Nous suivre Industrie Techno

VERS LES 100 000 TOURS PAR MINUTE

Mirel Scherer

Sujets relatifs :

,
- L'usinage à grande vitesse est loin d'avoir atteint ses limites et il reste beaucoup de pistes à explorer pour exploiter au maximum son potentiel. Architecture, outils de coupe ou programmation, les chantiers ne manquent pas.

Développé au début des années 1980 par le constructeur français Forest-Liné pour les besoins de l'industrie aéronautique, l'usinage à grande vitesse (UGV) s'est démocratisé. De nombreux ateliers, petits et grands, se sont équipés de telles machines et ont appris, parfois en essuyant les plâtres, à les exploiter convenablement.

L'UGV porte bien son nom : elles vont en effet très vite ces machines ! Leurs broches tournent en général à 18 000 ou 20 000 tr/min et même beaucoup plus dans les opérations de perçage ou l'usinage de finition. Là, on atteint des vitesses d'axe et des accélérations à couper le souffle grâce aux moteurs linéaires. Dans la fabrication des petits moules pour téléphones mobiles, on trouve des machines fonctionnant à plus de 100 000 tr/min. En attendant l'arrivée des broches hydrostatiques ou à palier magnétique, qui autoriseront des vitesses encore plus importantes dans les opérations habituelles d'un atelier de mécanique.

Car les utilisateurs en veulent toujours plus pour leur argent. Ces performances ne sont en effet pas gratuites. De l'avis général des utilisateurs, un équipement UGV nécessite un investissement initial et des coûts d'exploitation plus importants que ceux d'une machine classique. De combien ? « Il faut investir de 20 à 30 % de plus que dans une installation classique », indique Philippe Ledoux spécialiste réputé de la grande vitesse, qui dirige la société de conseils UGV Technologies.

Pas d'improvisation avec l'UGV

Ce n'est pas tout. L'inventaire des postes à charge de l'UGV a effectivement de quoi donner des frayeurs aux chefs d'entreprise, surtout petites. « Si la machine usine cinq fois plus vite, elle nécessite aussi cinq fois plus de programmes d'usinage, donc une FAO performante, mais aussi un outillage à la hauteur », souligne Philippe Ledoux. Pour ce spécialiste, l'UGV ne laisse aucune place à l'improvisation. « Prenons les outils de coupe, explique-t-il. Non seulement il faut un carbure de qualité (des micrograins de 0,2-0,3 µm sont fortement conseillés) mais aussi un revêtement et un affûtage très rigoureux. » Tout cela se paie : des outils de fraisage de diamètre 10 mm avec ce micrograin coûtent jusqu'à 60 euros. Et même si on baisse un peu la barre de la qualité du grain à 1 ou 1,5 µm, le prix ne descend pas au-dessous de 15 euros l'outil.

Reste que l'effort est largement récompensé. Par les gains de productivité. Par l'amélioration de la qualité. Voire même par une nouvelle motivation du personnel. Tous les ateliers qui ont goûté à l'UGV en témoignent. Ceux, naturellement, qui ont su l'apprivoiser dans des bonnes conditions. « Bien exploitée, une machine UGV peut remplacer jusqu'à trois machines à broche conventionnelles », confirme Philippe Ledoux.

On ne parvient à ces résultats qu'au prix d'une profonde réorganisation de l'atelier. Mais là aussi, il est possible de récolter au passage quelques bénéfices intéressants comme l'élimination de certaines opérations d'usinage (le cycle de fabrication est écourté et la qualité de la pièce améliorée) et le transfert des compagnons vers les méthodes. C'est une autre source de profits non négligeable.

Les utilisateurs veulent des machines encore plus rapides ? Bien. Mais comment faire ? « Comme pour toute technologie récente, il reste beaucoup de pistes à explorer dans l'UGV », affirme Claude Fioroni. Responsable de la R&D chez Comau Systèmes, il connaît bien la question. Ce pionnier de l'UGV est à l'origine de quelques concepts comme la famille de machines Urane et, surtout, l'Urane SX, qui a fait ou fera date dans l'histoire de ce type d'usinage.

Pour ce spécialiste, « si les évolutions ont été considérables dans l'usinage de l'aluminium, avec des vitesses de coupe atteignant 5 000 m/min qui ont profondément modifié les machines, les gains restent encore modestes dans l'usinage des fontes et des aciers car les performances des outils de coupe y restent limitées ».

Quatre domaines en perpétuelle évolution

Cela dit, les futures évolutions de l'UGV dépendront évidemment du domaine d'application. L'industrie automobile n'a pas les mêmes objectifs ni les mêmes besoins que celles du moule ou de l'aéronautique. D'une manière générale cependant, la recherche des nouveaux gisements de productivité et de qualité implique des évolutions importantes dans l'offre UGV.

