Fabrication de pièces énergétiques : pionnière d'un avenir durable et renouvelable

Les préoccupations concernant le changement climatique et les niveaux mondiaux de dioxyde de carbone ont placé l'énergie verte plus près du poste de pilotage ces dernières années. Selon la Global Energy Review de l'Agence Internationale de l'Énergie (AIE), la plupart des experts s'attendent à ce que les renouvelables produisent près de 30 % de toute l'électricité en 2021, avec une hausse de 17 % pour l'éolien et 18 % pour le solaire.

Malgré cette croissance impressionnante, les combustibles fossiles continuent de dominer le marché, l'AIE prévoyant que la demande de charbon seule représentera 60 % de plus que l'ensemble des renouvelables combinés. En conséquence, les émissions de CO₂ liées à l'énergie sont en passe d'atteindre leur deuxième plus forte hausse annuelle jamais enregistrée, effaçant toute réduction des concentrations de gaz à effet de serre due à la pandémie.

C'est une industrie dynamique, c'est certain, mais une chose est sûre : la consommation énergétique mondiale – quelle que soit sa forme – continuera de créer de nouvelles opportunités pour les ateliers d'usinage et autres fabricants discrets. Carter de pompes et turbines, boîtes de vitesses, sections de racines d'éoliennes, composants de têtes de puits et de forage – ce ne sont que quelques-unes des pièces produites chaque jour par les donneurs d'ordre énergie et leurs fournisseurs de rang 1, nombre d'entre elles étant très grandes, lourdes et faites de matériaux difficiles comme l'Inconel et l'acier Duplex.

Voir grand ou rentrer chez soi

Les grosses pièces nécessitent de grosses machines, de gros serrages et de gros outils de coupe – tous exigeant un gros investissement. Klaus Miller, vice-président des ventes pour Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, est ravi d'aider pour le premier de ces besoins. Il a noté que les marchés de l'énergie et de l'aérospatiale ont été lents ces deux dernières années, bien que les deux semblent reprendre maintenant que le pire de la pandémie est espérément derrière nous.

« Nous sommes importateur de You Ji et d'autres marques de machines-outils CNC », a dit Miller. « You Ji équipe certains de leurs équipements plus grands de paliers hydrostatiques de table, les rendant très populaires auprès des fabricants de pièces énergétiques. C'est parce que ces machines-outils peuvent gérer les charges extrêmement lourdes rencontrées dans ce secteur et d'autres secteurs d'usinage, et offrent une excellente précision à long terme grâce à cette caractéristique. »

Dans un exemple récent, Absolute a installé un tour à tourelle vertical (VTL) You Ji avec une table de 4 m. L'entreprise qui l'a achetée usine de grandes pièces énergétiques, qui sont venues en force après la hausse des investissements dans l'énergie propre vers 2006 mais ont commencé à s'essouffler environ une décennie plus tard quand la fabrication a délocalisé vers la Chine, la Roumanie et d'autres fournisseurs à bas coûts. Cette nouvelle installation pourrait indiquer une inversion de cette tendance de longue date.

Absolute a aussi installé un grand alésage pour un client local plus tôt cette année. Bien que la direction de l'atelier n'ait pas divulgué l'application spécifique, elle a dit à Miller qu'elle était destinée au travail énergétique et devait avoir une capacité de charge de 155,7 kN (35 000 lbf). « Ils avaient déjà une fraiseuse pont Johnford mais avaient besoin de quelque chose de plus grand », a-t-il dit. « Ici encore, entre les paliers hydrostatiques et la masse pure de la machine – 58 967 kg (130 000 lb) – cela s'est avéré la bonne solution. »

Plus c'est lourd, mieux c'est

La masse de la machine est clairement importante pour prendre des passes lourdes et viser la précision sur des pièces plus grandes qu'un pick-up. Miller et d'autres ont suggéré que peu de constructeurs de machines-outils aujourd'hui « les font comme avant » et que de nombreux ateliers ont donc opté pour moderniser leurs Lucas, Giddings & Lewis et autres vieux fers avec des commandes CNC. Et si c'est une excellente façon de prolonger la vie d'un investissement sûrement substantiel, il vient un moment où même le meilleur équipement fait pâle figure face à son équivalent moderne, peu importe combien de fois il a été mis à jour.

Une autre façon pour les ateliers de maximiser ces investissements est d'utiliser leurs capacités d'usinage de grandes pièces pour s'étendre au-delà du marché de l'énergie. Par exemple, l'industrie de la défense est un utilisateur significatif de pièces surdimensionnées, tout comme les industries minière, agricole et de construction. S'attaquer à ce travail signifie cependant que les ateliers doivent investir dans des machines-outils flexibles qui peuvent être facilement adaptées à une variété de pièces et possèdent des fonctionnalités minimisant les temps d'arrêt.

