Maximiser l'efficacité : capacités des machines-outils horizontales pour l'usinage de grandes pièces

Des plateformes polyvalentes gèrent le traitement avec une efficacité maximale

Les centres d'usinage horizontaux (CUH) sont des plateformes machines polyvalentes à quatre axes et, de plus en plus, à cinq axes qui maximisent le traitement de grandes pièces multi-faces en minimisant la manipulation des pièces. Ils sont utilisés dans des industries aussi diverses que l'aérospatiale, l'automobile, la production d'énergie et l'ingénierie générale.

Avec leurs capacités de production quasi universelles, les CUH offrent de nombreux choix aux fabricants, les rendant moins sensibles aux fluctuations cycliques d'une seule industrie, comme le pétrole et le gaz. Les CUH sont facilement automatisés. Ils sont généralement équipés de doubles plateaux pour des pièces montées sur tombstone, une seule pièce, ou ils peuvent être automatisés avec des pools de plateaux de six ou plus. Pour la production sans surveillance, des systèmes de fabrication flexibles linéaires (alimentés par des stockeurs et servis par des robots à guidage aérien sur rail ou des robots six axes sur pied) sont disponibles. Les pièces uniques de grande taille vont des blocs moteurs aux forets de champs pétrolifères, corps de pompes et collecteurs, et familles de composants montés sur tombstone.

Adapter les machines, grandes pièces

Lorsqu'il s'agit d'usiner de grandes pièces, la rigidité de la machine et sa construction fondamentale sont critiques pour l'efficacité du processus, la précision et la constance, selon Sal Swierczek, directeur adjoint des ventes, Kitamura USA Inc., Wheeling, Illinois.

« La série HXiG de CUH de Kitamura va de 250 à 1250 mm de taille de table avec des broches à 4 vitesses, entraînées par engrenages, à 8 000 ou 12 000 tr/min qui délivrent 430 à 900 ft-lb de couple pour couper des matériaux exotiques », a-t-il dit. « Ces CUH comportent des vis à billes doubles refroidies à l'huile sur des glissières en boîte qui sont trempées et rectifiées par induction en interne, selon le processus breveté de Kitamura pour une finition de surface sous 4 µm pour un accouplement supérieur, une précision et une fiabilité à long terme. Le savoir-faire dans les techniques de raclage manuel permet des précisions constantes de ±0,002 mm course complète et ±0,001 mm de répétabilité. »

La première considération, bien sûr, est que la pièce s'adapte à l'enveloppe de travail de la machine, que ce soit en chargeant une pièce sur la table ou en chargeant plusieurs pièces pour augmenter le débit, selon Swierczek. « Les critères clés de sélection de machine incluent la capacité de la machine (y compris la taille globale), la puissance de la broche, la rigidité, le nombre d'outils, la sélection de la taille du magasin, et le cône et les tailles d'outils », a-t-il dit. « Les machines horizontales Kitamura ont un changeur de palettes automatique (CPA) standard à deux stations avec une option pour augmenter le nombre de palettes avec des pools de palettes sur le terrain. »

Swierczek a ajouté que « la capacité d'automatiser répond à l'un des défis auxquels font face les ateliers aujourd'hui, et c'est la difficulté de trouver des opérateurs qualifiés et une main-d'œuvre capable de gérer l'usinage sans surveillance. »

Les centres d'usinage horizontaux offrent une flexibilité bien nécessaire dans le traitement des pièces. « Comparé à un centre d'usinage à trois axes, les centres d'usinage à quatre axes complets minimisent la manipulation des pièces, réduisant le nombre de fois où une pièce doit être retournée de six à deux », a dit Swierczek. « Avec le quatrième axe sur le centre d'usinage, l'opérateur peut approcher la pièce par l'avant et les deux côtés, puis la repositionner pour le traitement final. »

De plus, les CUH Kitamura peuvent être étendus à l'usinage cinq axes complet au fur et à mesure que l'entreprise de l'atelier grandit. Kitamura propose son propre contrôle CNC Arumatik-Mi, piloté par icônes, qui est compatible avec la programmation FANUC. Le contrôle Arumatik-Mi détecte l'usure de l'outil et contrôle automatiquement le débit d'avance en surveillant la charge de la broche en direct pendant l'usinage. La durée de vie de l'outil est maximisée et le temps de cycle est considérablement raccourci en s'adaptant au changement des conditions de coupe. Les avantages supplémentaires incluent la réduction du temps improductif et la prévention des collisions de machine et/ou des erreurs humaines.

