Surmonter les principaux défis techniques du travail des métaux

Quand il s'agit de découper du métal, le temps et la qualité sont malheureusement souvent incompatibles. Des problèmes de qualité des pièces et des machines surgiront qui pourraient nécessiter un changement du statu quo, disent les spécialistes de la métallurgie dans le domaine. Découvrez comment trois spécialistes diagnostiquent et traitent les défis systémiques.

Fissuration thermique. Déformation. Usure en cratère. Non, ce ne sont pas des termes de science-fiction sur des lunes et des planètes stériles et désolées, des engins spatiaux endommagés ou une description d'étranges extraterrestres d'un autre monde. Ce sont des termes sur les défaillances liées à la chaleur des outils de coupe vus de près à des niveaux microscopiques. Mais il existe de nombreux autres types de dommages aux outils, dont certains sont liés à des pannes mécaniques.

Alors quoi, dites-vous? Les outils de coupe sont censés faire leur travail, puis être remplacés et mis au rebut. Vous insérez un nouvel outil, vous vous remettez au travail et vous l'oubliez, n'est-ce pas ? Si seulement c'était si simple. Les dommages importants aux outils sont souvent le symptôme de facteurs systémiques et interconnectés plus importants, et ils nécessitent un diagnostic approprié pour le traitement.

Les spécialistes du travail des métaux de MSC, Ray Gavin, Brian Laffey et Mac Allsup, nous ont récemment parlé des défis techniques courants et inhabituels liés aux outils de coupe qu'ils observent et étudient régulièrement. Il est absolument vrai que les inserts d'outils de coupe sont appelés à s'user et à être remplacés, expliquent-ils. Le problème est de savoir comment les fabricants utilisent leurs outils de coupe dans les machines pour livrer des pièces de qualité selon un calendrier de production, c'est-à-dire un nombre spécifique de pièces fabriquées quotidiennement.

"En ce qui concerne les clients, nous commençons à évaluer où ils en sont et où ils doivent être", explique Gavin. Au niveau le plus élémentaire, il s'agit de comprendre leurs objectifs, "par exemple, doivent-ils fabriquer plus de pièces par jour ou veulent-ils produire des pièces de meilleure qualité ?"

Souvent, la réponse est les deux, mais les problèmes commencent alors et, au fil du temps, ils ont un impact sur l'entreprise. Le temps et la qualité sont malheureusement incompatibles. Les outils doivent être changés à une fréquence plus élevée, ce qui peut ne pas sembler un gros problème les premières fois, mais le temps d'arrêt de la machine peut alors vraiment commencer à avoir un impact sur la livraison des produits, expliquent-ils. Comprendre comment traiter le problème sous-jacent peut nécessiter une analyse approfondie des causes profondes.

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Outils de coupe quotidiens et problèmes d'usinage

Quels types de problèmes voient-ils au travail tous les jours ? Collectivement, ces techniciens sur le terrain constatent que les outils sont endommagés et que les pièces ne sortent pas correctement en raison d'une mauvaise application de liquide de refroidissement ou parce que l'angle de coupe ou la « géométrie » de la plaquette n'est pas correctement réglé, ou que la machine ne fonctionne pas à la bonne vitesse pour le matériau à couper et le type d'outil.

Pour l'anecdote, le type de défaillances qu'ils voient le plus sont plus mécaniques que les défaillances de trop ou trop peu de chaleur, et ils incluent :l'usure des flancs, l'écaillage, la profondeur des encoches de coupe et la fracturation. La température, cependant, est presque toujours un facteur dans tout ce qui concerne la coupe du métal. Par conséquent, regrouper les éléments en termes de chaleur et de défaillance mécanique peut être trop simpliste.

La cause profonde de la défaillance n'est pas aussi binaire que la température ou l'usure mécanique, ce qui témoigne de la complexité du diagnostic des problèmes de travail des métaux. Lorsqu'il s'agit de couper du métal, les problèmes thermiques et mécaniques sont intimement liés. Cela signifie surtout que la cause de l'échec peut être davantage attribuée à un domaine plutôt qu'à un autre, expliquent les spécialistes.

