usiner directement au modèle CA

XAO - CNC
Usiner
directement
au modèle CAO
par Dominique Dubois
d’après un article de Modern Machine Shop by Derek Korn
www.trametal.com, code
KTZ88
Ce concept mis en œuvre par M. Rotman, Président
de la société AMERITECH DIE MOLD présente les avantages
suivants: éliminer toutes les opérations de finition
manuelles, pouvoir prendre en compte rapidement
toute modification de la pièce car les surfaces du
moule sont bien définies, fournir des évents efficaces
sans avoir à usiner au-delà de la surface théorique et
permettre un contact à 100% dans la zone de fermeture à la ligne de séparation.
En d’autres termes, cet atelier a adopté la méthode
d’usinage direct au modèle CAO afin d’améliorer la qualité
des moules d’injection, de compression et de soufflage
livrés à ses clients.
Comme pour tout travail de fraisage dur sur des bruts
atteignant 58 HRC, des pré-requis sont indispensables si
l’on souhaite aller directement aux cotes finies du modèle. Une machine rigide sera essentielle aussi bien pour
l’ébauche que pour la finition. Certains ateliers ne font
appel qu’à un seul fournisseur, ce qui n’est pas le cas
d’Ameritech. Des machines de chez ENSHU, OKK, KURAKI,
MAKINO sont en place dans l’atelier et les finitions sont le
plus souvent faites sur une FIDIA K165 3+2 VMC qui possède
une broche tournant à 30000 t/mn. Plusieurs logiciels de
FAO sont utilisés par l’entreprise, à savoir SURFCAM pour
les travaux en 2D et CIMATRON pour les parcours en 3D.
Afin de minimiser les faux ronds et le risque d’écaillage des arêtes, Ameritech a recours à des attachements
HSK équilibrés, à serrage hydraulique ou par frettage. Le
faux rond maximum accepté est de 5 µm. L’équilibrage
est particulièrement surveillé pour des outils à bouts
sphériques de petits diamètres tournant à vitesse élevée. Cet atelier utilise des diamètres aussi petits que
0,38 mm en finition. Tous ces éléments, combinés avec
TRAMETAL - Décembre 2007 - 47
XAO - CNC
Fig. 1 La seule
opération
manuelle dans ce
moule à double
empreinte pour
airbags relève de
l’assemblage de
composants
auxiliaires.
Ce moule a été
monté en une
soirée, passé au
bleu le lendemain
et livré le jour
suivant.
l’utilisation d’outils coupants ayant une précision sur leur rayon de 5 µm permettent de
s’approcher de la surface théorique avec une
tolérance de +/- 13 µm.
Mettre en pratique les technologies
avancées
Fig. 2 La fraise deux lèvres
à bout sphérique en
carbure revêtu
utilisée par
Ameritech en
usinage dur, comme
sur ce moule, a une
précision de
+/- 5 µm sur le rayon.
Ameritech est spécialisée dans la fabrication et la réparation de moules de grandes
dimensions ou complexes, la plupart du temps
destinés à l’industrie automobile. Son point
fort réside dans les moules pour capots d’airbags pour des sous-traitants de premier rang.
Ce type de moule de précision exige des mouvements complexes et simultanés de plusieurs
axes des machines afin de réaliser les nombreuses nervures et rainures requises.
Très peu de temps après sa création, en
1985, l’entreprise a acquis son premier centre
d’usinage à commande numérique, un ENSHU
VMC qui est toujours utilisé pour réaliser de
petites pièces de moules. Cet achat initia la
stratégie de l’entreprise visant à intégrer des
équipements de dernière génération afin de
pouvoir travailler directement aux cotes finies
du modèle. L’atelier possède, en outre, une
fraiseuse d’électrodes en graphite, une foreuse, des machines d’électro-erosion à fil et à
enfonçage et deux presses à injecter pour les
essais IMM de 220 et 460 tonnes de poussée,
ceci dans un but d’autonomie et pour rester
maître de ses délais.
48 - Mars 2005 - TRAMETAL
Un hall accueille les machines 3 axes pour
y produire les semelles des moules, les éjecteurs, les verrous et autres brides. Ces machines surfacent aussi les bruts et ouvrent les
poches en ébauche avant transmission à l’atelier 3D où seront effectuées la demi-finition et
finition des moules.
