Décolletage

MACHINES-OUTILS
CD J.09.9 9.58. 08
Décolletage :
quand investir
dans un tour à
poupée mobile
représente LA
bonne solution
Examen d’un cas pratique
D epuis des années, le patron d’une entreprise moyenne de mécanique largement engagée dans des travaux de tournage et de
décolletage se posait des questions avec son
personnel pour savoir s’il ne serait pas opportun d’acquérir un tour à poupée mobile. Pourtant, chaque fois que le sujet revenait, les uns
comme les autres repoussaient une telle
décision? Ce type de machine semblait trop
coûteux pour les avantages à en retirer.
L’argument était que, pour seulement un
tiers du prix on pouvait acquérir un bon tour à
CNC classique avec un alimentateur de barres
et que, en le plaçant près d’un centre d’usinage il était possible d’exécuter pour bien moins
cher n’importe quelle pièce qui aurait, certes,
convenu pour un tour à poupée mobile.
C’était ce dont tout le monde était convaincu dans cette entreprise. Seulement, l’année passée, il s’est trouvé qu’une fabrication
idéale pour un tour à CNC à poupée mobile a
atterri dans l’atelier, une occasion ou jamais de
tenter la chance! Et, du coup, un tour à CNC à
poupée mobile a aussi atterri dans l’atelier.
“C’est alors que l’on s’est rendu compte de
ce qui nous avait échappé jusque-là” avoue
honnêtement le patron. Seulement, que l’on
ne s’y trompe pas, ce type de tour n’est pas
une machine universelle mais occupant une
“niche”. Les seules pièces qui lui sont parfaitement destinées, pour généraliser, doivent être
longues, petites, complexes et à produire en
quantité plutôt limitée. Mais, pour les pièces
répondant à ces critères, il n’a pas fallu beaucoup de temps pour réaliser que la productivité dépassait de loin ce qu’il était possible
d’obtenir par toute autre méthode concurrentielle, y compris un tour normal à CNC associé
à un centre d’usinage. Par expérience, il apparaît qu’il existe deux raisons.
Raisons rendant le tour
à poupée mobile très avantageux
L’une d’elles est l’enlèvement de matière
bien plus rapide réalisable sur le tour à poupée mobile. Les caractéristiques définissant
ce type de tour sont une poupée mobile qui
prend la pièce toujours parfaitement supportée près du point de contact de l’outil (fig. 1).
La rigidité qui en résulte permet de prendre
des passes bien plus généreuses que sur
n’importe quel tour comparable sans sacrifier
ni la durée de vie des outils, ni la précision.
Pourtant, la raison la plus probante pour
une productivité plus élevée est la réduction
de la manipulation de la pièce. Lorsque l’on
tentait, par le passé, de justifier un tour à CNC
à poupée mobile, il était évident que, dans
l’atelier, on mésestimait ce que la réduction de
la manipulation pouvait apporter. Et cette sousestimation provenait du fait qu’il est toujours
extrêmement difficile de quantifier quelle somme et quel temps sont réellement perdus par
des manutentions manuelles. Retirer des piè-
Dans une
entreprise
moyenne
fortement
engagée dans
des travaux de
tournagedécolletage,
on utilisait
encore,
jusqu’ici, très
largement des
tours courants
à CNC ou des
tours
multibroches.
Le tour à
décolleter à
poupée mobile
semblait une
drôle de bête,
plutôt étrange,
même si ce
n’est pas une
nouveauté.
Seulement,
une
opportunité
s’est
présentée qui
a fait que, pour
un travail qui
convient, il en
vaut le prix et
d’apprendre à
s’en servir!
TR A ME T A L - Mai 2002 - 31
MACHINES-OUTILS
Fig. 1 - Le
premier tour à
CNC à poupée
mobile entré
dans une
moyenne
entreprise très
engagée dans
des travaux
de tournage
de pièces
extrêmement
diverses est
arrivé l’an
dernier.
La poupée
mobile
représente l’un
des cinq axes
linéaires de
cette machine.