Quatre domaines sont, entre autres, en perpétuelle transformation chez les fournisseurs d'équipements UGV pour répondre à ces desiderata : l'architecture de la machine ; les broches, les outils et les outillages ; la lubrification ; la FAO (fabrication assistée par ordinateur) et la commande numérique.

Tous les utilisateurs sont à la recherche de structures de machines plus rigides, avec moins de composants, qui peuvent non seulement améliorer le rendement mais aussi baisser les coûts. Confrontés à une concurrence impitoyable des pays à bas coût de main d'oeuvre, les moulistes, par exemple, s'orientent vers des solutions novatrices.

Supervision et pilotage à distance

Ce n'est pas uniquement la structure de la machine qui change mais toute la philosophie de l'usinage qui évolue. Non seulement ils combinent les possibilités de l'usinage en 5 axes simultanés avec celles de l'usinage à grande vitesse mais ils y ajoutent la robotisation. Une solution rendue possible par les progrès des outils de programmation et de gestion de la production.

L'exemple de la société Georges Pernoud, une PME de 62 personnes de la région d'Oyonnax (Ain), fera sans doute école. Une cellule flexible de deux machines, - une Mazak et une Röders - est associée à un robot Fanuc qui assure l'alimentation en pièces fixées sur des palettes Erowa. Rien de plus banal diront les connaisseurs. Oui, sauf que, jusqu'ici, les installations de ce type étaient consacrées à la fabrication en grande série de la même pièce. Tandis que cette cellule traite des pièces différentes qui arrivent sur l'une ou l'autre des deux machines de manière aléatoire. Grâce au système de gestion mis au point par la société d'ingénierie Pro-Concept. Une installation qui peut travailler jour et nuit, toute l'année, cumulant jusqu'à 4 500 heures/an, ce qui baisse sensiblement les coûts des pièces fabriquées.

L'arrivée d'Internet change aussi les approches d'usinage, permettant non seulement la supervision à distance mais surtout le pilotage à distance de la machine. Une solution dont la faisabilité technique a été démontrée par les spécialistes du Centre technique des industries mécaniques (Cetim) en collaboration avec la société Stevenin. Un développement qu'attend avec impatience Seco Tools dont les deux machines UGV Mikron sont déjà exploitées à fond grâce à la surveillance à distance. « La nuit et le week-end, nous pouvons ainsi savoir si un incident est intervenu sans avoir à nous déplacer », confirme Jean-Pierre Lalanne, responsable de la production de l'usine de Bourges (Cher). Utilisées en semaine pour la fabrication des fraises conventionnelles, les machines sont dédiées le samedi et le dimanche à la fabrication des fraises prototypes ou pour des programmes de recherche. Les équipements assurent ainsi quelque 140 heures d'usinage chaque week-end, dont 30 à 37 heures sans surveillance.

L'architecture parallèle

On considère cependant ici qu'ils peuvent mieux faire. « Les constructeurs de machines-outils devaient nous donner la possibilité d'entrer dans l'armoire de commande pour pouvoir non seulement surveiller la fabrication mais piloter les opérations à distance », souhaite Jean-Pierre Lalanne. Un voeu qui sera sans doute bientôt exaucé par les fournisseurs...

Sans être la panacée, comme nous l'avons tous cru à leur apparition, et encore peu présentes dans les ateliers, les machines à architecture parallèle se révéleront peut-être irremplaçables dans certains cas d'application. « Nos recherches démontrent que le principe du "tourner vite et changer les outils" est en bout de course dans certaines opérations d'usinage, explique Claude Fioroni. Seule une configuration comme celle de l'Urane SX avec broche à palier magnétique permet d'atteindre des vitesses de 80 000 tr/min. »

L'usinage à arrosage limité ou à sec

L'ébullition technologique est aussi manifeste côté outils de coupe et autres stratégies d'usinage. Pour l'expert de Comau, la quête permanente de la productivité va entraîner de nouvelles stratégies d'usinage. « Les outils de formes complexes vont disparaître dans certains types d'opérations au profit d'outils standards beaucoup moins coûteux et plus facilement disponibles », prévoit ainsi l'expert de Comau Systèmes.

Autre tendance actuelle de développement : les techniques d'usinage à arrosage limité de type MQL (Minimum Quantity Lubrication) et même d'usinage à sec qui, en limitant la quantité globale des effluents, permettent une diminution sensible des coûts d'exploitation.

