Usinage 5 axes : 10 éléments clés d'automatisation pour la précision

L'automatisation est apparente même à l'œil non averti lorsqu'on observe la nouvelle machine 5 axes de Phoenix Proto avec piscine de palettes à 6 stations et système de chargement de palettes (il en va de même pour l'une de ses machines 3 axes同様 équipées). Cela dit, il y a d'autres éléments d'automatisation, peut-être plus subtils, qui composent le processus 5 axes de l'atelier. En fait, ce sont ces éléments qui permettent au processus d'atteindre répétitivement les tolérances et finitions de surface requises pour les composants de moules en aluminium de l'atelier, tout en s'adaptant, avec une intervention humaine minime, aux variables inhérentes qui peuvent affecter négativement la précision et le débit d'usinage.

Ce point sur le débit est important, car l'objectif de l'atelier de Centreville, Michigan, est de fournir des moules en aluminium assemblés aux clients dans un délai de trois semaines, donc un délai d'exécution rapide de composants d'outillage usinés de qualité est impératif.

Bob Lammon, président de l'entreprise, dit que l'aluminium continue d'être couramment utilisé pour fabriquer des outillages de prototype et « pont » (moules utilisés temporairement pour permettre à une entreprise de commencer le moulage par injection de pièces plastiques pour de nouveaux produits en attendant l'achèvement de l'outillage de production en acier). Cependant, il voit un intérêt accru pour les moules en aluminium utilisés pour la production au lieu des traditionnels en acier.

« Selon la géométrie de la pièce moulée par injection et la résine, il est possible d'obtenir 50 000 cycles sur un moule en aluminium non revêtu », explique M. Lammon. « Dans certains cas, cela pourrait suffire à soutenir les besoins de production. Cependant, en durcissant les moules en aluminium à 54 HRC via une technologie telle que le processus de revêtement dur nickel Nibore que nous utilisons, il est possible d'obtenir 1 million de cycles ou plus pour une résine non abrasive, et peut-être 250 000 pour une résine abrasive chargée de verre. »

Les applications pour les moules que l'atelier produit sont larges, incluant des pièces pour les appareils électroménagers, l'automobile, les biens de consommation, le médical et les armes à feu. Cela conduit à un mélange élevé de tailles, de caractéristiques et de géométries de moules que la zone d'usinage doit accommoder dans un court délai. M. Lammon dit que la solution naturelle semblait être d'automatiser un processus d'usinage 5 axes à grande vitesse pour obtenir de longues périodes de production sans surveillance/lumières éteintes pour les composants de moules les plus complexes. C'est ce qu'il réalise, comme je l'ai appris lors d'une visite récente à l'atelier du Michigan.

Ajouts d'automatisation

Phoenix Proto dispose de trois machines à grande vitesse et de trois machines CNC conventionnelles. Le premier centre d'usinage automatisé que l'atelier a ajouté était un Roeders RXP500 trois axes acheté en 2012. Cette machine à moteur linéaire 42 000 tr/min dispose d'un système de changement de palette RCE 1 avec une piscine de palettes à 6 stations. Elle est maintenant utilisée principalement pour l'usinage de composants tels que des bases de moules et des blocs de cavités.

Aujourd'hui, presque tout l'usinage des cavités et noyaux de moules est effectué sur le nouveau Roeders RXP601DSH 5 axes avec un système de changement de palette RCE 2 plus grand. Cette, la première et (du moins pour l'instant) seule machine 5 axes de l'atelier, a été installée au début de 2016. Comme le Roeders 3 axes à grande vitesse, elle a aussi une broche à 42 000 tr/min et des moteurs linéaires avec une résolution de 1 nanomètre. Les moteurs linéaires sont essentiels pour un mouvement rapide, permettant des vitesses de déplacement rapide de 60 000 mm/min. Ils offrent aussi moins de frottement que les vis à billes, ce qui entraîne une consommation d'énergie inférieure.

La machine 5 axes avec enveloppe d'usinage de 540 × 635 × 400 mm et poids maximal de pièce de 200 kg présente une conception de type tourillon avec pivotement de l'axe A allant jusqu'à ±115 degrés. L'autre mouvement rotatif est fourni par le plateau de l'axe C sur le tourillon. Selon Matt Byers, président de Roeders of America, la conception de tourillon dans laquelle la broche ne fournit pas de mouvement d'axe rotatif tend à être plus rigide que les plateformes de machines 5 axes alternatives pour permettre des coupes lourdes. De plus, le centre de gravité bas pour la pièce maintient les forces d'inertie faibles pour atténuer tout effet de basculement ou d'inclinaison pendant le mouvement à grande vitesse.

