Élever les CNC multi-broches : enseignements de l'EMO 2017

Une visite à l'EMO devrait figurer en tête de liste de quiconque veut voir les dernières technologies d'usinage. C'est un énorme salon professionnel de la fabrication, tenu pour la dernière fois en septembre 2017 à Hanovre, Allemagne. Pour les machines de production multi-broches, le Hall 17, dédié aux machines-outils multi-broches, était incontournable pour tous les passionnés de technologie d'usinage de production, y compris les journalistes du monde entier.

J'ai pris le temps d'explorer ce hall massif et me suis arrêté au stand Schütte, où des pièces de rotation complexes étaient produites par coupe à sec sur le dernier ajout au portefeuille de l'entreprise, le multi AC10-36. La nouvelle machine offre huit broches pour plus de productivité sur des pièces jusqu'à 40 mm de diamètre. Elle a attiré mon attention, non pas par sa complexité élevée, mais par la vitesse à laquelle elle produisait des pièces. En trois secondes, la pièce complète, incluant les opérations d'usinage face avant et arrière, sortait de la machine, finie et prête à être expédiée au client.

Huit broches le permettent. Le AC10-36 de Schütte offre huit broches et jusqu'à deux contre-broches pour le reprise. « Pour l'usinage arrière, qui peut être un goulot d'étranglement en production si plusieurs opérations sont nécessaires pour finir la pièce avec la contre-broche, le AC10-36 offre deux contre-broches qui peuvent travailler simultanément sur deux pièces », explique Wilfried Rupp, responsable marketing de Schütte. « Si le choix est de faire du double reprise, nous avons la solution. Il y a huit positions de chariot transversal disponibles, chacune avec la possibilité d'avoir plusieurs outils. Deux des huit chariots transversaux peuvent être outillés pour le travail sur les positions de broche principale ou les contre-broches pour donner une reprise simultanée. Quand les opérations de face avant sont terminées, les deux contre-broches saisissent chacune une pièce aux positions sept et huit et deux pièces sont terminées simultanément. »

C'est le secret derrière le temps de cycle de 3 secondes pour la pièce démontrée sur le stand de l'entreprise. Après plusieurs opérations d'usinage sur les broches principales incluant tournage diamètres intérieurs et extérieurs, tournage de profil, rainurage et perçage, la pièce est transférée aux contre-broches pour les opérations d'usinage arrière.

Haute technologie rencontre design traditionnel

Bien que la technologie huit broches ne soit pas nouvelle — Schütte propose huit broches sur ses séries G et PC de machines automatiques multi-broches depuis de nombreuses années. La machine ACX, désormais disponible mondialement, est le résultat des développements continus de la série SCX CNC six broches de la société, introduite en 2006. Pour en savoir plus, j'ai visité le siège de Schütte à Cologne, Allemagne, pour voir la machine en production réelle.

Fondée en 1880, l'entreprise familiale produit des tours automatiques multi-broches depuis 1937. En 1940, le premier tour automatique multi-broches avec chariot longitudinal à commande indépendante — un principe qui deviendra plus tard connu sous le nom de « Design Schütte » — est construit. Le Design Schütte inclut une disposition divisée des unités d'usinage pour l'usinage longitudinal et transversal sur deux bâtis de machine, explique notre hôte M. Rupp. La broche et la tête d'entraînement sont montées sur une base en composé minéral coulé résistant à la torsion et aux vibrations et reliées par une poutre de support longitudinale robuste. Cela crée un cadre en boucle fermée qui garantit une distribution optimale des forces et un haut degré de rigidité. Ce design donne à la machine un haut niveau de stabilité, qui se reflète notamment dans une grande capacité d'enlèvement de matière.

Une autre caractéristique des automatiques multi-broches de Schütte est le « Schütte-Block ». « Cela donne à nos chariots longitudinaux un haut degré de précision et de longévité et rend possibles des opérations de perçage sophistiquées. » Souvent, les clients pas trop familiers avec nos machines, par exemple en Chine, demandent pourquoi l'entreprise a choisi ce design particulier. La réponse est que c'est un design traditionnel, éprouvé, qui donne aux machines Schütte une précision inégalée et est très apprécié des clients, dit M. Rupp.