Bernard Otto, directeur du support technique et chef de produit pour les produits Kiwa Japan et OKK Japan chez Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., a plusieurs recommandations pour y parvenir. Il a noté que de nombreux clients de Methods soutiennent l'industrie de la fracturation hydraulique, produisant pompes, carters et composants similaires de grande taille. Être compétitif ici signifie non seulement enlever efficacement de grandes quantités de matière sur des fontes et forgés d'acier, mais aussi maintenir la broche en rotation en permanence.

« Une utilisation élevée de la broche exige que la personne opérant la machine puisse mettre des pièces de 7 711 kg (17 000 lb) dans et hors de la machine rapidement, avec précision, et avant tout, en sécurité », a-t-il dit. « Dans la majorité des cas, cela s'accomplit le mieux avec un changeur de palettes. »

Aller en profondeur

Otto a aussi souligné qu'avoir une large gamme de vitesses de broche confère une flexibilité similaire. Il a dit que beaucoup de centres d'usinage dans ce domaine vantent des broches à 50 cônes à engrenages avec seulement deux gammes, haute et basse vitesse, max à 3 600 tr/min. Cela limite la capacité de leurs propriétaires à utiliser de petits forets et fraises ou usiner des alliages d'aluminium.

« OKK est l'un des rares constructeurs à offrir trois gammes d'engrenages et jusqu'à 6 000 tr/min, permettant à ses clients de couper très agressivement avec de gros fraises à surfacer, par exemple, et aussi d'utiliser de plus petits outils de coupe quand nécessaire », a dit Otto. « Cela les rend beaucoup plus polyvalents pour les ateliers qui doivent produire une variété de pièces. »

D'autres caractéristiques à rechercher incluent une forte poussée en axe Z pour les opérations de perçage profond, une plomberie intégrée pour serrage hydraulique automatisé, et sur les alésages, la capacité de verrouiller la quenouille (l'axe W) en place, augmentant grandement la rigidité lors du dégrossissage de poches profondes. C'est pour ces et d'autres raisons qu'Otto est d'accord avec Miller d'Absolute : suivre la technologie actuelle des machines-outils est la voie claire pour les ateliers qui souhaitent rester aussi compétitifs que possible.

Mais peut-être la recommandation la plus importante pour les fabricants d'énergie et autres avec des demandes fluctuantes est de garder leurs machines allumées et pleinement opérationnelles. C'est particulièrement vrai pour le secteur pétrolier et gazier, qui peut être très cyclique, et pour les entreprises avec des actifs machines depuis longtemps amortis et qui ont tendance à rester inactifs entre deux chantiers.

Dit Otto : « Dans ces situations, notre service reçoit souvent des appels de clients tentant de redémarrer une machine inutilisée depuis des mois et parfois des années, pour découvrir qu'un axe est grippé ou qu'un composant électronique a rendu l'âme. C'est pourquoi nous disons aux ateliers de faire tourner leurs machines périodiquement, et, mieux encore, de les mettre sur un planning de maintenance préventive avec un distributeur agréé. Cela évite certaines mauvaises surprises, quelle que soit la marque de la machine, sa taille ou le type de travail. »

Serrage constant

Braden Damman a appuyé le besoin de serrage hydraulique, tout en soulignant vite que la plomberie intégrée mentionnée plus haut n'est pas un prérequis. Ingénieur d'application chez le fournisseur de composants de serrage Vektek LLC, Emporia, Kansas, Damman a noté que plusieurs options de configuration supplémentaires sont disponibles, incluant celles où le dispositif de serrage est lui-même plumbé pour l'hydraulique et alimenté par un « accumulateur » externe, un dispositif qui maintient la pression sur le système pendant l'usinage.

Quelle que soit l'approche, le serrage hydraulique est le clair gagnant en termes de constance et fiabilité, sinon en prix. « Dans la plupart des applications, l'hydraulique est la solution la plus chère, bien que le coût initial soit rapidement compensé par les gains de productivité », a dit Damman. « Cela élimine la variation vue avec les méthodes de serrage manuel et est indispensable pour les processus automatisés. »

Ironiquement, une grande partie du serrage de grosses pièces énergétiques auquel Damman est appelé à assister concerne les opérations secondaires. « Nous voyons un bon nombre de composants de turbines à gaz qui ont une sorte de détail fin avec des tolérances très serrées », a-t-il dit. « Dans ces applications, le client veut souvent monter la pièce sur une rectifieuse CNC pour la finition et a besoin que ce soit automatisé en plus. Le serrage hydraulique est presque toujours la méthode préférée en raison de sa haute répétabilité. »

