Stewart-Haas Racing booste performance et réduit coûts grâce à des stratégies d'usinage intelligentes

KANNAPOLIS, NC — Comme la plupart des constructeurs automobiles, les équipes NASCAR sont motivées pour fabriquer des pièces de véhicule meilleures, moins chères et plus vite. Des centaines de grandes marques Fortune 500 sont hautement visibles sur les livrées évocatrices des véhicules, témoignant d'un investissement sain et continu dans le sport.

Pourtant, la prudence prévaut dans toute entreprise avisée et les équipes de course cherchent des moyens créatifs d'économiser. Cela inclut leurs opérations d'usinage. L'une des façons dont Stewart-Haas Racing y parvient est d'appliquer les trajectoires d'outils Dynamic Motion de leur logiciel CAO/FAO Mastercam (CNC Software Inc., Tolland, CT).

Stewart-Haas Racing est l'équipe championne NASCAR copropriétaire du triple champion de la Monster Energy NASCAR Cup Series Tony Stewart et de Gene Haas, fondateur de Haas Automation, le plus grand constructeur de machines-outils à commande numérique en Amérique du Nord.

L'organisation engage quatre voitures en Monster Energy NASCAR Cup Series — la n°4 Ford Fusion pour Kevin Harvick, la n°10 pour Aric Almirola, la n°14 pour Clint Bowyer et la n°41 pour Kurt Busch. L'équipe participe aussi à la NASCAR XFINITY Series avec une entrée à temps plein — la n°00 Ford Mustang pour Cole Custer — et une entrée à temps partiel, la n°98 Ford Mustang. Basée à Kannapolis, NC, Stewart-Haas Racing opère depuis une installation de 200 000 pi² (18 580 m²) avec environ 370 employés.

Une surface très active de 4 000 pi² (372 m²) de cet espace est l'atelier d'usinage de l'entreprise. Stewart-Haas Racing a renforcé ses stratégies de fabrication pour produire davantage de pièces autrefois sous-traitées. Cela offre à l'équipe un meilleur contrôle qualité, des délais de livraison améliorés et une protection accrue pour les designs propriétaires. Faire plus a conduit Stewart-Haas à rationaliser sa liste de machines (principalement des machines Haas), ses processus et procédures de fabrication, et sa programmation de pièces CNC — spécifiquement avec les nouvelles trajectoires Dynamic Motion.

Explication

Bien que ces trajectoires d'outils CAM avancées soient présentes dans les dernières versions de Mastercam depuis leur lancement il y a environ 10 ans, elles restent nouvelles pour beaucoup dans la fabrication et sont continuellement améliorées et intégrées dans davantage de fonctionnalités pour le fraisage et le tournage.

Voici une brève explication : Typiquement, les programmes CNC conventionnels sont basés sur des frontières géométriques. L'outil entre dans la matière, puis suit une direction jusqu'à rencontrer un obstacle, puis change de direction. L'outil couvre toute la zone dictée par le modèle de pièce, coupant ce qui se trouve sur son chemin. Parfois c'est de la matière, parfois c'est de l'air improductif.

Les trajectoires Dynamic Motion, plus récentes, font comporter l'outil de manière non conventionnelle. Le mouvement de l'outil est régi par un ensemble de règles hautement ingénieuses qui prennent en compte à la fois la zone d'où la matière doit être enlevée et l'état changeant de la matière tout au long des étapes d'usinage. Les algorithmes propriétaires anticipent la suite, évaluent les alternatives, et modifient automatiquement les avances, les pas et les mouvements de coupe en réponse aux conditions changeantes de la matière au fur et à mesure que la pièce est usinée.

L'objectif est d'enlever la matière plus efficacement en contrôlant les forces latérales pour éviter les excès qui génèrent de la chaleur. Souvent appelé « usinage à charge de copeau constante », les mouvements plus fluides et plus sûrs — constamment dans la coupe — allègent les contraintes sur les outils de coupe et les machines, augmentant leur longévité.