Au fil du temps, la production industrielle a reflété le besoin de pièces plus complexes en lots plus petits, cycles de vie plus courts et environnement hautement concurrentiel. Ces besoins ont orienté l'entreprise vers le développement de la série SCX de machines automatiques multi-broches CNC six broches. Dans la série SCX, tout ce qui n'est pas directement lié à la production de la pièce a été retiré de la zone d'usinage. Pas de liquide de refroidissement, de lignes de lubrification ou de câbles dans la zone de travail pour ramasser les copeaux. De plus, les chariots transversaux et longitudinaux sont équipés d'unités d'outils standard, chacune capable de maintenir plusieurs outils. Ces unités interchangeables peuvent inclure des unités pour tournage, perçage, fraisage, taillage d'engrenages, tournage sphérique et polygonal ou la plupart des autres besoins motorisés ou stationnaires.

Pourquoi a-t-il fallu 10 ans pour sortir une variante huit broches de la série SCX de tour automatique multi-broches CNC si réussie ? M. Rupp explique : « Une machine huit broches est bien plus complexe qu'une machine six broches. Il faut programmer et contrôler jusqu'à 85 axes, ce qui n'est possible qu'en utilisant un triple NCU dans la série Siemens 840D Solution Line. En même temps, il faut offrir la même interface opérateur facile à utiliser à laquelle nos clients sont habitués. »

La configuration, l'exploitation et la programmation des machines CNC ACX sont réalisées avec l'aide de l'interface utilisateur SICS développée par Schütte. Elle est optimalement adaptée à la gamme de fonctions de l'automatique multi-broches ACX. SICS fournit aux opérateurs les menus de saisie et d'exploitation prédéfinis pour leurs tâches. La coordination et la distribution des données vers les systèmes de commande et canaux individuels s'exécutent en arrière-plan et ne sont pas visibles pour l'utilisateur.

La matière est généralement fournie à la machine ACX sous forme de barre avec un diamètre jusqu'à 42 mm. Comme alternative à la barre, une alimentation automatisée de bruts ou de demi-produits via des dispositifs d'alimentation individuels est possible. Les pièces finies quittent la machine selon les exigences client via une goulotte, un convoyeur de décharge ou sont déposées de manière orientée dans des palettes. Des stations de nettoyage et de mesure peuvent être configurées selon les exigences de la pièce et intégrées dans le système de manipulation des pièces finies.

L'avantage huit broches

Les machines ACX sont conçues pour l'usinage complet — la face avant et arrière de la pièce sont terminées en un seul cycle. D'une importance décisive est le travail simultané possible de huit broches principales et jusqu'à deux contre-broches, explique M. Rupp. Toutes les broches sont équipées d'entraînements directs à refroidissement liquide — gardant la croissance thermique du porte-broche au minimum — qui permettent des vitesses de broche librement sélectionnables indépendamment les unes des autres. Avec un couple de 85 Nm, elles présentent une dynamique et une traction particulièrement élevées.

La machine peut être exploitée comme une machine huit broches pour pièces complexes nécessitant un usinage étendu, ou comme une machine double quatre broches, où elle fonctionne en fait comme deux machines travaillant ensemble simultanément sur une seule plateforme. À chaque seconde, une station d'outil a toujours un accès simultané aux mêmes outils. Comme résultat de l'usinage double quatre broches, deux pièces finies sont produites par rotation du tambour. En double usinage arrière, il y a huit positions de broche disponibles pour l'usinage face avant de la pièce et deux positions pour l'usinage arrière, et elles travaillent toutes simultanément.

D'autres augmentations de productivité peuvent être obtenues avec des chariots supplémentaires optionnels aux positions sept et huit en position de tronçonnage. « Cette fonctionnalité permet à l'utilisateur d'implémenter à la fois une opération d'usinage arrière supplémentaire ainsi qu'un pré-tronçonnage simultané d'une pièce suivante pendant l'usinage face arrière de la pièce en cours », dit M. Rupp.

Unités d'usinage

La construction de base du AC10-36 suit le concept classique de l'automatique à commande par came, où huit broches indexent dans un tambour de broche de précision verrouillé avec une grande répétabilité par un accouplement Hirth robuste. Les chariots transversaux pour l'usinage DE permettent l'usinage en axes X, Z et Y aux positions un à huit. Le chariot de l'axe X se déplace radialement par rapport à l'axe de la broche sur guides linéaires. Le mouvement de l'axe Z utilise un design de queue hydrostatique qui se déplace parallèlement à l'axe de la broche et traverse le porteur de l'axe X à 90 degrés. Les deux axes sont entraînés électromécaniquement. En utilisant l'interpolation, ils permettent le mouvement de contour X-Z aux huit stations.