M. Byers croit également que la technologie de commande propriétaire de la machine offre des avantages pour le type de fraisage à grande vitesse que Phoenix Proto effectue. Deux paramètres importants pour faciliter un fraisage à grande vitesse efficace sont l'anticipation (lookahead) et la vitesse de traitement de blocs. La CNC PC-based RMS6 de la machine offre un lookahead de 10 000 blocs et une vitesse de traitement de blocs de 0,1 milliseconde.

Le débit élevé rendu possible par les temps de cycle rapides de la machine en utilisant des techniques d'usinage à grande vitesse est complété par tous les éléments d'automatisation qui sont incorporés dans ce processus. Voici 10 éléments d'automatisation que j'ai remarqués lors de ma visite :

1. Système de chargement et piscine de palettes

Le système de changement de palette automatique RCE 2 de la machine 5 axes a une piscine de palettes à 6 stations, bien que l'atelier fixera parfois plus d'une pièce sur une palette. Chaque palette mesure 600 × 400 mm.

Sur demande de Phoenix Proto, le préhenseur du système de chargement a été modifié. À l'origine, il ne pouvait y avoir aucun débordement de pièce hors des bords de la palette. En modifiant le préhenseur pour qu'il prenne par le bas de la palette, le système peut maintenant charger des pièces plus grandes. Maintenant, la taille de la pièce est limitée uniquement par la capacité de la machine, pas par le chargeur.

L'atelier utilise le logiciel de gestion des travaux de Roeders pour planifier et gérer les travaux. Il essaie de planifier les longs pour qu'ils tournent la nuit et les week-ends, fonctionnant actuellement sur un quart de 12 heures cinq jours par semaine. Alternativement, il essaie de s'assurer qu'il y a assez de travaux courts mis en place pour permettre à la machine de rester occupée par elle-même.

2. Machine

L'usinage 5 axes est en soi une forme d'automatisation. Il y a deux types de processus 5 axes : le contouring et le positionnement (aussi connu sous le nom de « 3+2 »). Phoenix Proto effectue du positionnement 3+2 sur cette machine 75 % du temps. Pour cela, la machine utilise ses deux axes rotatifs supplémentaires seulement pour incliner angulairement la pièce et la verrouille ensuite dans cette position. Après cela, elle effectue ce qui revient à une opération 3 axes dans cette orientation. Un avantage est que cela offre l'accès de l'outil à cinq faces d'une pièce en un seul serrage. Cela minimise le nombre de mises en place, le nombre de machines sur lesquelles une pièce pourrait autrement devoir passer, et donc le nombre de fois où une pièce est « touchée » pendant la production (c'est-à-dire, c'est de l'« automatisation »).

La capacité d'inclinaison de la pièce via 3+2 permet également aux outils d'atteindre loin dans les pièces pour créer des caractéristiques de moule délicates telles que des nervures profondes. Dans certains cas, cela a éliminé les opérations d'électroérosion par enfonçage secondaires et le besoin associé d'usiner des électrodes. De plus, les porte-outils à retrait par shrinkage utilisés ont des diamètres plus petits que les conceptions à collet pour fournir un dégagement supplémentaire.

Avec 3+2, l'atelier est également capable d'utiliser des fraises plus courtes et plus rigides. Des coupes plus rapides et plus agressives peuvent être faites en utilisant des outils plus courts sans autant de risque de vibration ou de chatter qui peut se produire si des outils plus longs sont requis. La vibration et le chatter peuvent mener à de mauvaises finitions de surface, ce qui, dans le cas de Phoenix Proto, nécessiterait plus de travail manuel sur les composants de moule ou même un travail d'électroérosion secondaire pour obtenir des finitions de qualité, prolongeant le temps de production global. L'atelier est également capable de réaliser une durée de vie d'outil améliorée pour les fraises à bout hémisphérique, car lorsque les pièces sont inclinées à différents angles, plus du rayon de l'outil peut être utilisé, pas seulement la pointe. L'usinage sur d'autres zones du rayon et non la pointe (le point où la vitesse de rotation est zéro) mène aussi à de meilleures finitions de surface.