Parmi les défaillances liées à la chaleur, l'une des plus courantes est la fissuration thermique. Pourquoi donc? "Le liquide de refroidissement n'est pas appliqué correctement au point de coupe", explique Gavin. "Comme les copeaux sont créés à partir de la coupe et que le liquide de refroidissement est appliqué, les copeaux eux-mêmes peuvent gêner. Le refroidissement à travers l'outil peut aider. »

Cette technologie "au point de coupe" permet d'appliquer le liquide de refroidissement à deux positions différentes, au-dessus et au-dessous du porte-outil. Lorsqu'il est utilisé, le résultat est généralement un meilleur contrôle des copeaux et moins de risques de blessures liées aux copeaux lorsque les machinistes entrent pour enlever de longs brins de copeaux et sont coupés, dit Gavin.

Les trois spécialistes disent voir très peu d'usure ou de déformation en cratère, mais cela se produit dans les applications utilisant du titane, du fer et des alliages à haute température et dans certaines opérations à très grande vitesse. Pour mieux illustrer certains des problèmes techniques les plus courants, voici plusieurs situations réelles rencontrées par les spécialistes et comment ils ont résolu les problèmes.

Défi : Fracturation

Exemple concret :Un grand constructeur aérospatial usinait avec Iconel (de force "50 Rockwell") à l'aide d'une fraise à surfacer. La pièce en cours de construction a un diamètre de 50 à 60 pouces et les machinistes utilisaient des fraises en carbure et des plaquettes frontales (plaquettes d'usinage sur la pièce). Il fallait 20 heures pour fraiser une pièce car le matériau était très résistant et ils devaient faire tourner la machine très lentement, puis l'arrêter lorsque les outils cessaient d'être efficaces. La durée de vie de l'outil était terrible et la productivité était, comme on pouvait s'y attendre, médiocre.

Solution : Laffey a conseillé d'utiliser une fraise à céramique et a apporté un petit ajustement au chemin de coupe afin que le matériau puisse être mieux coupé. La pièce pouvait désormais être fabriquée en quatre heures.

Résultat : La productivité a décollé :le temps d'usinage a été réduit de 80 %, passant de 20 heures à quatre heures.

"Bien que le prix de l'outil individuel coûte deux fois plus cher, il était assez difficile de contester le temps gagné et le fait que l'outil fonctionnait simplement mieux avec le matériau", déclare Laffey.

Défi : Arête accumulée à cause d'un mauvais contrôle des copeaux, profondeur de l'entaille de coupe

Exemple concret : Un important fabricant d'automatisation et de production d'énergie avait une grande machine avec un mandrin de 36 pouces de diamètre pour de très grandes pièces en acier inoxydable qui avaient des copeaux enroulés autour du mandrin, provoquant de nombreux temps d'arrêt et brûlant les outils. Chaque fois que cela se produisait, il y avait 20 minutes de travail improductif pour 30 minutes de temps de cycle. De plus, le fabricant sous-alimentait l'outil de tournage indexable en carbure, ce qui provoquait l'accumulation de l'arête. C'était aussi un danger pour la sécurité, car les machinistes mettaient la main dans la machine et se faisaient couper. Ils utilisaient des gants en cuir, pas des gants résistants aux coupures.

"Un bon endroit à regarder est dans les déchets recyclés du client pour voir tous les problèmes qu'un outil peut rencontrer", déclare Allsup. "J'utilise une loupe à boucle D 30x pour voir exactement ce qui se passe. Dans ce cas, ils avaient beaucoup d'avantages accumulés en allant trop lentement. C'était comme s'ils essayaient de couper du beurre congelé avec un couteau à beurre. Ainsi, le matériau collait au revêtement de l'outil. »

Solution : Allsup a recommandé de modifier les paramètres, d'ajuster la profondeur de coupe et le métrage de surface, d'utiliser une géométrie plus nette et d'augmenter la vitesse et les taux d'alimentation.

