UGV : des travaux courants

à des vitesses dépassant celles habituelles

C’est généralement en allant se renseigner et se documenter sur place dans une entreprise qui pratique sérieusement l’usinage à grande vitesse, que l’on parvient à bien comprendre ce que cette technique apporte et comment la mettre en oeuvre mais, aussi, ce qu’elle implique comme investissements. C’est aussi le moyen de recueillir des informations techniques précieuses susceptibles de rendre les plus grands services aux nouveaux venus mais, aussi et bien souvent, à des utilisateurs pourtant confirmés recherchant de nouvelles idées.

Les applications hautement rentables en usinage des broches de machines-outils les plus rapides, tendent toutes vers une qualité commune, celle de ne pas exiger de fréquents changements des outils. Le fraisage de finition à haute vitesse d’une empreinte de moule ou d’un noyau peut, en effet, conserver le même outil durant une heure, voir plus... et fraiser à grande vitesse la forme complète d’un élément de structure d’avion en aluminium à partir d’un bloc massif en n’ayant besoin que d’un seul outil. Et, bien qu’une broche à très grande vitesse ait toutes les chances d’accroître le temps de changement d’outil, cela n’a aucune importance dans de semblables applications. Par contre, elles n’ont rien de typique. La majorité des travaux effectués dans la plupart des ateliers requiert un grand nombre d’outils par pièce et un temps moindre d’usinage par outil. Seulement, il est permis de se poser la question à savoir si la disponibilité de broches parmi les plus rapides peut aussi se justifier dans ces ateliers. Autrement dit, une broche à trente, à quarante ou à cinquante mille tours par minute peut-elle vraiment jouer son rôle pour usiner des petits lots ou des moyennes séries de pièces ?

La réponse, si l’on en juge par l’expérience d’au moins une moyenne entreprise de sous-traitance examinée dans ces lignes, est un oui parfaitement qualifié. Elle est à la tête de dix-huit machines à commande numérique, dont deux tout récents centres d’usinage à broche verticale de précision pouvant monter à près de cinquante mille tours. Ces deux machines représentent un pas en avant considérable pour l’atelier dont la vitesse maximale des machines, jusque-là en place, ne dépassait pas quinze mille tours par minute. Ces centres d’usinage ont été acquis spécialement pour fraiser et percer de fins détails dans des pièces électroniques en se servant de micro-outils qui, pratiquement, exigent de très hautes vitesses. Mais, avec l’expérience acquise par l’usinage de ces pièces, l’atelier a beaucoup appris sur la manière d’utiliser efficacement ces très hautes vitesses. A présent, le personnel a même commencé à jeter un regard sur des travaux plus courants, en quête d’autres pièces susceptibles d’être usinées bien plus productivement sur ces centres d’usinage.

Certes, toutes les pièces ne peuvent pas être candidates, même pas la majorité des pièces traitées dans l’atelier. Mais malgré tout, on a découvert qu’une sérieuse partie de la production en lots sur les centres d’usinage courant pouvait être usinée avec une broche tournant beaucoup plus rapidement. Ainsi, la possibilité de sortir ces pièces nettement plus vite, combinée à l’aptitude croissante dans l’atelier de les identifier, laisse augurer que l’usinage à près de cinquante mille tours/minute va devenir un atout important pour accroître sa capacité disponible.

Usinage de minuscules détails

On peut voir sur les figures 2 et 3 des pièces qui ne peuvent être fabriquées que par usinage à très grande vitesse. De telles pièces sont tout à fait représentatives de la majorité des usinages de très fins détails réalisés couramment dans l’atelier. Usinées dans une matière plastique très résistante, la pièce de la figure 2a est un montage de fixation par le vide servant à présenter correctement des composants électroniques durant un processus d’inspection automatique. Parmi les détails usinés, se trouve un minuscule port d’aspiration pour faire le vide au fond de chaque rainure usinée. La configuration varie, mais une version représentative de ce type de port consiste en une poche de 0,35 x 1,2mm d’une profondeur de 0,43mm au fond de laquelle un trou de 0,35mm de diamètre pénètre de 90mm pour sortir sur la face extérieure du fond de la pièce. On usine la poche avec une fraise deux tailles de 0,25mm de diamètre. Ce trou est percé à partir du haut de la rainure, signifiant que le mince foret doit avoir plus de 12mm de long sur sa partie coupante pour assurer un dégagement suffisant en atteignant le fond du trou.