3. Palpage à déclenchement tactile

Après le chargement d'une nouvelle pièce dans la machine, une routine de palpage automatique avec une sonde à déclenchement tactile identifie l'emplacement de plusieurs points sur la pièce ou le dispositif de serrage pour établir l'emplacement exact de la pièce sur la machine. La CNC de la machine ajuste alors automatiquement le système de coordonnées de travail natif pour le faire correspondre. Cela élimine le calage manuel, le nudging de pièce et autres tâches chronophages qui seraient autrement nécessaires pour mettre la pièce de niveau et l'aligner pour correspondre parfaitement au système de coordonnées de la machine.

4. Cycle d'étalonnage automatique

La machine 5 axes a divers canaux de refroidissement dans sa base, rails, chariots, etc., pour que ces composants ne se dilatent pas en raison de sources de chaleur internes. Cependant, pour s'adapter aux fluctuations de température ambiante à l'intérieur d'un atelier (disons du début d'une journée à la fin de la journée), un cycle d'étalonnage automatique utilisant la sonde à déclenchement tactile peut être effectué.

Le cycle d'étalonnage Roeders est effectué différemment de la plupart des autres processus des constructeurs de machines-outils, explique M. Byers. Il dit que ces cycles exigent généralement que la palette actuellement chargée dans la machine soit retirée et remplacée par une autre palette ayant une bille de référence. Cette bille est ensuite palpee pour déterminer de combien un décalage dans son emplacement s'est produit en raison des changements de température ambiante de l'atelier. Inversement, le cycle Roeders n'exige pas que la palette existante avec la pièce soit retirée. La machine a des prismes rectifiés de précision sur son moulage de bras de tourillon et sur son moulage de moteur d'axe C qui sont palpees pour déterminer tout changement de position et, si nécessaire, compenser automatiquement ces changements. Phoenix Proto effectue cette routine d'étalonnage une fois par mois, sauf si un problème est remarqué, et parfois la réalise avant une passe de finition critique.

5. Compensation de croissance de la broche

M. Byers dit que certains constructeurs de machines-outils créent des algorithmes pour chaque machine avant l'expédition à un client pour approximer combien sa broche se dilatera à différentes vitesses et temps de fonctionnement. Cependant, il note qu'il est essentiellement impossible de tenir compte de toutes les diverses façons dont le client pourrait utiliser la machine d'un jour à l'autre. La machine 5 axes de Phoenix Proto a un système optionnel de compensation de broche automatique pour s'adapter à l'expansion (ou la contraction) de la broche en temps réel. Le système utilise un capteur sans contact attaché à un bras en L positionné près de la face de la broche (voir la photo dans le diaporama ci-dessus). Le capteur avec une résolution nanométrique détecte de combien la broche se dilate ou se contracte pendant le fonctionnement et renvoie cette information à la CNC pour ajuster l'axe Z vers le haut ou vers le bas pour compenser. C'est particulièrement important pour les opérations 5 axes, car lorsque une pièce est inclinée, la croissance de la broche pourrait affecter l'emplacement de la pointe de l'outil dans les trois axes linéaires, pas seulement en Z. La compensation automatique aide à assurer de bonnes finitions de surface et des raccords constants.

6. Réglage d'outil laser sur machine

Après chaque changement d'outil, la longueur et le diamètre du nouvel outil sont automatiquement mesurés en utilisant la sonde de réglage d'outil laser Blum sur machine. (La sonde laser ainsi que la bille de calibration de la sonde tactile sont situées en dehors de la zone d'usinage dans le changeur d'outils afin qu'elles soient protégées contre les copeaux et le liquide de refroidissement.) L'atelier spécifie une bande de tolérance pour le diamètre de chaque outil. Si la sonde détecte que le diamètre d'un outil est hors tolérance, elle n'autorisera pas l'usinage à être effectué avec cet outil. Par exemple, si une fraise à bout hémisphérique de 6,35 mm mesure ±0,005 mm trop grand ou trop petit, elle ne sera pas utilisée. Cela s'applique aussi à la longueur de la fraise.