Les opérateurs chez Ameritech sont aussi
des programmeurs. M. Rotman est d’avis que
des conducteurs de machines capables de
programmer s’approprieront le processus de
fabrication et seront attentifs au respect de la
qualité. A chaque nouvelle commande, les
opérateurs sont impliqués très en amont
dans la conception du moule afin qu’ils puissent donner leur avis sur la facilité de réalisation des solutions retenues. Quand vient le
moment de lancer la fabrication, leur connaissance du modèle CAO leur facilite la programmation et le démarrage des opérations d’usinage. Ce qui est particulièrement évident
dans cette société où la moyenne d’âge n’est
que de 31 ans, c’est l’enthousiasme mis à
“sortir” le moule directement à la cote, tout
spécialement quand la précision requise est
élevée. Une bonne partie des 25 opérateurs
est diplômée de l’école d’apprentissage maison et met une réelle volonté à essayer différentes stratégies d’usinage ainsi que les nouvelles technologies mises à leur disposition.
Ceci est du, pour une part, au fait qu’ils n’ont
jamais pris de mauvaises habitudes dans une
entreprise qui laisserait une “garde de finition” sur ses moules.
L’importance des outils coupants
Récemment, l’atelier a commencé à utiliser
des fraises en carbure revêtu à bout sphérique
Miracle Nova de chez MITSUBISHI MATERIALS.
Bien que ces outils de finition soient plus onéreux que les fraises moins précises utilisées
habituellement, la différence est vite amortie
par la précision du travail effectué. Ces fraises
possèdent un revêtement AlTiN propriétaire et
la précision de l’affûtage de leur rayon ressort
à +/- 5 µm. En outre, la géométrie particulière
de leur point de centre augmente la durée de
vie des outils note l’opérateur de la Fidia VMC
qui se charge de la majorité des travaux de
finition. Le centre de ces fraises travaille en
effet avec une vitesse nulle, ce qui cause
généralement sa destruction prématurée avec
un état de surface résultant médiocre. Les
outils Miracle sont affûtés amincis en bout
pour un enlèvement de matière minimal à la
pointe ce qui diminue la charge à vitesse nulle
avec une bonne évacuation des copeaux.
Ameritech a mis au point une méthode en
trois étapes pour ses opérations de demi-finition et finition. L’ébauche est réalisée à
0,63 mm de la cote théorique, la première
passe de demi finition s’arrête à 0,254 mm de
cette cote et la deuxième passe à 5 µm du
modèle. Enfin la passe de finition est directe-
La profondeur des évents
XAO - CNC
Beaucoup de moulistes usinent un côté des moules en négatif par
rapport à la cote théorique afin de laisser l’air s’échapper à l’injection.
M. Rotman est d’un avis contraire et préfère usiner des conduits d’évents prévus dans
le modèle CAO en
partant d’une surface finie à la cote
plutôt que de se
lancer dans de l’usinage de précision au-delà de la
cote finie. Ces
évents résisteront
bien mieux à l’usure du moule en
production et permettent de retoucher le modèle
CAO sans problème. Il préfère capitaliser sur sa méthode d’usinage
de précision directement au modèle pour prévoir des conduits en T
pour ventiler ses moules, méthode bien plus sûre en production, surtout sur des moules conçus avec une ligne de fermeture perfectible.
Chaque évent aboutit à l’extérieur du moule et part d’un collecteur
qui contourne toute la forme. Ces collecteurs ont une profondeur de
0,025 mm pour 0,254 mm de large. Le secret est d’usiner ces canaux
collecteurs avec une précision de +/- 12 µm pour permettre à la fois
une bonne évacuation des gaz et éviter des “flash” visibles sur la surface moulée
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ment à la cote finie. Ces deux passes de demi finition rallongent sensiblement la durée d’usinage par rapport à la méthode de la passe unique
à 0,12 mm de la cote. Mais M. Rotman pense que cette passe additionnelle permet à l’outil de finition de travailler dans de meilleures conditions
et de durer plus longtemps. Notamment, l’effort de coupe étant moindre
avec une passe réduite de moitié, la flexion de l’outil le sera aussi avec
une durée de vie bien supérieure. A titre d’exemple, une passe de 40 heures avec un seul outil travaillant entre 18 000 et 30 000 t/mn, en fonction
du diamètre de l’outil, pour 38 m/mn d’avance, le pas devant être équivalent à l’avance à la dent pour donner un état de surface de qualité. En
conséquence, le pas, les vitesses de rotation et d’avance sont réduites
en proportion lors d’utilisation d’outils de très petits diamètres.
Cette double passe est un gage de qualité pour les surfaces usinées. En examinant l’outil, après la dernière passe, sur un projecteur de
profil, l’opérateur peut dire si le moule est à la cote voulue ou non suivant
l’usure de l’arête de coupe. Chaque moule est passé au bleu de Prusse
sur son plan de joint pour vérifier la qualité de la fermeture.