Enfin, la programmation fait des progrès considérables pour réduire les temps. Philippe Ledoux, d'UGV Technologies, en dresse une liste, loin d'être exhaustive, de développements que connaissent les principaux logiciels de FAO : suppression des approches et des chocs thermiques, optimisation des ébauches et des Z constants, usinage trochoïde... Tout un programme qui permettra, d'ici à quelques années, d'atteindre des vitesses de broche dépassant allègrement les 80 000 tr/min !

POURQUOI ALLER PLUS VITE ?

- Usiner les pièces rapidement et en une seule fixation grâce au 5 axes - Améliorer la qualité - Augmenter la productivité pour récupérer un investissement et un coût d'exploitation plus importants en UGV

L'avis de... Alexandre Henon SteveninPRODUCTIVITÉ ET RÉACTIVITÉ

- Domaine d'activité : forge, usinage des blocs en acier de 50 à 100 kg (cycle d'usinage de 12 heures en moyenne). - Machines UGV : Fraiseuses Röders RP 800 et RFM 1000. - Point fort : la société a participé à la démonstration d'usinage à distance mise en place par le Cetim. «Productivité et réactivité sont les principaux gains, mais il faut savoir que l'UGV c'est un état d'esprit qu'il faut insuffler à toute l'équipe », considère Alexandre Henon, responsable de la production des outillages de forge de Stevenin (Hautes-Rivières, Ardennes). La société, qui usine des blocs d'acier dont le poids varie de 50 à 100 kg et nécessitent chacun environ 12 heures d'usinage, a choisi deux fraiseuses UGV fabriquées par le constructeur allemand Röders. Dotées de deux plateaux magnétiques, les machines peuvent usiner (ébauche et finition) quatre blocs ce qui les occupent pendant une cinquantaine d'heures. « La dynamique des machines mais aussi l'assistance que nous a accordée le constructeur, lui-même mouliste, nous ont convaincus », remarque l'ingénieur. Interchangeables, ces machines améliorent aussi la qualité d'usinage des matrices mais il faut prévoir des outils de coupe adéquats (carbure monobloc), des moyens de frettage et d'équilibrage aussi bons que la machine. La FAO, le logiciel PowerMill de Delcam dans notre cas, doit pouvoir supporter les exigences de ce type d'usinage qui nécessite également une formation adéquate des opérateurs. Les moteurs linéaires améliorent la dynamique Les nouveaux outils de coupe avec des grains de plus en plus fins, des géométries particulières et des revêtements performants autorisent des fortes avances d'usinage et des gros volumes de copeaux. Nous regardons enfin, avec intérêt, l'arrivé des moteurs linéaires qui améliorent la dynamique et diminuent le nombre de pièces d'usure. » Le forgeron teste d'ailleurs les voies de production du futur car il a été l'un des acteurs du test d'usinage à grande vitesse et à distance mis en place avec succès par le Centre technique des industries mécaniques (Cetim). La machine UGV située dans l'atelier de Stevenin était pilotée sans peine par des techniciens situés au Cetim à Saint-Étienne (Loire)...

L'avis de... Éric Lamboley LamboleyLA PRÉPARATION EST PRIMORDIALE

- Domaine d'activité : outilleur mouliste pour l'automobile, mécanique de précision pour l'armement et l'aéronautique. - Machines UGV : Huron KX 10, 20 et 30. - Point fort : anticiper par une formation UGV l'arrivée des machines. Cette PME de 50 personnes de la région parisienne a pris toutes les précautions avant de passer à l'UGV. « Nous avons fait appel à Philippe Ledoux, d'UGV Technologies, pour faire passer le personnel de l'atelier de l'usinage conventionnel à celui à grande vitesse, raconte Éric Lamboley, PDG de la société Lamboley (Aulnay-sous-Bois, Seine-Saint-Denis). Nous avons découvert, par exemple, que le travail de préparation (choix d'outils, stratégies d'usinage, etc.) est primordial dans ce type d'usinage. » Dotés de broches qui fonctionnent à 18 000 voire 24 000 tr/min, les trois équipements Huron usinent des alliages légers mais aussi de l'acier ou de l'acier allié voire du titane. Parfois en temps masqué grâce au système de palettisation manuel astucieux de la KX 10. Une FAO efficace, WorkNC de Sescoi pour le 3D, Goelan de Missler Software pour le 2D, assure la programmation. Avec ces outils, le temps d'usinage a été divisé par sept. Alliance du 5 axes et de l'UGV « Cela ne s'est pas toujours passé sans heurts, car nous avons, par exemple, provoqué deux fois des collisions qui ont endommagé les broches, se souvient l'ingénieur. Heureusement, nous avons été dépannés en moins de 48 heures. Cependant le préjudice financier reste important : une broche coûte entre 20 000 et 30 000 euros. Il faut donc soigner en amont le travail de programmation et de simulation pour éviter ce genre d'incident. » La société ne s'endort pas sur ses lauriers car elle commencera bientôt une opération de prospection du marché pour choisir un équipement qui allie 5 axes et UGV. Ce qui va éliminer de nombreuses opérations (montages/démontages, réglages, etc.) gourmandes en temps et en argent. Avis donc aux fournisseurs...