Machines pour grandes pièces

Pour l'usinage de grandes pièces, Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., propose deux lignes de centres d'usinage horizontaux : Niigata et KIWA Japan. « La ligne KIWA Japan est connue pour l'usinage à haute vitesse et haute fiabilité, généralement pour les ateliers de travaux et les ateliers de rang un et deux de l'automobile », a déclaré Dale Hedberg, vice-président des opérations. « La ligne de produits Niigata est conçue pour les applications de coupe lourde où l'usinage à basse fréquence et les taux d'enlèvement de matière élevés sont requis. »

La ligne de produits Niigata comprend les HN50E-5X et HN63E-5X à cinq axes, les HN50 à HN1600 à quatre axes, les HN800 à HN1600-BAR et les HN800 et HN1000-FC pour le surfaçage et le contournage. Les plateformes machines vont de 500 mm à 1 600 mm en taille de table. Les cônes de broche sont CAT-50 BIG Plus, HSK100A, avec des options de broche de 6 000, 8 000, 12 000 et 15 000 tr/min.

« L'industrie tend actuellement vers des plateformes à cinq axes dans les centres d'usinage horizontaux, que Niigata offre en tailles 500 et 630 mm », a dit Hedberg. « Dans les industries aérospatiale et énergétique, Niigata se concentre sur les applications d'usinage à basse fréquence, qui bénéficient des caractéristiques d'amortissement naturelles des machines. L'usinage à basse fréquence devient une expression populaire quand il s'agit d'usinage à couple élevé de titane et d'Inconel pour une meilleure durée de vie d'outil et longévité de la broche », a-t-il expliqué.

La capacité d'amortir les vibrations des forces de coupe est naturellement inhérente aux fontes de la machine et aux surfaces de contact métal-métal qui sont raclées manuellement pour la finition de surface d'accouplement. Les applications typiques dans les domaines de l'énergie et de la production d'énergie incluent les brides, têtes de fracturation et blisks, selon Hedberg.

Dans l'usinage de grandes pièces avec des CUH, la précision diamétrique du déplacement sur chaque axe et la rigidité sont particulièrement importantes pour atteindre la précision et la répétabilité. Dit Hedberg : « La beauté de l'usinage cinq axes est que vous n'avez pas besoin d'un dispositif de fixation élaboré ou d'un serrage de pièce personnalisé à moins que vous n'usiniez une pièce unique qui pourrait nécessiter un dispositif de type fenêtre ou quelque méthode de serrage spéciale. »

CUH axés sur l'application

Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, N.J., se tourne vers la demande des clients pour le développement de nouveaux centres d'usinage horizontaux — spécifiquement sur les modèles actuels les plus recherchés pour les applications d'usinage de grandes pièces, selon Robb Hudson, président. « Aujourd'hui, la demande pour les grandes pièces vient définitivement de l'aérospatiale, qui est un grand moteur en ce moment, tant dans la famille des pièces de moteurs à réaction que des composants structurels. D'autres marchés cibles incluent les moules et matrices, l'espace extra-atmosphérique et la défense et les secteurs des turbines à gaz industrielles », a-t-il dit.

« Nos centres d'usinage horizontaux, avec des plateaux de 1 m et plus et des configurations de tables compagnons qui peuvent accommoder des poids de 1 000 à 10 000 lb [453-4 535 kg], sont considérés comme nos machines pour grandes pièces. Il est important de noter que nos machines dans cette gamme proviennent toutes de clients qui ont conduit le développement. Nous n'avons pas créé les machines pour ensuite chercher des marchés. Elles sont toutes dérivées de l'exigence d'un client pour une application spécifique. »