De tels détails usinés sont si minuscules que, pour en assurer la contrôle de manière satisfaisante, on doit passer par un fort grossissement optique. Par ailleurs, les fraises utilisées pour effectuer l’usinage de ces détails sont également si fines que seulement une vitesse de rotation extrêmement rapide peut en assurer l’efficacité.

On a d’abord essayé dans l’atelier, d’utiliser des multiplicateurs de vitesse, notamment des porte-outils avec boîte d’engrenages intégrée. Avec eux, on pouvait monter à 45 000t/mn sur des centres d’usinage standard, mais la passe n’était pas suffisamment lisse. Des vibrations et du faux-rond provoquaient trop souvent un dépassement des tolérances, ainsi fréquemment qu’une rupture des minces fraises extrêmement coûteuses. Pour cette raison, il fut décidé de trouver une solution plus rationnelle pour usiner à très haute vitesse.

Les centres d’usinage retenus sont des machines anti-vibrations, extrêmement rigides et stables, développées essentiellement pour le fraisage à des tolérances serrées d’acier dur et d’électrodes en graphite dans les ateliers de moulistes. Leur broche est de fabrication Ibag et monte tranquillement jusqu’à 45 000t/mn, vitesse à laquelle l’atelier les exploite généralement. Tirant avantage de la capacité d’effectuer des usinages lisses, à très haute vitesse et avec de fortes avances, a immédiatement permis d’être plus productif dans la fabrication des pièces électroniques.

Un accessoire a encore accru la productivité. En effet, le second centre d’usinage a été livré avec une table rotative en quatrième et cinquième axes de positionnement (fig. 6a). Avec elle, il est devenu possible d’usiner les pièces du montage à vide entièrement et en un seul positionnement. C’est alors que l’on a commencé à se poser la question à savoir ce que l’on pourrait bien passer d’autre sur ces machines.

La première pièce ayant marqué la transition de manière décisive est illustrée sur la figure 4. Il s’agit d’une pièce en aluminium que l’on avait l’habitude d’usiner en production sur un centre d’usinage standard. Maintenant, elle est produite bien plus rapidement sur un centre d’usinage à grande vitesse.

L’usinage à grande

vitesse en action

La manière dont cette pièce est maintenant produite représente un exemple classique d’un usinage plus productif en prenant des passes plus fines mais à beaucoup plus grande vitesse.

Les passes légères sont une nécessité physique pour une machine dont la broche tourne à très haute vitesse. Sa puissance maximale qui monte à 9kW est comparable à ce que l’on peut trouver sur un centre d’usinage standard moins rapide. Mais on doit réaliser que la puissance est le résultat du produit du couple et de la vitesse. Si la puissance du moteur reste constante pour une broche offrant un plus grand nombre de tours par minute, il est évident que le couple ne peut être que plus faible. Cela explique pourquoi la profondeur de passe doit être moins importante. Par contre, le taux d’enlèvement de métal monte car l’accroissement de la vitesse d’avance compense plus que largement la minceur de la passe. On avait l’habitude de fraiser la pièce en aluminium à 460m/mn alors que maintenant, malgré la diminution de la profondeur de passe des deux tiers, la vitesse d’avance dans les parties droites de la pièce a pu être poussée à 7,60m/mn.

Gain considérable de qualité

La plus grande légèreté des passes a eu un autre avantage, celui d’améliorer la qualité dans son ensemble. Ainsi, par exemple, avec un moindre effort dans la passe, il est rare de constater une déformation quelconque des parties minces de la pièce. L’usinage à grande vitesse rend ainsi le travail plus régulier et plus fiable. On doit reconnaître, expliquent les opérateurs, que ce phénomène ne les surprend pas. Lorsqu’ils sont passés de 8 000 à 15 000t/mn, ce changement a induit une transition semblable. Les machines à 50 000t/mn poussent à l’extrême la vitesse d’usinage en passes légères. Le responsable de fabrication décrit les caractéristiques d’un travail qui se justifie largement sur ce type de machine rapide. Il explique qu’il est particulièrement significatif de voir une pièce en aluminium fraisée directement dans la masse d’un bloc de métal plutôt que de la produire par moulage. Pour plus d’une seule raison, ceci explique pourquoi le fraisage à grande vitesse peut sortir cette pièce avec plus d’efficacité.