Les tourelles d'outils modulaires sur chariot transversal peuvent amener un ou plusieurs outils dans la coupe à l'une des huit stations, multipliant potentiellement le nombre d'outils utilisables à une station donnée. Cette flexibilité permet d'effectuer plusieurs opérations à une seule station ou donne l'option d'avoir des outils redondants en place pour l'exploitation sans surveillance.

Chacun des chariots transversaux peut fournir une capacité d'usinage en axe Y. En plus de son mouvement linéaire, l'axe Z peut être disposé pour pivoter. Ce mouvement permet de positionner un deuxième ou troisième outil ou plus sur la pièce. Il permet aussi le fraisage en axe Y par interpolation entre l'axe X linéaire et l'axe C rotatif.

L'accouplement Hirth est utilisé pour accepter des tourelles diversement configurées qui portent les outils de coupe utilisés pour une station donnée. Comme sur la série SCX, les tourelles standard ACX incluent des dispositifs pour perçage (hors centre), perçage profond, filetage, perçage angulaire, perçage transversal, fraisage de contour, taillage d'engrenages, tournage multi-arêtes, tournage sphérique et polygonal (transversal) ainsi que chariots transversaux (bout) pour outils motorisés et stationnaires. Essentiellement important : toutes les unités peuvent être utilisées indépendamment les unes des autres à chaque position de broche.

La connexion standard permet de positionner n'importe quelle tourelle sur n'importe quel chariot transversal. Ce design modulaire convient aux outils stationnaires et motorisés. Pour les outils motorisés, un moteur intégré est monté dans la queue de l'axe Z et génère 8 500 tr/min. Les lignes de liquide de refroidissement sont aussi routées à travers la queue, gardant la zone de travail dégagée. Le liquide de refroidissement par l'outil jusqu'à 100 bar est disponible.

Les tourelles de chariots transversaux et longitudinaux utilisent des porte-outils HSK ou Capto pour un serrage solide et un changement rapide. Les interfaces d'outils de coupe standard et précises encouragent l'utilisation de pré-régleurs d'outils hors ligne pour accélérer les changements d'outils dans la machine.

Zone d'usinage librement accessible

Pour accommoder le changement de série, tout ce qui n'est pas directement lié à l'usinage des pièces a été éliminé de la zone de travail de la machine. La zone de coupe fermée ne contient ni composants d'entraînement ni guides, ni lignes de lubrification ou de refroidissement, ni câblage. C'est une zone de travail propre qui facilite l'accès pour le changement rapide d'outillage et permet une bonne évacuation des copeaux. La zone de travail ouverte et propre donne aussi à l'utilisateur la liberté d'ajouter ou retirer diverses configurations d'usinage.

« En cas d'accumulation de copeaux, il n'y a pas d'obstructions dans la zone d'évacuation de matière dues aux chariots, fixations d'entraînement, câbles ou lignes », explique M. Rupp. « Le risque d'endommagement ou de destruction de câbles ou tuyaux par des copeaux chauds ou pendant la préparation de la machine n'existe plus. Les nids de copeaux sont aussi du passé. Cela améliore clairement la fiabilité et la disponibilité des accessoires et réduit significativement les temps improductifs pour enlever les copeaux et les nids de copeaux. Pour de nombreux ateliers, c'est inestimable car l'exploitation automatique fiable ne peut être atteinte que si le problème de l'évacuation des copeaux est résolu. Et tout cela en sachant que les matériaux difficiles à usiner sont de plus en plus utilisés. Ce n'est pas seulement un vrai défi pour la capacité de la machine, mais aussi pour les copeaux, qui sont souvent longs et donc difficiles à évacuer. La disposition des systèmes d'entraînement et de guidage hors de la zone d'usinage empêche aussi efficacement la contamination de ces éléments critiques et élimine ainsi le danger d'usure prématurée. »

La série ACX de Schütte est disponible pour la distribution mondiale. Son design huit broches répond aux besoins de production flexible, volume plus faible, mélange plus élevé de plus en plus présents dans les ateliers d'usinage. En plus, le huit broches répond aussi aux besoins de production à haut volume en utilisant ses capacités d'usinage supplémentaires pour pièces complexes.