"Ils avaient la bonne nuance, mais leur profondeur de coupe était inférieure au niveau recommandé pour ce type de brise-copeaux", explique Allsup.

Résultat : Les niveaux de production sont revenus à la normale et les temps d'arrêt ont été complètement éliminés.

"Les économies de coûts étaient de 2 500 USD, mais les principales économies provenaient de l'arrêt de la machine et de l'extraction des puces de la machine toutes les 15 minutes", explique Allsup. "Les changements de processus ont permis au client d'exécuter la pièce complète sans arrêter la machine et en éliminant le risque pour la sécurité."

Défi : Ecaillage, Fracture

Exemple concret :Un sous-traitant aéronautique fraisait une grosse pièce de moteur de 30 pouces de diamètre avec 36 poches sur une machine horizontale CNC 5 axes. Ces poches étaient un alliage très dur à base de nickel, Rene 41, que Laffey décrit comme "méchant et refuse presque d'être usiné". Avec la fraise en bout qu'ils utilisaient, les machinistes n'ont pu couper que quatre poches avant qu'elle ne soit détruite et n'avaient que peu de moyens d'évaluer l'état de la fraise en bout. Le fabricant devait arrêter la machine, réinitialiser un nouvel outil, puis effectuer une coupe d'essai pour s'assurer que le nouveau fonctionnait, ce qui prenait beaucoup de temps et était frustrant.

Solution : Laffey a conseillé d'utiliser une fraise en bout à tête interchangeable qui a une pince à outil avec une extrémité filetée qui peut être facilement vissée et dévissée pour faciliter le changement et la configuration de l'outil. Le fabricant était désormais en mesure de fabriquer 10 poches par cycle sur les quatre qu'il faisait auparavant.

Résultat : Le fabricant a gagné 24 heures par semaine en arrière. Les économies de temps rapportent au client trois quarts de travail de huit heures.

"Le prix par outil est passé de 25 $ à 75 $ pour gagner 24 heures en arrière", explique Laffey. "Les calculs étaient une évidence, tout comme l'augmentation des poches créées dans la pièce avec l'outil. Et ils n'ont pas eu à le recalibrer, il n'y avait pas besoin de coupe d'essai et aucune nouvelle mesure n'était nécessaire - juste en changeant le mécanisme de serrage, ils ont pu mieux travailler avec la pièce... Ils ne savaient pas que la technologie de serrage existait. ”

Défi : Mauvaise finition des pièces, mauvaise durée de vie

Exemple concret : Une grande entreprise aérospatiale fabriquant des pièces spécialisées en acier inoxydable 17-4 PH avait des matériaux coupés à environ 40 pouces par minute dans une cellule de quatre machines qui fonctionnent 24h/24 et 7j/7. Le fabricant effectuait des usinages à grande vitesse avec des fraises boules à l'aide d'une machine 4 axes tournant sur l'axe A à un volume élevé. La chose la plus importante était de fabriquer le plus de pièces possible, mais la finition de la pièce était de mauvaise qualité et la durée de vie de l'outil était faible.

Solution : Gavin a conseillé de passer à des broyeurs à haute alimentation et d'utiliser une approche de profilage différente. Il a travaillé avec le fabricant pour reprogrammer le parcours d'outil d'une manière complètement nouvelle.

"Nous sommes allés à 180 degrés différemment sur celui-ci et avons sorti des sentiers battus", explique Gavin. "Nous avons pu réduire considérablement le "temps de coupe"."

Résultat : La durée du cycle de coupe a été réduite d'environ 18 minutes par pièce à 4,5 minutes. La coupe de matériau est passée de 40 ipm à 300 par minute. Le coût par pièce a été réduit de près de 300 %.

L'autre résultat :une autre division sur le campus de ce fabricant a entendu parler des améliorations, et la même approche a ensuite été mise en œuvre sur huit autres machines.

Vos ​​machines coupent-elles de manière aussi optimale que vous le souhaiteriez ? Comment votre atelier gère-t-il les problèmes de sortie sur la machine ? Partagez votre expérience.