Si un seul outil ne tient pas toute la durée de la passe finale, il est
remplacé mais non jeté. Les outils usés peuvent souvent servir pour des
passes de demi-finition, moins précises, ce qui amortit d’autant des
outils dispendieux. Il est aussi possible d’utiliser ces outils usés seulement en bout pour des travaux qui solliciteront les flancs de l’outil.
L’opérateur/programmeur chargé de l’ébauche en 2D utilise souvent
des outils à quatre dents prévus pour des enlèvements de copeaux
importants à faible vitesse et grande avance. Par exemple, une fraise de
50 mm à plaquettes tournera à 1200 t/mn pour une avance de 63 m/mn
La stratégie d’usinage adoptée par ce mouliste l’aide
à éliminer les opérations d’ajustage manuel des
moules complexes en les usinant directement aux
cotes du modèle CAO.
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XAO - CNC
Fig. 3 Cet opérateur
programmeur
vérifie au
projecteur de
profil le degré
d’usure de l’arête
de cet outil de
finition.
Le moule est
réputé à la cote si
l’outil ne montre
pas de signe
d’usure évident
après la dernière
passe de finition.
Une attention particulière est portée au maintien de la température ambiante ainsi que celle
des machines dont les fluctuations pourraient
affecter la précision. L’air conditionné est donc
installé et les opérations de finition sont souvent
lancées la nuit pour limiter ces variations, courantes en Floride ou dans le second établissement de Caroline du Nord. En outre, une machine “froide” tournera à vide au moins 30 minutes
avant de lancer un usinage afin de laisser le
temps à tous ses composants de prendre leur
température normale de fonctionnement.
et une profondeur de passe de 0,76 mm et un
pas de 60% du diamètre. En cas d’usinage 3D
avec le flanc d’une fraise 2 tailles 4 dents à
bout sphérique, il programmera 76 m/mn d’avance pour 15 000 t/mn. Comme c’est souvent le cas en usinage dur, les opérations de
finition et d’ébauche s’effectueront à sec
avec un soufflage d’air pour dégager les
copeaux. L’idéal étant d’avoir une coupe
légère et rapide afin que toute la chaleur de la
coupe soit évacuée avec les copeaux sans
échauffer la pièce. Des copeaux rouge foncé
en sont la signature. Dans le cas d’outils de
petit diamètre, un brouillard d’huile peut être
bénéfique. Son action sert à améliorer la
coupe et non à refroidir.
Une approche différente du métier
de mouliste
M. Rotman commença sa carrière de mouliste dans un atelier qui n’usinait pas directement “au modèle”. Cet atelier terminait ses
usinages à 0,025 mm de la cote théorique afin
de se préserver d’éventuels problèmes localisés et pouvoir y remédier avec un usinage
complémentaire ou une nouvelle passe d’enfonçage. Cet atelier s’attachait à monter et
démonter les moules sur la machine aussi vite
que possible, pour un contrôle ou un traitement externe, par exemple. Maintenant qu’il a
sa propre entreprise, M. Rotman préfère prendre le temps d’usiner avec soin ses moules
directement à la cote finale pour éliminer toute
opération manuelle d’ajustage.
❑
Déterminante pour la
rentabilité :
la précision de la première pièce
D’après un document HEIDENHAIN
Fig. 1 Echauffement
d’une vis à billes
lors de l’usinage
ligne à ligne
à 10 m/mn.
A gauche, la
table, à droite, la
motorisation.
L’enregistrement
thermographique
indique des
températures de
25 °C (bleu foncé)
à 40 °C (jaune)
nologie de mesure de position
adaptée. Les pièces à tolérances
serrées ne peuvent être usinées
que sur des machines-outils très
stables thermiquement malgré la
grande diversité des opérations
d’usinage, surtout avec des faibles lots de fabrication ou des
pièces unitaires.
La plus grande part de l’imprécision d’origine thermique sur les machines-outils a généralement sa source dans les entraînements.
Des vitesses et accélérations élevées provoquent réchauffement des vis à billes et leur
dilatation. Des erreurs de position jusqu’à
100 µm peuvent surgir en quelques minutes
seulement si l’on ne dispose pas d’une tech-
50 - Décembre 2007 - TRAMETAL
Enregistrement de
position des entraînements
La position d’un axe linéaire CN est enregistrée, soit avec le pas de la vis à billes en liaison
avec un capteur rotatif, soit à l’aide d’un système de mesure linéaire. Avec une vis à billes et
un capteur rotatif, la vis à billes a un rôle dou-