Pour être considérées pour la fabrication de grandes pièces, les machines Mitsui Seiki partagent toutes les mêmes caractéristiques techniques principales. Dit Hudson : « Il y a deux catégories dans mon esprit — les grandes pièces qui nécessitent aussi de grandes quantités d'enlèvement de matière et les pièces qui sont simplement maladroites et nécessitent des coupes plus légères. Mitsui Seiki opère dans le secteur des grandes pièces qui nécessite la coupe lourde de matériaux durs. En tant que tel, nos machines ont beaucoup de masse, de rigidité, de grandes glissières en boîte, de vis à billes de grand diamètre pour une poussée ample, un couple axial robuste et des servomoteurs spéciaux pour déplacer la pièce dans l'enveloppe de travail et accommoder les forces de coupe nécessaires. »

Toutes ces caractéristiques, plus la précision de contrôle et de construction sont requises pour livrer la performance appropriée pour l'application, selon Hudson. Il a ajouté que le dispositif de fixation est un élément important dans la fabrication de grandes pièces, et est souvent aussi substantiel et lourd que la pièce qu'il maintient.

Automatisation facilitée

Bien que la mise en place de l'automatisation avec tout type de machine soit compliquée, les CUH semblent plus faciles à automatiser en raison du volume de leur production, selon Mel Gay, directeur régional des ventes, YCM Technology (USA) Inc., Carson, Calif.

« La vitesse de récupération des dollars investis est toujours la préoccupation principale dans l'achat de CUH », a-t-il dit. « Les tailles populaires sont 500/630 mm avec une capacité minimum de 60-120 outils pour les petits ateliers de travaux, et 240 outils et plus pour les grandes usines. Des capacités d'outillage plus grandes permettent des travaux plus complexes avec un temps de mise en place minimal, surtout avec la configuration de cellule multi-palettes. »

À l'IMTS, YCM a exposé le NH500A 6 CPA, ciblant des industries comme l'automobile qui produisent de gros volumes de pièces. Le NH500A a une broche de 30 ch, 20 000 tr/min et un plateau de 500 x 500 mm.

« La productivité commence avec la fondation en T hautement rigide avec construction à nervures », a dit Gay. « YCM combine cette fondation avec une broche monobloc en une pièce et une conception de colonne à double paroi. La broche à entraînement direct comporte des roulements à billes en céramique de précision, ce qui permet une dynamique de coupe plus élevée et des vitesses de broche plus élevées. »

Des glissières à rouleaux de haute précision sur tous les axes permettent des vitesses rapides de 2 362 ipm (60 m/min) et des avances de coupe jusqu'à 1 575 ipm (40 m/min), selon Gay. Le système d'indexation de palette de précision accommodé un CPA à six palettes pour un haut débit d'un seul composant ou de familles de pièces.

« Toutes ces caractéristiques permettent d'utiliser les dernières technologies d'outils de coupe, améliorant le traitement des pièces et réduisant le coût total de possession », a-t-il dit.

CUH pour grandes pièces fabriqués en Amérique

DMG Mori, Hoffman Estates, Illinois, fabrique quatre modèles de centres d'usinage horizontaux dans son usine de Davis, Californie. Les NHX 4000 et NHX 5000 sont des machines de troisième génération, cône 40, avec des plateaux de 400 et 500 mm ; les NHX 5500 et NHX 6300 sont des machines de deuxième génération, cône 50, avec des plateaux de 500 et 630 mm.

« Nos horizontaux sont conçus pour les exigences de coupe lourde et de haute précision de nos clients dans les industries de l'énergie, aérospatiale, équipements industriels et fabrication sous contrat », a déclaré John McDonald, vice-président exécutif du développement et de la gestion des produits.

Les pièces typiques incluent de grosses vannes et pièces de turbine pour l'industrie de l'énergie ; moteurs, différentiels et carters de transmission en équipements industriels ; et composants structurels en aérospatiale. Les matériaux vont du titane ou acier inoxydable à la fonte ou l'aluminium — tout dépend de l'application.