Avant cela, le laser détermine si l'outil qui est changé s'est cassé. Si l'outil est cassé, mais est programmé pour être utilisé sur les travaux subséquents en file d'attente dans la piscine de palettes, il n'arrêtera pas la production sur ces travaux. « Par exemple, si l'outil en position ATC cinq est trouvé cassé, la machine retirera la pièce dans laquelle cet outil s'est cassé, chargera le prochain travail programmé et exécutera ce travail jusqu'à l'étape où l'outil en station cinq serait utilisé », explique le fils de M. Lammon, Scott, directeur des opérations de l'entreprise et l'un des deux qui programment et mettent en place la machine 5 axes. « Ensuite, la machine retirerait cette pièce et passerait au travail suivant dans la file d'attente. Ce processus se poursuivrait pour chaque travail chargé. »

7. Ajustement de la buse de liquide de refroidissement

Au lieu d'utiliser seulement des buses de liquide de refroidissement flexibles conventionnelles qui doivent être positionnées manuellement, la machine 5 axes a un système de distribution de liquide de refroidissement qui ajuste automatiquement la direction du jet de liquide de refroidissement vers le point de coupe, peu importe la longueur de l'outil. La direction des buses est ajustée via un code M basé sur la longueur connue du prochain outil qui est installé dans la broche.

8. Fonction de programmation d'inclinaison automatique

Chris Claar est le responsable de l'ingénierie de Phoenix Proto qui programme et met en place aussi la machine 5 axes. Il dit qu'en 2010, l'atelier a réalisé une étude de temps comparant son logiciel CFAO précédent avec le logiciel Cimatron. « Nous sommes passés à Cimatron après que notre étude a montré une économie de 30 % du temps de programmation par rapport à l'autre logiciel », explique M. Claar. « Une fonction d'économie de temps que nous apprécions est la fonction d'inclinaison automatique 5 axes. Parce que nous avons tous les composants de la machine ainsi que la pièce, le serrage et l'outillage modélisés en 3D dans le logiciel, la fonction d'inclinaison automatique est capable de déterminer à quelle profondeur la fraise ou le porte-outil heurterait la pièce, et incline alors automatiquement la pièce pour éviter la collision et permettre à l'opération de continuer. » Le logiciel utilise aussi ces modèles 3D pour permettre aux programmeurs d'effectuer une simulation hors ligne des opérations d'usinage pour détecter les collisions potentielles.

9. Vérification de syntaxe

En plus des programmeurs qui exécutent des simulations hors ligne dans Cimatron pour chaque programme, ils utilisent aussi une fonction de vérification de syntaxe dans la commande Roeders qui relit automatiquement le programme et le post-processeur pour identifier toute erreur avant que ce travail ne soit programmé.

10. Redémarrage de programme

S'il y a un besoin d'arrêter la machine au milieu d'un programme, il n'est pas nécessaire pour le programmeur d'entrer manuellement dans le programme posté, de rechercher le numéro de ligne auquel la machine s'est arrêtée, puis d'effacer tout le code au-dessus pour qu'il redémarre à la position appropriée où il s'est arrêté. Avec la commande Roeders, un opérateur entre simplement le numéro de ligne dans le fichier de commande, et il lira automatiquement le programme et redémarrera à partir de là.

Tranquillité d'esprit de l'automatisation

Bien qu'une bonne dose de réflexion ait été consacrée à la stratégie d'usinage sans surveillance de Phoenix Proto, elle réalise que l'inattendu peut survenir. C'est pourquoi les machines Roeders 3 et 5 axes sont configurées pour envoyer des alertes par texte ou e-mail avec les messages d'erreur. Il est également possible de se connecter à distance aux commandes des machines via le logiciel en ligne « Team Viewer », tout comme les techniciens de service de Roeders peuvent effectuer des diagnostics à distance pour avoir une idée si un composant doit être remplacé, si un entraînement doit être réglé, etc. (En fait, le réglage d'entraînement peut être effectué à distance en utilisant ce logiciel, dit M. Byers.)

Cela dit, l'atelier a une autre option. Il a suspendu une caméra au plafond entre les deux machines Roeders que ses programmeurs peuvent consulter via leurs téléphones pour voir ce qui se passe (voir la photo dans le diaporama en haut de cette page). Ils peuvent faire pivoter la caméra et zoomer sur une machine ou son écran CNC pour voir (et entendre) l'état des travaux en cours. « Aussi occupés que nous le sommes maintenant, je vérifierai sur mon téléphone à certains moments pendant la nuit, car une machine en panne peut vraiment mettre un frein à notre planning », dit M. Claar. « C'est comme si j'étais debout à la machine. »