broche tour-fraisage ~1 min. Avec un peu de planification, même pièce économiquement en lots 5 000 — temps cycle 12 s — avec 3 changements/semaine sur nouvelle machine. » Ingénieurs avaient déterminé 15 s pour lots 10 000-20 000 économiquement. « Entraînements broches indépendants, système avancé, axes supplémentaires et autres améliorations rendent la machine extrêmement polyvalente, nous permettant de trouver de nouvelles façons de réduire coûts produit. »

BRB (près Bergame, Italie) : tourneur traditionnel transitionnant vers pièces complexes haute précision en matériaux difficiles. Premier TMZ642 acquis sept 2008. Machine a permis de gagner commandes pour manchon hydraulique complexe en inox. Perçage de plusieurs petits trous transversaux à différents angles par rapport à l'axe. Tolérance serrée → rigidité cruciale. Autre point critique : chaque broche doit serrer solidement pour usinage haut couple sur inox. Ex: fraise 3 dents pour rainures sur une extrémité. Habituellement lame scie circulaire, mais aucune ne tenait l'inox aux vitesses requises pour temps cycle. Temps cycles si courts que poste de contrôle spécial développé pour échantillonnage et documenter Cpk élevé spécifié.

BRB voit son avenir dans ce type de pièces. Pas typiquement produites sur multi-broches, l'atelier croit pouvoir être hautement compétitif vs entreprises produisant ce type sur tours CNC.

Une opportunité historique

Job shops et ateliers de production face à un scénario remarquable. Coûts production croissants et autres facteurs rendent moins favorable l'approvisionnement offshore. Acheteurs chercheront producteurs capables localement profitant nouvelle tech, logistique simplifiée, coûts transport moindres, meilleure communication. Mais devront encore approcher le « prix Chine » pour rester compétitifs globalement.

Tessarzyk croit que cette situation présente une opportunité remarquable pour entreprises rapides à adopter nouveaux développements d'usinage. Ses stratégies de traitement pièces tirent parti de la flexibilité/capacité de ses multi-broches, mais c'est un exemple de shift technologique appelant shift de perspective. Tourneurs devront devenir fournisseurs production CNC séries courtes délais courts. Ateliers CNC devront passer de machines simples faisant manœuvres complexes à machines complexes tirant le meilleur de mouvements simples.

Modèle 8 broches pour pièces grandes et dures : TMZ867

Bien que le TMZ867 fasse ses débuts nord-américains au PMTS (avril 2009), un modèle est déjà en démo au showroom TAJMAC-ZPS près de Milan. Une pièce testée récemment exemplifie les capacités et renforce que les applications multi-broches évoluent.

Pièce : composant colonne direction inox. Haute teneur nickel/chrome → couple élevé requis. Autrefois sur tour suisse lourd (poulie mobile) : temps cycle 60 s. Sur multi-broches : 16 s. Les deux finissent en un passage. Selon Tessarzyk, multi-broches aussi précis que suisse. Pièce inhabituellement grande pour multi-broches. TMZ867 accueille barre 72 mm, fonctionne en chariot ouvert. Équipement standard : 8 broches horizontales CNC AC indépendantes, 8 glissières composées (X,Z), 8 porte-outils avec 8 outils entraînés 12 000 tr/min, 5 outils reprise (3 entraînés), outillage VDI pré-réglable. Système entraînement même principes TMZ642 : chaque broche liée par arbre composite à son moteur dans tambour avec couplage Hirth précis. Évite indexage inverse, connexion/déconnexion moteurs, refroidissement tambour.