« Nos clients atteignent une haute productivité grâce à l'automatisation en utilisant des systèmes de pools de palettes pour la production à haut mélange ou avec un chargement robotique dédié utilisant notre hydraulique de fixation traversante intégrée qui est standard sur nos centres d'usinage horizontaux », a dit McDonald. « L'usinage de grandes pièces et la coupe lourde dépendent d'une structure de machine optimisée. Toutes nos machines horizontales ont une structure entièrement optimisée par éléments finis, incluant une structure de lit en fonte à trois points d'appui, broche powerMASTER (machines cône 50) et guides linéaires à rouleaux. Les échelles linéaires sont standard sur toutes nos machines, permettant à nos clients de maintenir la plus haute précision sur la longue durée de vie de la machine. »

La broche powerMASTER standard cône 50 est à 12 000 tr/min avec une version haute vitesse optionnelle à 16 000 tr/min. Le NHX 6300 a aussi une broche haute couple optionnelle à 8 000 tr/min pour la coupe lourde de métaux difficiles à usiner, comme les matériaux exotiques et la fonte lourde.

L'interface de contrôle CELOS de DMG Mori offre une sélection d'applications pour l'optimisation des processus. Conformément aux initiatives Industrie 4.0, l'interface CELOS simplifie et accélère toutes les étapes du traitement des pièces, de l'idée au produit fini, pour la fabrication de pièces unitaires jusqu'à la production de masse en série.

Les applications CELOS permettent une gestion, documentation et visualisation cohérentes des données de travail, de processus et de machine, ainsi que la liaison de l'atelier et des structures d'entreprise de niveau supérieur, créant ainsi la base d'une production numérisée et sans papier cohérente, selon DMG Mori. Cette fonctionnalité peut même être réalisée depuis un ordinateur de bureau avec la version PC de CELOS.

« Nous offrons aussi des cycles technologiques qui permettent à nos clients de réaliser facilement des processus d'usinage complexes », a dit McDonald. « Par exemple, le Contrôle des Vibrations Machine (MVC) permet à l'opérateur de trouver des avances et vitesses de coupe stables pendant l'usinage lourd. Le Contrôle de Protection Machine (MPC), d'autre part, fournit la surveillance des vibrations de broche, la surveillance de charge d'outil et la détection de collision pour prévenir ou réduire les dommages. En recueillant et analysant ces données, l'interface de contrôle CELOS aide les ateliers à maximiser leur productivité, atteindre une précision encore plus élevée, et faire tourner les broches plus d'heures par jour », a dit McDonald.

Capacité dans la construction

Les centres d'usinage horizontaux d'Okuma, comme le MA-600HII, sont des choix populaires pour les industries automobile, moules-matrices, énergie et aérospatiale, selon Errol Burrell, spécialiste produit centres d'usinage, Okuma America Corp., Charlotte, N.C.

« Ils livrent précision et stabilité pour l'usinage de grandes pièces grâce à leur stabilité thermique constante », a-t-il dit. « Les machines sont testées pour leur profil thermique et les données sur la déformation thermique possible sont renvoyées dans le contrôle en temps réel pour toute compensation nécessaire via le logiciel TAS (stabilisateur d'axe thermique) d'Okuma. »

Le MA-600HII est une machine cône 50 avec une broche à 6 000 tr/min et un magasin standard de 40 outils qui peut être mis à niveau à 60 outils et même jusqu'à 285 ou 400 outils, donc il est idéal pour la fabrication de travaux ou de production. Le MB-8000H est pratiquement la même plateforme avec une table de 800 mm, et la taille supérieure est le MB-10000H avec une conception boîte-dans-boîte plutôt qu'une colonne.

Les machines Okuma sont raclées manuellement sur chaque surface d'accouplement pour une précision et une productivité accrues sur une plus longue période pour des coûts réduits et une rentabilité maximale, a dit Burrell.

Les composants typiques de champs pétrolifères comme les corps de pompes bénéficient de la capacité unique Turn-Cut d'Okuma. « Pour les corps de pompes, notre capacité Turn-Cut permet de tourner une bride sur les centres d'usinage horizontaux Okuma », a dit Burrell. Turn-Cut est une option de programmation disponible sur les CUH Okuma qui permet à la machine de créer des alésages et diamètres incluant des caractéristiques circulaires et/ou angulaires. Cela permet aux utilisateurs de tourner des caractéristiques sur de grandes pièces déséquilibrées sur la même plateforme où les fonctions d'usinage CNC standard sont effectuées. Turn-Cut élimine le besoin d'acheter des machines à usage spécial, de l'outillage, des dispositifs ou des composants additionnels.