Larry Robbins, président du spécialiste du serrage SMW Autoblok Corp., Wheeling, Illinois, est un grand fan du serrage répétable mais a noté qu'il est fréquemment nécessaire de repositionner les grosses pièces en raison de leur variabilité. « Que ce soit un forgé ou une fonte, dès qu'on dépasse un mètre ou so en diamètre, on a presque toujours besoin d'un moyen d'ajuster sa position dans le mandrin », a-t-il dit. « Nous offrons le réglage indépendant des mors avec nos mandrins manuels et hydrauliques depuis probablement 25 ans maintenant mais avons étendu cette capacité ces dernières années à notre gamme de produits de serrage à activation électrique. »

Serrage énergétique

Robbins a expliqué que les mandrins MM e-motion de l'entreprise ont un système de positionnement linéaire breveté (LPS) qui permet à l'opérateur – automatiquement ou non – de mesurer la position de la pièce dans la machine via une palpeuse tactile, d'envoyer l'information de position au contrôleur et de faire centrer la pièce par le mandrin. Chaque mors est alimenté et contrôlé par son propre « e-moteur » qui est à son tour entraîné par un coupleur inductif, permettant au système d'être utilisé sur applications stationnaires ou rotatives. Des pièces de toutes formes et tailles jusqu'à 1 250 mm sont accommodées, tout comme la modification de la force de serrage, même pendant l'usinage de la pièce.

Comme plusieurs autres ici l'ont dit, Robbins et SMW Autoblok ont connu des ralentissements dans les secteurs énergie et aérospatiale ces deux dernières années, bien que les deux aient connu un regain récent. Intéressant, il a commencé à voir de la demande de l'industrie pétrolière et gazière pour des mandrins capables de serrer des tuyaux toujours plus grands, une demande qui est un défi tant pour le serrage que pour la machine-outil.

« Dans le passé, nous avons redessiné les mors maîtres pour augmenter la capacité dans les mandrins existants, mais nous sommes maintenant confrontés à des designs de produits complètement nouveaux vu la demande pour des passages de 610 mm (24") », a-t-il dit. « De tels diamètres imposent aussi une charge lourde sur les paliers de broche de tour. C'est quelque chose qu'on peut atténuer quelque peu par l'utilisation de poupées mobiles, mais ici encore, nous approchons les limites de la technologie de serrage existante. Les fournisseurs d'énergie sont sur le point de créer un marché entièrement nouveau. »

S'accorder sur l'automatisation

Le fournisseur de systèmes d'automatisation Fastems LLC USA, West Chester, Ohio, voit des demandes similaires pour de nouvelles technologies. Le responsable des ventes régionales Loy McEldowney a dit que le secteur de l'énergie a traditionnellement été lent à adopter la manutention automatisée de pièces, bien que cet état d'esprit ait commencé à changer grâce à la pénurie continue de main-d'œuvre qualifiée. « Comme beaucoup d'industries, ils perdent de l'expertise et n'ont pas d'autre choix que d'automatiser là où ils le peuvent. »

Cela nécessite plusieurs choses. L'un des centres d'usinage à changement de palette décrits précédemment est un bon point de départ, suivi de près par une forme de serrage automatisé. Outre les fixations hydrauliques et électroniques déjà discutées, des systèmes de repérage zéro-point à activation pneumatique ou mécanique sont aussi disponibles. McEldowney a dit que les goujons de rétention pour de tels systèmes sont souvent montés directement sur les grosses pièces, avec le récepteur d'accouplement fixé à la palette.

Peut-être le plus important de tous est le développement de processus stables et prévisibles. Cette tâche peut être ardue sur toute pièce usinée, mais surtout pour le travail à bas volume, mélange élevé commun à la fabrication énergétique. Malgré cela, un nombre croissant de fournisseurs de composants pétroliers et gaziers font exactement cela.

« Justifier l'investissement dans l'automatisation et le développement de processus subséquent ne requiert pas tant des volumes élevés que des commandes assez répétables », a dit McEldowney. « Pour les entreprises qui ont des accords à long terme avec leurs clients et peuvent voir ce qui arrive sur les 18 à 24 prochains mois, c'est beaucoup moins effrayant de dépenser de l'argent pour des fixations dédiées, des palettes pour les porter, et un système de stockage automatisé ou même semi-automatisé. Quand une commande arrive, tout ce qu'ils ont à faire est de charger la palette, appeler le programme et lancer la pièce. Et pour ceux avec notre système MMS (logiciel de gestion de fabrication) et contrôleur de cellule intégré, ils peuvent le faire en fabrication sans surveillance. Dans les deux cas, cela rend la fabrication même à bas volume très efficace. »