Fig. 2 - Sur un
tour à poupée
mobile, la
poupée supporte
toujours la pièce
tout près de
l’outil travaillant
sur son diamètre
extérieur. Pour
certaines pièces,
la stabilité qui en
résulte permet
des passes plus
importantes
sans sacrifier ni
la tenue d’outil,
ni la précision.
Autre avantage,
le support de la
pièce en deux
endroits,
réduit les
vibrations lors
du fouettement
de la barre.
D’après doc. Citizen
ces incomplètement achevées d’une machine
pour les charger sur la suivante est une opération chargée de risques, non seulement d’erreurs humaines pouvant aboutir à des pièces
à envoyer aux rebuts mais, aussi, de pertes de
temps dues aux gestes à accomplir. Rien que
la préparation et le chargement par eux-mêmes prennent déjà assez de temps. Mais, le
plus fréquent est le temps passé à tourner dans
l’atelier pour coordonner le travail avec quelqu’un d’autre. La raison peut en être le contrôle d’une première pièce ou un quelconque
ennui comme un lot où il manque quelques
pièces et où l’opérateur doit chercher quelqu’un susceptible de l’aider à cet instant précis. Or, pendant ce temps, la machine ne produit rien du tout.
Le tour à CNC à poupée mobile se rentabilise en partie par l’élimination de ces délais de
fabrication. Il usine totalement une pièce complexe sans s’arrêter pour une manipulation en
cours de fabrication, produisant ses pièces sans
interruption, aussi longtemps que des barres
attendent dans le chargeur de barres.
Concept de base d’un tour à CNC
à poupée mobile
La différence d’un tour à poupée mobile
est que l’axe Z sert à avancer la pièce, pas
l’outil. L’outil se déplace selon X dans le sens
radial pas mais selon Z, axe parallèle à celui
de la pièce. Dans ce sens, la pièce se trouve
forcée au-delà de l’outil par un mécanisme de
déplacement de la poupée, contrastant avec
ce qui se passe sur un tour à poupée fixe. Par
exemple, sur un tel tour si l’on usine une pièce
prise en mandrin et libre à son autre extrémité
avec un outil y pénétrant en divers endroits,
on constate différents degrés de support. Au
fur et à mesure que l’outil s’écarte du mandrin
vers l’extrémité libre, la flexion de la pièce
augmente, pouvant réduire la tenue d’outil, la
précision et la qualité de surface.
La conception mécanique d’un tour à poupée mobile fait qu’un outil d’extérieur pénètre
toujours la pièce à peine à quelque millimètres du manchon de guidage supportant la
barre (fig. 2). Ce qui est vrai pour un outil de
tournage extérieur l’est aussi pour un outil motorisé. La stabilité qui en résulte permet d’usiner des pièces longues, dont le rapport longueur sur diamètre atteint 4/1, voire plus,
avec un engagement d’outil bien plus important que sur les autres catégories de tours,
ceci sans perte de tenue d’outil, de qualité de
surface ni de respect des tolérances.
Il existe, néanmoins, certaines limites. L’une
d’elles est que la conception d’un tour à poupée mobile permet de tout faire sauf de prendre des passes multiples sur la même section
travaillée. Une fois que la pièce s’est trouvée
avancée, il n’existe guère de moyen de la faire
revenir en arrière. De ce fait, on ne dispose
généralement d’aucune possibilité de procéder à des passes successives d’ébauche, de
semi-finition et de finition. A la place, on doit
procéder directement à un travail de finition en
atteignant directement la profondeur voulue.
