Maîtriser le travail des métaux : stratégies éprouvées pour surmonter les défis techniques clés

Quand il s'agit de couper du métal, le temps et la qualité sont souvent en opposition, malheureusement. Des problèmes de qualité de pièce et de machine surgiront qui pourront nécessiter un changement du statu quo, disent les spécialistes du travail des métaux sur le terrain. Voyez 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 désolées et des planètes, des vaisseaux spatiaux endommagés ou une description d'étranges aliens 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 y a plein d'autres types de dommages d'outils — certains liés à des défaillances mécaniques.

Alors quoi, dites-vous ? Les outils de coupe sont censés faire leur travail puis être changés et mis au rebut. Vous mettez un nouvel outil, reprenez le travail et l'oubliez, non ? Si seulement c'était si simple. L'endommagement extensif d'outil est souvent un symptôme de facteurs systémiques plus larges et interconnectés — et il nécessite le 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 qu'ils observent et investiguent régulièrement. Il est absolument vrai que les inserts d'outils de coupe sont censés s'user et être remplacés, expliquent-ils. Le problème est la façon dont les fabricants utilisent leurs outils de coupe dans les machines pour livrer des pièces de qualité sur un planning de production — signifiant un nombre spécifique de pièces faites quotidiennement.

« Quand il s'agit de clients, nous commençons par évaluer où ils en sont et où ils doivent aller », dit Gavin. Au niveau le plus basique, il s'agit de comprendre leurs objectifs, « comme est-ce qu'ils ont besoin de faire plus de pièces par jour, ou veulent-ils produire des pièces de meilleure qualité ? »

Souvent, la réponse est les deux, mais alors les problèmes commencent — et avec le temps, cela impacte les affaires. Le temps et la qualité sont en opposition l'un avec l'autre, malheureusement. Les outils doivent être changés avec une fréquence plus élevée — ce qui peut ne pas sembler un gros problème les premières fois — mais ensuite le temps d'arrêt machine peut vraiment commencer à impacter la livraison produit, expliquent-ils. Comprendre comment traiter le problème sous-jacent peut nécessiter une analyse des causes racines plus approfondie.

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Zones de problèmes quotidiens des outils de coupe et d'usinage

Quels types de problèmes voient-ils sur le terrain tous les jours ? Collectivement, ces techniciens terrain trouvent que les outils sont endommagés et les pièces ne sortent pas correctement par manque de bonne application de lubrifiant réfrigérant ou parce que l'angle de coupe ou la « géométrie » de l'insert n'est pas correctement réglé — ou la machine n'est pas tournée à la bonne vitesse pour le matériau coupé et le type d'outil.

Anecdotiquement, le type de défaillances qu'ils voient le plus sont plus mécaniques par opposition aux défaillances de trop ou trop peu de chaleur, et elles incluent : usure de flank, ébréchure, encoche à la profondeur de coupe et fracture. La température, cependant, est presque toujours un facteur dans tout ce qui a trait à la coupe de métal — donc grouper les choses en termes de chaleur vs défaillance mécanique pourrait être trop simpliste.

La cause racine de la défaillance n'est pas aussi binaire que la température ou l'usure mécanique, ce qui parle de la complexité du diagnostic des problèmes de travail des métaux. Quand il s'agit de couper du métal, la chaleur et les problèmes mécaniques sont intimement connectés. Cela signifie surtout que la cause de la défaillance peut être attribuée plus à un domaine qu'à l'autre, expliquent les spécialistes.

Parmi les défaillances liées à la chaleur, l'une des plus courantes est la fissuration thermique. Pourquoi ? « Le lubrifiant réfrigérant n'est pas appliqué correctement au point de coupe », dit Gavin. « Alors que les copeaux sont créés par la coupe et le lubrifiant réfrigérant est appliqué, les copeaux eux-mêmes peuvent gêner. Le refroidissement traversant l'outil peut aider. »

Cette technologie « au-point-de-coupe » permet d'appliquer le lubrifiant réfrigérant à deux positions différentes depuis le haut et le bas du porte-outil. Quand elle est utilisée, le résultat est généralement un bien meilleur contrôle des copeaux et moins de chances de blessures liées aux copeaux quand les machinistes vont enlever de longues cordes de copeaux et se coupent, dit Gavin.

Les trois spécialistes disent voir très peu d'usure en cratère ou de déformation, mais cela arrive dans les applications utilisant titane, fer et alliages haute température et dans certaines opérations ultra-rapides. Pour mieux illustrer certaines des zones de problèmes techniques plus courantes, voici plusieurs situations réelles que les spécialistes ont rencontrées — et comment ils ont résolu les problèmes.

Défi : Fracture

Exemple réel : Un grand fabricant aérospatial usinait avec de l'Inconel (de résistance « 50 Rockwell ») en utilisant une fraise à surfacer. La pièce construite fait 50 à 60 pouces de diamètre, et les machinistes utilisaient des fraises en carbure et des plaquettes d'usinage (pads d'usinage sur la pièce). Cela prenait 20 heures pour fraiser une pièce car le matériau était super dur, et ils devaient faire tourner la machine très lentement, puis l'arrêter quand les outils cessaient d'être efficaces. La durée de vie de l'outil était terrible et la productivité prévisiblement pauvre.