Quel type de pièce convient ?

Lorsqu’une pièce ne requiert pas l’usage de très petits outils de coupe, la caractéristique essentielle indiquant qu’elle convient bien pour passer sur une machine à grande vitesse est lorsqu’elle implique des temps d’usinage prolongés entre deux changements d’outils. Bien sûr, le temps d’usinage ne demande pas d’être aussi long que ceux des moules ou des pièces d’avions mentionnés au début de cet article. Toutefois, il doit être suffisamment long pour qu’un enlèvement plus rapide du métal ait des chances de s’harmoniser avec l’augmentation des fréquences de changement des outils et avec l’accroissement du temps exigé pour ces changements. Cet accroissement peut varier, bien entendu, la différence se situant aux environs d’une trentaine de secondes par outil. Une broche allant à 45 000t/mn est soumise à une force centrifuge excédant largement ce à quoi est soumise une broche tournant à seulement une fraction de cette vitesse. Et, bien que cette broche soit thermiquement stable, il est probable que la différence de température entre un porte-outil froid peut jouer un rôle. Pour cette raison dans l’atelier, on laisse le temps à un nouvel outil mis en place dans la broche pour s’y « asseoir » en toute sécurité. La pratique de l’entreprise consiste à introduire une pause de trente secondes à la fin du cycle de chaque changement d’outil lors des usinages à grande vitesse de manière à être certain que le porte-outil a parfaitement pris sa place.

Rôle des temps de changement d’outil

On peut produire efficacement des pièces usinées dans la masse malgré ce délai car elles impliquent un enlèvement relativement important de matière en ne faisant appel qu’à un petit nombre d’outils différents. C’est l’une des raisons pour lesquelles l’usinage dans la masse est idéal à grande vitesse. Mais une autre raison est que l’usinage dans la masse facilite par sa nature même, l’amortissement de chaque changement d’outil en procédant à l’usinage par regroupement de plusieurs pièces par cycle. Lorsqu’on usine une pièce dans la masse, l’usinage de plusieurs pièces simultanément n’implique pas la dépense de montages multiples. Tout ce qu’il faut, c’est que la même pièce puisse être imbriquée en nombre dans une ébauche de grandes dimensions qu’il suffit alors de brider une seule fois.

C’est cette méthode qui est pratiquée dans l’atelier pour produire la pièce en aluminium de la figure 4 en procédant à l’usinage de trois pièces à la fois dans une seule ébauche (fig. 5). La même technique est parfois utilisée sur les centres d’usinage standard en tirant partie d’ailleurs, d’une augmentation de la vitesse de coupe pour accroître le rendement. Chaque outil, au cours du cycle de fabrication, peut usiner le même endroit trois fois de suite, ce qui signifie que le nombre de changements d’outil peut être amorti sur plusieurs des pièces.

En répartissant le volume de matière enlevée entre changements d’outil, l’imbrication de pièces peut transformer en une bonne opération à grande vitesse l’usinage de pièces dans la masse qui, autrement, ne pourrait se justifier sur des centres d’usinage rapide. Du fait que, dans l’entreprise, on passe de plus en plus de pièces sur ces machines, il est certain que l’imbrication va devenir une pratique plus courante que ce n’est encore le cas aujourd’hui.

Pour revenir à ce qui détermine quel type de pièce est candidate à l’usinage à grande vitesse, il y a le fait que la pièce a besoin d’une opération de taraudage, rigide ou non. Si c’est non, qu’il y a de longs usinages et/ou un petit nombre de changements d’outil par pièce, on peut être sûr qu’il s’agit d’une bonne candidate à l’usinage à grande vitesse.

Quant à la manière d’usiner ces travaux le plus efficacement possible sur des machines à grande vitesse, elle se découvre en y passant du temps, comme ce fut le cas avec les pièces d’électronique dans l’atelier. En effet, la majorité des connaissances acquises à ce jour pour la bonne exploitation des centres d’usinage à grande vitesse, est le résultat de l’expérience. Et une grande part de cette expérience a rapport aux outils de coupe utilisés car, dans les tous premiers temps où l’on a commencé à usiner à grande vitesse, les surprises n’ont pas manqué...en relation directe avec les outils.