L'avis de... Jean-Pierre Lalanne Seco ToolsUN NOMBRE D'OUTILS RÉDUIT

- Domaine d'activité : fabrication d'outils de coupe. - Machines UGV : 2 Mikron HSM 400U. - Point fort : surveillance à distance de l'usinage. Le cordonnier mal chaussé... Ce vieil adage ne s'applique pas à l'usine Seco de Bourges (Cher). Deux machines Mikron 5 axes très dynamiques (40 m/min d'avance rapide, 30 000 tr/min pour la broche d'une puissance de 30 kW) dotées d'une commande numérique (CN) Heidenhain, fabriquent ici tous les outils qui ont fait la réputation du fabricant suédois. Des fraises de toutes sortes, pour les moulistes, rondes et pas rondes, des petites plaquettes... les équipements alimentés par des robots Erowa ne connaissent pas de repos. Surveillées à distance (en attendant une CN qui permettra le pilotage à distance), les machines sont utilisées en semaine pour la fabrication des fraises conventionnelles et sont dédiées le week-end à la fabrication des fraises prototypes. « L'UGV a réduit sensiblement le nombre d'outils utilisés. On est passé en moyenne de 20 à 12 outils et le système 5 axes de Mikron autorise même l'usinage des surfaces de révolution », indique Jean-Pierre Lalanne, responsable de la production. Analyse en temps réel du bon fonctionnement L'atelier utilise ainsi des outils Jabro, une filiale de Seco spécialisée dans les outils pour l'UGV. Les usineurs de Seco apprécient la stabilité des machines Mikron pourvues d'un bâti en Granitan et d'une structure très rigide. « Les moteurs couple sur les axes A et B assurent aussi une dynamique excellente », confie le responsable de Seco. Une autre filiale de Seco, EPB, a fourni les équipements annexes, frettage et équilibrage, et l'environnement de l'équipement a été soigné grâce au traitement des microcopeaux. Dernier atout des équipements utilisés par Seco : le système Smart Machine qui permet d'analyser en temps réel le bon fonctionnement de l'installation : détecter, par exemple, si l'outil vibre.

L'avis de... jean-Marie Sécher SmadMOTIVER LE PERSONNEL

- Domaine d'activité : Mécanique de précision et notamment études et réalisations de maquettes de contrôle pour les équipementiers automobiles. - Machine UGV : Hermle C40. - Point fort : l'UGV a fortement motivé le personnel de l'atelier. «Notre démarche UGV a débuté avec une longue période d'étude et de sélection », explique Jean-Marie Sécher, PDG de SMAD (Le Pin-la Garenne, Orne). Pas moins de douze machines d'usinage à grande vitesse ont été passées au crible avant de choisir la Hermle C40, un équipement entré dans l'atelier en avril 2004 et destiné à usiner des pièces en alliage léger ou en inox. Un atelier qui fabrique en deux fois huit heures des pièces complexes qui justifient le choix d'une telle machine capable de travailler sur 5 axes simultanément. « La dynamique de cette machine, qui dispose d'une vitesse d'avance rapide de 45 m/min et d'une broche de 15 kW et 18 000 tr/min, assure la productivité et la qualité d'usinage nécessaires à notre type de production », précise le responsable de cette PME de 26 personnes. Tout a été fait dans les règles de l'art. Ainsi, les quatre personnes chargées de piloter l'équipement ont suivi une formation de deux semaines pour se mettre dans le bain de... l'UGV. Un investissement de 300 000 euros « Nous utilisions déjà un système de CFAO performant, Mastercam pour ne pas le nommer, ce qui nous a permis de passer sans problème à la programmation exigeante de l'UGV. D'autres équipements indispensables ont également été installés comme le banc de frettage d'EPB. » Un investissement total de 300 000 euros consenti pour deux raisons principales. « L'insistance de nos clients, les équipementiers automobiles qui nous ont poussés à nous équiper avec une machine UGV, s'est ajoutée à la volonté de motiver notre personnel avec une technologie à la pointe de l'usinage », conclut Jean-Marie Sécher.

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0862

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2004 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies