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Les centres de tournage multi-axes visent l'usinage intégral

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Dossier Les constructeurs rivalisent d'astuces pour accroître la variété des usinages sur les machines multifonctionnelles. Le but : fabriquer les pièces sans démontage, avec des machines dotées d'une broche de reprise. Mais le ballet des outils est complexe. Et la programmation doit suivre.


" Nos machines doivent pouvoir réaliser économiquement des petites séries répétitives de pièces variées ou des préséries. " A La Roche-sur-Foron, dans les allées du Simodec, les décolleteurs, qui ont tenu leur salon il y a quinze jours, n'avaient qu'un mot à la bouche, celui de flexibilité. Les constructeurs de machines-outils ont pris conscience de l'enjeu. Autrefois l'apanage des industries de pointe, les machines multifonctionnelles se sont démocratisées. Pour nombre de PMI, ces installations, qui combinent plusieurs types d'usinage, pour économiser des opérations de reprise, sont le summum de la flexibilité. Conçues au départ pour réaliser des petites séries, voire des pièces unitaires, ces machines polyvalentes, de plus en plus productives, ont élargi leur champ d'action. Les constructeurs font la chasse aux temps morts. Les vitesses de broches se sont emballées avec l'apparition des électrobroches à grande vitesse qui tournent à 20 000 tours par minute et plus. Les vitesses de déplacement ont doublé sur les axes, pour atteindre 30 à 40 mètres par minute, avec des vis à billes " durcies " - en attendant l'introduction des moteurs linéaires. Et les temps de changement d'outils sont à l'avenant. Moins d'une seconde avec les tourelles indexables à douze ou seize postes, moins de deux secondes avec les changeurs d'outils. Sur le nouveau centre de tournage Integrex 200 Y de Mazak, le changement d'outil " copeau à copeau " s'effectue en 1,3 seconde. Un record ! Chez tous les constructeurs engagés dans la bataille de la polyvalence, le nombre des axes se multiplie sur les machines, et les travaux d'outils tournants sont de plus en plus nombreux. Aux opérations classiques de tournage sont venus se greffer le fraisage transversal, le perçage, le taraudage ou d'autres opérations annexes, par exemple la rectification ou des traitements mécaniques de surface comme le galetage.

Les tours bibroches se démocratisent

Pour des besoins plus spécifiques, des familles de machines multifonctionnelles apparaissent. Les décolleteurs ont ainsi " leurs " machines. Des tours à poupée mobile dont les axes pilotent une batterie d'outils, parallèles, transversaux, en bout de pièce, etc. L'alsacien Manurhin présentait ainsi au Simodec son Swing, un tour multifonction qui pilote dix axes et qui peut faire travailler simultanément quatre outils sur la pièce. La principale difficulté résulte alors dans la programmation. " Elle doit s'effectuer en quelques dizaines de minutes, en contrôlant le ballet des différents outils autour de la pièce ", souligne Jean Excoffier, de la société Num, qui présente les nouvelles CNC 1050, livrées en " package " avec leurs moteurs d'axes. C'est le principal challenge, aujourd'hui. Tous les constructeurs travaillent pour rendre la programmation des machines multifonctionnelles plus conviviale et plus rapide. La course à la productivité des machines multifonctionnelles fait la part belle aux tours bibroches. " Les centres de tournage monobroches cèdent progressivement la place aux machines à deux broches opposées flanquées de deux tourelles d'outils qui usinent complètement la pièce sans reprise ", constate Jean-Jacques Willard, directeur d'Halbronn, l'importateur français des centres de tournage Nakamura Tome. Sur ses machines, utilisées pour des séries de 400 à 500 pièces, la deuxième broche, dite de reprise, saisit la pièce pour terminer complètement l'usinage. L'idée n'est pas nouvelle. Le constructeur japonais Ikegai a fait voler en éclats la traditionnelle conception du tour à pièce tournante et outils fixes en... 1976. Sa machine hybride, mariage d'un tour et d'un centre d'usinage (d'où le nom de " millturn ") innovait avec des outils fixes et tournants, une broche de reprise et même une troisième broche, transversale, pour fraiser des méplats et des rainures sur la pièce arrêtée, forer des trous excentrés ou en biais... Ces tours bibroches sont restés longtemps hors de portée des PMI. Qui pouvait se payer les machines du constructeur autrichien Voest-Alpine, ces Rolls du millturn qui coûtent jusqu'à 7 millions de francs et permettent d'usiner des pièces de 5 mètres de long et de 1 mètre de diamètre ? Quelques " happy fews ", la Snecma ou Alsthom, en sont équipées. Mais la démocratisation du millturn est en marche. Le cercle des constructeurs, encore restreint, ne cesse de s'élargir : Biglia, DMG, Index-Traub, Schaublin, sans oublier les japonais, Mazak et ses Multiplex en tête, et l'américain Hardinge, qui prépare un modèle de tour à deux broches. Leurs machines s'adressent à un public élargi. Voest-Alpine a suivi le mouvement. " Nous présenterons à Machine-Outil 98, pour la première fois en France, le nouveau modèle M 30, de capacité plus modeste et qui s'adressent aux sous-traitants ", révèle Jacques Vignat, de Delta Machines, l'agent français du constructeur autrichien. Une machine à 3 millions de francs, tout de même ! Les prix des machines combinées sont à la baisse. Pas leurs performances. Les constructeurs rivalisent d'astuces pour augmenter la productivité. " Les constructeurs de bibroches s'attachent à accélérer les mouvements ", remarque Etienne Besson, directeur technique de Mazak France. " 2,5 secondes suffisent sur notre bibroche Multiplex pour bloquer la broche et passer du tournage au fraisage. " Pour réduire encore les temps improductifs, le transfert de la pièce s'effectue de plus en plus souvent avec les deux broches, non plus arrêtées, mais ralenties. Et, pour doper la productivité, les constructeurs font travailler deux outils à la fois indifféremment sur la broche de gauche ou de droite afin de combiner les opérations d'ébauche et de finition. " Il faut bien étudier les gammes de fabrication, pour répartir le plus équitablement possible le travail des outils sur chaque broche ", explique-t-on chez Decip, le représentant savoyard de Biglia. Les centres de tournage du constructeur italien se distinguent par leur broche de reprise, escamotable sur un chariot hydraulique qui descend et dégage l'aire de travail, ce qui facilite l'accès à la pièce pour les outils d'alésage montés sur les tourelles. Cette disposition fait gagner quelques secondes sur les temps d'usinage. Les configurations, quant au nombre et à la position des tourelles, sont multiples. Pour l'usineur, le choix n'est pas toujours facile. A moins de participer à l'élaboration de sa machine. Index propose ainsi son tour G 200 comme un " Meccano " constitué à partir de sous-ensembles : deux tourelles indépendantes à quatorze postes, outils fixes ou tournants, broche annexe de fraisage avec changeur d'outils, appareil en bout pour usiner l'arrière de la pièce, axes inclinés pour les perçages obliques. Une commande numérique (CNC) tout aussi modulaire pilote l'ensemble. La polyvalence ne se cantonne pas à l'usinage par enlèvement de copeaux. La rectification commence à s'intégrer aux machines d'usinage pour des applications particulières sur des pièces coûteuses que l'on évite de démonter. Makino Aerospace, à Mason, aux Etats-Unis, a ainsi installé des unités de rectification autonomes sur ses centres d'usinage horizontaux pour la finition en cinq axes d'aubes de turbines pour General Electric.

Les machines spéciales dopées par la polyvalence

D'autres machines multifonctionnelles réalisent des traitements mécaniques de surface qui participent aussi à l'exécution de pièces entièrement terminées. Un exemple ? Le tour d'usinage des vilebrequins, étudié par Ernault avec le service des méthodes de Renault, qui va être installé sur les lignes de production de moteurs de Renault à Cléon et de sa fi-liale espagnole Fasa de Valladolid. C'est un centre de tournage à quatre axes HES 54 d'Ernault qui intègre une unité de galetage dont la molette vient " durcir " superficiellement les butées de paliers. " Cette intégration évite d'installer une coûteuse machine à galeter en aval de la ligne de fabrication, alors que cette opération représente moins de 5 % dans le cycle d'usinage ", souligne René Micha, responsable commercial du secteur automobile chez Ernault, à Cholet.

La commande numérique doit suivre

Les constructeurs ont rivalisé d'imagination et d'astuces. Ils ont augmenté le nombre des outils, optimisé les mouvements des tourelles et des pièces, développé des changeurs rapides d'outils... La programmation de ces machines " multi-outils/multidéplacements " doit suivre. Les spécialistes des CNC enrichissent les fonctionnalités de leurs équipements : la programmation des trajectoires d'outils bénéficie de la simulation graphique. " Nous visualisons à l'écran la pièce brute, les outils et leurs porte-outils, les mors et la contrepointe, les différentes tourelles et leurs mouvements combinés et nous contrôlons le bon déroulement du programme en vérifiant que tout risque de collision d'outils est écarté ", souligne-t-on chez Num. Les CNC sont désormais " musclées " par le couplage ou l'intégration d'une carte PC qui gère les programmes, les paramètres de coupe et l'interface homme-machine en éditant des listes de tâches vers la commande numérique.