Le mieux est l’apprentissage sur le tas

L’une des surprises a tout simplement été l’importance de l’investissement nécessaire en outils. L’exploitation de machines à grande vitesse a exigé non seulement des outils de petite à très petite taille indispensables pour usiner les minuscules détails de certaines pièces, mais aussi de la haute qualité, des porte-outils et des pinces bien équilibrés pour assurer une coupe douce avec des outils de toutes les tailles aux vitesses les plus élevées. On a ainsi vite réalisé que l’on aurait besoin d’un outillage beaucoup plus volumineux que cela n’était envisagé si l’on voulait franchir sans encombre la barrière de productivité promise par les nouvelles machines.

Une autre surprise a été de découvrir combien étaient limitées les informations disponibles pour essayer d’utiliser dans les meilleures conditions les outils aux vitesses auxquelles on allait devoir s’habituer. Les fabricants d’outils n’avaient eux-mêmes pas grand-chose de vraiment pratique à communiquer et il a fallu franchir le pas sans aide efficace véritable.

Exemple d’expérience ayant une incidence majeure

Un point très important résolu sur place est celui du broutage. Par exemple, dans certains cas où l’arête de coupe d’un outil carbure est trop arrondie pour une application déterminée, on s’est rendu compte que l’arête d’un outil en acier rapide, de son côté, pouvait être tellement vive qu’elle broutait exagérément. Ainsi, afin de calmer le phénomène, l’atelier a-t-il trouvé la bonne solution en rodant sur place ses propres rayons sur les outils en acier rapide. Dans d’autres cas, on a maîtrisé le broutage en passant d’une fraise deux tailles à deux dents à une autre à trois dents. Une raison vraisemblable pour laquelle cela réussit est, qu’à grande vitesse de coupe, la fréquence des impacts de l’outil entre dans la plage où se situent les “points doux” (voir deuxième page de l’article précédent d’introduction) qui rendent le processus plus stable alors que ce phénomène est considérablement moins prononcé à plus basses vitesses. À un niveau de fréquence élevé, ajouter une dent de plus peut, en effet, faire passer la fréquence des impacts des dents de l’outil à une valeur correspondant à un de ces point doux, fréquence à laquelle le processus s’harmonise et élimine le broutage.

Et, comme il faut bien conclure, il faut insister sur le rôle joué par le temps

L’acquisition des connaissances prend immanquablement du temps. En fait, la nécessité de progresser dans sa propre expérimentation immobilise fréquemment une machine qui, pendant ce temps, ne produit rien. Néanmoins, c’est un investissement loin d’être à fond perdu, puisque c’est la meilleure manière d’atteindre un niveau satisfaisant de savoir-faire en usinage à grande vitesse et en maîtrise de cette technique de fabrication.

Or, c’est un investissement à poursuivre en permanence une fois engagé si l’on veut élargir régulièrement et efficacement - ce qui est parfaitement réalisable - sa capacité d’usinage. Mais cela implique, parallèlement, de se tenir le mieux informé possible sur les progrès et évolution des machines à grande vitesse tant il est vrai, qu’une fois une étape majeure franchie, il n’est plus permis de s’en tenir là. La technologie est vivante et capable de devancer les attentes des usineurs pour leur ouvrir des opportunités à saisir en primeur, dès lors qu’ils sont prêts à se créer de nouveaux marchés en se dotant régulièrement de modèles de machines toujours plus performants. L’usinage à grande vitesse, même s’il ne représente pas une panacée, est appelé à progresser encore techniquement et productivement pour devenir de plus en plus indispensable et inciter à ce qu’il se substitue très avantageusement - pour quantité d’applications - aux méthodes d’usinage classiques sur des machines restées trop souvent traditionnelles.

Cette étude a pu être réalisée grâce à la collaboration de P. ZELNISKI, rédacteur et reporter spécialisé à la Revue “Modern Machine Shop” avec laquelle la Rédaction de TRAMETAL entretient des relations exclusives au bénéfice de ses Lecteurs.

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