« La plus grande transformation que j'ai vue l'an dernier dans notre atelier est l'adoption complète des trajectoires dynamiques de Mastercam », a déclaré John Simmons, responsable de l'atelier CNC chez Stewart-Haas Racing.
« Elles sont très puissantes. Nous pouvons maintenant faire des pièces complètes directement à partir d'un gros lingot, au lieu de devoir faire de plus petits composants et les souder », a-t-il dit. « Les trajectoires dynamiques nous donnent beaucoup plus d'engagement outil, ce qui réduit le besoin d'optimiser les trajectoires d'ébauche et nous permet d'atteindre les opérations de finition beaucoup plus vite. »

Augmentations de vitesse

Pour illustrer à quel point c'est plus rapide, Simmons cite un composant de biellette de direction comme l'une des nombreuses applications de pièces bénéficiant des trajectoires Dynamic Motion. La biellette de direction relie la boîte de direction aux roues, un composant très important. La pièce commence sur son centre d'usinage vertical CNC Haas modèle VF6 TR (pour trunnion) 50-taper comme une barre massive de 150 lb (68 kg) d'acier allié d'environ 4" × 5" × 23,5" (102 × 127 × 597 mm). Le processus d'ébauche prenait 12 heures, il est maintenant descendu à sept heures grâce aux trajectoires « conscientes de la matière ».

« Je dirais que nous sommes 60 à 75 % plus efficaces et ce n'est pas seulement le temps de coupe, mais nous obtenons aussi une durée de vie d'outil significativement plus longue avec le Dynamic Motion », a déclaré Simmons.

Les opérations ultérieures de fraisage de contour 3D affinent les dimensions critiques. Les tolérances, la géométrie de finition et le poids de la pièce n'ont pas été divulgués par Simmons pour des raisons concurrentielles. Cependant, il a fourni les principales causes de l'amélioration de l'efficacité de coupe en ébauche avec les trajectoires avancées :

• Pas minimaux pour éviter l'accumulation de chaleur et les forces latérales excessives ;
• Mouvements fluides qui allègent les contraintes sur les outils et les machines ;
• Vitesses de broche élevées ;
• Engagement maximal des goujures pour des coupes qui enlèvent le plus de matière ;
• Engagement matière continu (fraisage en montée) pour minimiser la coupe à vide ;
• Ajustements dynamiques des pas pour maintenir la charge d'outil constante ;
• Stratégies d'entrée d'outil qui présentent l'outil à la matière à l'angle le plus sûr ;
• « Conscience matière » qui maintient l'outil dans une condition de coupe constante et sûre indépendamment de la géométrie du contour (elle modifie le trajet pour que les copeaux aient la même taille) ;
• Micro-relèvements qui soulèvent le coupeur loin du fond de la pièce ou des parois pour éviter l'accumulation de chaleur lors des ajustements de vitesse de coupe pendant le repositionnement.

« Technologie complexe »

En plus du centre d'usinage vertical Haas VF6 TR robuste, l'atelier Haas compte 14 autres machines-outils. Les centres de tournage CNC Haas avec têtes de fraisage actives ont été les ajouts les plus récents, Simmons indiquant que ce sont principalement des pièces tournées qui étaient autrefois sous-traitées mais sont maintenant produites en interne. En plus des opérations d'usinage, la zone d'atelier dispose d'un département de contrôle qualité entièrement équipé qui vérifie chaque pièce minutieusement pour détecter les défauts.

« À mesure que la technologie complexe devient plus pervasive dans notre atelier, le soutien que nous recevons de nos divers fournisseurs est d'une importance primordiale », a déclaré Simmons. « Ce n'est pas seulement avoir la technologie, nous voulons nous assurer que nous en tirons le maximum pour finalement économiser de l'argent, améliorer les efficacités et faire des véhicules compétitifs.

« Par exemple, l'évolution vers la façon de penser des trajectoires dynamiques, bien que valant le coup pour les bénéfices, peut être délicate à naviguer », a-t-il ajouté. « Il faut se souvenir que j'ai été programmeur CNC pendant presque 15 ans de ma carrière. La lumière s'est allumée beaucoup plus vite avec l'aide des ingénieurs d'application de CNC Software et de leur revendeur dans ma région, Barefoot CNC. »

Édité par l'éditeur de l'Annuaire des Véhicules Motorisés Bill Koenig à partir d'informations fournies par CNC Software.