Solution : Laffey a conseillé d'utiliser une fraise à surfacer en céramique et a fait un petit ajustement à la trajectoire de coupe pour que le matériau puisse être mieux coupé. La pièce peut maintenant être faite en quatre heures.

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

« Malgré le prix individuel de l'outil coûtant deux fois plus, il était difficile de contester le temps gagné — et que l'outil fonctionnait juste mieux avec le matériau », dit Laffey.

Défi : Arête rapportée par mauvais contrôle copeaux, encoche profondeur de coupe

Exemple réel : Un grand fabricant d'automatisation et de génération 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 s'enroulant autour du mandrin, causant beaucoup de temps d'arrêt et brûlant les outils. Chaque fois que cela arrivait, il y avait 20 minutes de travail improductif pour 30 minutes de temps de cycle. Et, le fabricant sous-alimentait l'outil de tournage à plaquettes carbure indexables, ce qui causait l'accumulation de l'arête. C'était aussi un danger de sécurité, les machinistes atteignant dans la machine et se coupant. Ils utilisaient des gants en cuir, pas des gants résistants à la coupe.

« Un bon endroit à regarder est dans la ferraille recyclée du client pour voir tous les problèmes qu'un outil peut rencontrer », dit Allsup. « J'utilise une loupe 30x pour voir exactement ce qui se passe. Dans ce cas, ils avaient beaucoup d'arête rapportée à cause de la vitesse trop lente. C'était comme s'ils essayaient de couper du beurre gelé avec un couteau à beurre. Donc, le matériau collait au revêtement de l'outil. »

Solution : Allsup a recommandé de changer les paramètres, d'ajuster la profondeur de coupe et la vitesse de coupe, d'utiliser une géométrie plus tranchante, et d'augmenter la vitesse et les avances.

« Ils avaient la bonne nuance, mais leur profondeur de coupe était inférieure au niveau recommandé pour ce type de briseur de copeaux », dit 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 $, mais la principale économie venait de l'arrêt de la machine et du retrait des copeaux de la machine toutes les 15 minutes », dit Allsup. « Les changements de processus ont permis au client de faire tourner la pièce complètement sans arrêter la machine et d'éliminer le danger de sécurité. »

Défi : Ébréchure, Fracture

Exemple réel : Un sous-traitant aérospatial fraisait une grande pièce de moteur de 30 pouces de diamètre avec 36 poches sur un centre d'usinage horizontal CNC 5 axes. Ces poches étaient en un alliage nickel très dur, Rene 41, que Laffey décrit comme « méchant et qui refuse presque d'être usiné. » Avec la fraise à bout qu'ils utilisaient, les machinistes ne pouvaient couper que quatre poches avant qu'elle ne soit détruite — et avaient peu de moyens d'évaluer l'état de la fraise. Le fabricant devait arrêter la machine, remettre un nouvel outil, puis faire une coupe d'essai pour s'assurer que le nouveau fonctionnait — ce qui était très chronophage et frustrant.

Solution : Laffey a conseillé d'utiliser une fraise à bout à tête interchangeable qui a un serrage d'outil avec une extrémité filetée qui peut être facilement vissée et dévissée pour un changement et une mise en place d'outil plus faciles. Le fabricant a pu faire 10 poches par passage au lieu des quatre qu'il faisait.

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

« Le prix par outil est passé de 25 $ à 75 $ pour gagner 24 heures », dit Laffey. « Les maths étaient sans appel, tout comme l'augmentation des poches créées dans la pièce avec l'outil. Et ils n'ont pas eu à le ré-étalonner, pas de coupe d'essai nécessaire, pas de nouvelle mesure nécessaire — juste en changeant le mécanisme de serrage, ils ont pu mieux travailler avec la pièce … Ils ne savaient pas que cette technologie de serrage existait. »

Défi : Mauvaise finition de pièce, Faible durée de vie d'outil

Exemple réel : Une grande entreprise aérospatiale fabriquant des pièces spéciales en acier inoxydable 17-4 PH avait du matériau coupé à environ 40 pouces par minute dans une cellule de quatre machines qui travaillent en opération 24/7. Le fabricant effectuait de l'usinage à grande vitesse avec des fraises à bout hémisphérique utilisant une machine 4 axes tournant sur l'axe A à haut volume. La chose la plus importante était de faire le plus de pièces possible, mais la finition de pièce était de mauvaise qualité et la durée de vie de l'outil faible.

Solution : Gavin a conseillé de passer à des fraises à avance élevée et d'utiliser une approche de profilage différente. Il a travaillé avec le fabricant pour reprogrammer la trajectoire d'outil d'une manière complètement nouvelle.

« Nous sommes allés à 180 degrés différemment sur celui-ci et avons pensé hors des sentiers battus », dit Gavin. « Nous avons pu réduire drastiquement le "temps-en-coupe". »

Résultat : Le temps de cycle a été réduit d'environ 18 minutes par pièce à 4,5 minutes. La vitesse de coupe 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 été implémentée sur huit autres machines.

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