Des fonctions graphiques et conversationnelles

Les constructeurs de tours multi-axes développent eux-mêmes des logiciels conversationnels pour la programmation des bibroches. " Nakamura a étudié avec Fanuc le logiciel Luck-Bei, qui apporte un gain de temps de 70 % par rapport à la programmation classsique ", expose Bernard Bettan, directeur commercial d'Halbronn. De même, les CNC Mazatrol-T Plus qui pilotent les Multiplex et les Integrex de Mazak disposent de fonctionnalités graphiques et conversationnelles. Sur son nouveau centre de tournage bibroche à huit axes, le suisse Schaublin utilise toutes les possibilités des nouvelles CNC évoluées de GE-Fanuc. Elles corrigent par exemple les dilatations thermiques grâce à des sondes intégrées dans le bâti. Autre astuce propre au constructeur suisse, le " start test ". Avant la réalisation de la première pièce, un potentiomètre installé sur le pupitre de la commande " déroule " le programme en accéléré et le teste en visualisant tous les déplacements d'outils " à vide ". Cette CNC transmet instantanément ses ordres aux servomoteurs par un réseau de fibres optiques insensibles aux parasites électromagnétiques. Cette machine est l'une des vedettes de la Biennale. D'autres CNC sont dotées de fonctions d'auto-apprentissage, notamment la Num T-Plus à commande intuitive. Mais le progrès le plus décisif est apparu récemment avec l'arrivée chez Siemens et GE-Fanuc de CNC capables d'interpréter directement les données de la CAO. Il n'est plus nécessaire de passer par l'approximation linéaire en petits segments de droite : on lisse directement les courbes Nurbs (Non Uniform Rational B-Splines) qui définissent le profil exact que l'outil doit suivre. Remplacer les droites par les courbes ? Est-ce déjà arrondir les angles pour la mécanique, traditionnellement rebelle à se plier aux lois de l'électronique ?



Un tour vertical d'une conception renversante

Pointes en l'air, les outils sont placés en bas, et la pièce entraînée par le mandrin est tenue au-dessus : une conception " renversante " pour l'antique tour vertical, qui vit là une petite révolution technologique. " En inversant la position des outils et de la pièce, nous avons transformé ce tour en un centre de production vertical multifonctionnel ", souligne Jean-Paul Nodier, président de Nodier Emag Industrie. Les tours de la gamme VSC sont en effet capables d'usiner de A à Z des pièces plates de 40 à 600 millimètres de diamètre. Tournage, fraisage, perçage, taraudage, lamage, rectification, brochage ou taillage de dentures, le tour vertical est capable de tous les usinages. Son intérêt ne s'arrête pas là. Une palette de fonctions annexes sont possibles, comme la mesure et l'équilibrage des pièces, voire des opérations plus exotiques, comme le soudage au laser ou même l'assemblage partiel ! Et la broche qui se déplace transversalement joue le rôle d'un manipulateur. " Elle prélève et dépose les pièces sur un convoyeur intégré à la machine avec des temps de chargement-déchargement de moins de cinq secondes ", explique Jean-Paul Nodier. Cela favorise l'intégration de la machine sur les lignes de production. L'automobile ne s'y est pas trompée : vingt-cinq tours VSC équipent les lignes d'assemblage de moteurs de Renault à Cléon, et PSA vient de passer une commande de douze machines pour fabriquer des disques d'embrayages à Mulhouse.



Tour et centre d'usinage en même temps

Le tour monobroche 200 Y de Mazak jette un pont entre les familles de monobroches Integrex et les Multiplex, tours bibroches du constructeur japonais. Sur ce nouveau tour, les tourelles porte- outils disparaissent au profit d'une broche avec changeur d'outils rapide, un système hérité des centres d'usinage. Cette configuration présente de multiples avantages : élimination des interférences d'outils, simplification de l'accès à la pièce et, surtout, multiplication du nombre d'outils. Vingt en standard et jusqu'à soixante en option, alors qu'une tourelle classique est limitée en nombre d'outils, douze en général. L'effort a également porté sur la productivité du tour. " Sur le 200 Y, le changement d'outils s'effectue en 1,3 seconde, temps de copeau à copeau ", souligne Etienne Besson, directeur technique de Mazak France. Les vitesses d'avance ont été multipliées par deux par rapport aux anciens Integrex (elles atteignent 33 m/min en déplacement longitudinal et 15 m/min en course transversale). Enfin, la machine peut être équipée d'une broche tournant à 10 000 tr/min, ce qui permet de travailler avec les forets et les fraises monoblocs en carbure, qui triplent les vitesses de coupe. Monobroche, l'Integrex 200 Y ne permet pourtant pas l'usinage intégral. Pour l'instant. Car, confie-t-on chez Mazak, la machine va évoluer vers un tour bibroche qui permettra de finir les pièces sans reprise. Le mariage du centre d'usinage (avec les changeurs d'outils) et du tour bibroche...
 

 

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