Turn-Cut n'affecte pas la performance ou la longévité des machines. Quand un fraisage lourd est requis, le CUH Okuma équipé de Turn-Cut est toujours aussi capable qu'avant, selon Okuma. Le plus important, Turn-Cut permet le traitement sans avoir besoin d'utiliser une machine secondaire pour une application de tournage. Des pièces comme des vannes, tuyaux ou pièces de type collecteur sont des candidats idéaux pour Turn-Cut.

À l'IMTS, Okuma a présenté son système de palettes verticales automatisé Tower Pallet. Il stocke douze plateaux de 20 x 20 po (500 x 500 mm), chacun avec une capacité de charge maximale de 1 100 lb (500 kg) sur deux niveaux. Le système CPA intégré offre des temps de chargement/déchargement rapides avec un système pivotant à servomoteur pour l'opération sans surveillance, a dit l'entreprise.

Quatrième axe complet, automatisation

Mazak Corp., Florence, Ky., offre une gamme complète de CUH en plus de ses grands centres d'usinage verticaux de type pont, ses verticaux cinq axes avec tournage (INTEGREX) et sa machine VARIAX à cinq axes de type trunnion, selon le spécialiste produit Jared Leick.

« L'usinage de pièces de grande taille avec des broches cône 50 se fait sur des machines avec des tables/plateaux de 800 à 1 600 mm, incluant notre série Quill CUH avec des tables de 1 250 à 1 600 mm, ainsi que notre HCN-6800, avec une table de 630 mm pour les gros blocs moteurs pour composants automobiles et énergétiques. »

La ligne cône 50 inclut trois modèles supplémentaires dans la série (HCN-8800, HCN-10800 et HCN-12800), avec 10 000 tr/min standard et des broches 50 ch optionnelles à 8 000 tr/min et 6 000 tr/min pour l'usinage à couple élevé de titane, inox et autres métaux exotiques. Pour l'usinage de grandes pièces structurelles en aluminium pour les industries aérospatiale et semi-conducteurs, une broche à 16 000 tr/min est disponible, a dit Leick.

Mazak offre des CUH à quatre axes complets, qui représentent environ 60 % de tous les CUH vendus par l'entreprise, a-t-il dit. Les CUH à quatre axes avec positionnement standard de 0,0001° permettent de faire pivoter un dispositif deux ou quatre faces pour percer des angles composés, indexer à 90° et pivoter en arrière. L'opération quatre axes complète permet le contournage et peut être utilisée pour réduire le temps de cycle, rendant le traitement plus facile, surtout pour les pièces complexes.

L'automatisation disponible inclut le système PALLETECH de Mazak, qui peut accommoder un grand nombre de machines en configuration SFM et un robot à guidage sur rail, ainsi que le nouveau système d'automatisation mono-machine Multi-Pallet Pool (MPP) de Mazak pour machines 400 et 500 mm. « Nous avons automatisé des CUH avec des robots FANUC six axes sur un rail qui positionneront les pièces dans différentes stations pour marquage laser, lavage et ébavurage », a dit Leick.

Le CUH Mazak HCN-5000 est maintenant disponible avec le système MPP de l'entreprise, une solution d'automatisation de base dans une empreinte compacte. Les ateliers qui manquent d'espace au sol nécessaire pour accommoder un stockeur de palettes horizontal conventionnel ont maintenant la capacité d'automatiser pour une production continue, selon Leick.

MPP offre la commodité d'un système PALLETECH plus grand de Mazak tout en prenant jusqu'à 30 % moins de place. Les servomoteurs sur chaque axe, ainsi qu'une disposition de palettes à deux niveaux qui maintient chaque palette à la même distance du centre du stockeur, assurent un chargement/déchargement rapide et stable, a-t-il dit.

Conçu pour s'étendre au fur et à mesure que les besoins de production grandissent, les fabricants peuvent reconfigurer le stockeur standard à 10 palettes du système pour en loger 16 pour une sortie accrue. Avec les opérations de grandes pièces lourdes du HCN-5000 à l'esprit, Mazak a fait de ce dernier MPP sa plus grande version en termes de capacité de taille de pièce. Le système loge des palettes de 500 mm carrés qui accommodent des pièces jusqu'à 800 mm de diamètre et 1 000 mm de hauteur.