Une autre limite réside dans le fait que la
machine doit avoir la capacité correspondant
aux travaux à effectuer. Un tour normal peut
usiner des pièces d’une grande variété de
tailles en fonction de la capacité de son mandrin. Pour un tour à poupée mobile, cette capacité est bien plus étroite. La pièce doit pouvoir être alimentée, en effet, à travers le manchon de guidage qui n’accepte rien au-dessus
32 - Mai 2002 - TRA M ETAL
Justification du tour à poupée mobile
Comme on l’a expliqué, dans l’esprit de
l’équipe opérant en tournage au sein de l’entreprise retenue ici en référence, la technique de
passage des pièces d’un tour à CNC courant à
une centre d’usinage était largement compétitive par rapport à ce qu’aurait pu faire un
tour à CNC à poupée mobile. Utilisant aussi
des tours multibroches, on avait l’habitude de
traiter des séries de pièces en reprenant des
détails exigeant du perçage transversal sur
une autre machine. Mais, d’année en année,
ce genre de travaux représentait une part de
plus en plus faible de l’activité de l’atelier. Par
contre, commençant à usiner des pièces plus
Les donneurs d’ordres travaillent de plus
en plus en “juste à temps” et exigent donc de
ne recevoir leurs pièces qu’en lots limités. Ceci
érode la rentabilité lorsqu’une nouvelle série
exige un nouveau réglage sur un tour à décolleter. Sans compter que le personnel qualifié
pour ce travail devient de plus en plus cher. Le
tour à poupée mobile relève les deux défis.
Les petites séries ne lui font pas peur et le
passage d’une série à une autre est un exercice simple et rapide, ne demandant normalement que le changement d’un programme.
Du coup ces petites séries se traitent économiquement. En même temps, ces machines
ne demandent pas d’opérateurs particulièrement qualifiés pour les conduire. Aussi longtemps que dure la réserve de barre, la machine peut continuer à produire des pièces
sans nécessiter aucune présence.
1) Les ateliers utilisant des tours automatiques - Ces ateliers comptent beaucoup sur la CNC , non seulement du fait de
la raréfaction de la main d’œuvre mais,
aussi, du fait de la réduction des séries.
Or, dès que l’on descend autour de cinq
mille pièces, le tour à poupée mobile est
mieux placé. La série risque d’être déjà
terminée avant que le tour automatique
ne soit prêt.
2) Les ateliers déjà équipés de tours à
poupée mobile - Les ateliers ainsi équipés
voient la demande s’accentuer pour des
Il n’est jamais
trop tard pour
revenir sur la
conviction
qu’une
technologie
avancée ne
convient pas.
Un beau jour
on découvre
que l’on
a perdu du
temps… et
de l’argent,
bien sûr!
Seulement, il est évident que ces avantages représentent un coût et, dans le cas étu-
Qui a besoin d’un tour à poupée mobile?
S i le tour à poupée mobile occupe une
niche, les travaux entrant dans sa niche
ne cessent de se développer. Mais qui investit dans ce type de tour. Il en existe
trois groupes qui sont:
MACHINES-OUTILS
Généralement, un tour à CNC à poupée mobile moderne dispose d’outils rotatifs motorisés, d’une contre-broche et d’un système de
porte-outils pour opérations arrières. Certains
tours à CNC courants ont les mêmes équipements. Toutefois, le tour à poupée mobile ne
peut entrer en concurrence avec ces tours de
base pour des pièces ne requérant qu’un seul
montage. Les deux types de machines sont
excellents pour différentes catégories de pièces. Par contre, le tour à poupée mobile concurrence la technique de passage successif
sur deux ou plusieurs machines lorsque les
ébauches tournées pour des pièces complexes peuvent être usinées en un seul montage
sur un tour simple à CNC ou un tour automatique multibroches, puis envoyées à un centre
d’usinage, à une perceuse ou à tout autre poste destiné à des opérations critiques.
élaborées, on s’intéressa à des travaux suffisamment complexes pour exiger des opérations de reprise. Seulement, le coût des manutentions inter-opératoires avec ses erreurs
et les délais qu’elles entraînaient commençait, aussi, à rogner sur la rentabilité et une
méthode permettant d’assurer l’ensemble des
opérations sur une seule et même machine
apparaissait plus attractive. Donc, il fut décidé d’acheter un tour à CNC à poupée mobile,
un modèle Citizen acceptant des barres d’un
diamètre jusqu’à 20 mm. En fait, cette décision a répondu plutôt à un désir de pouvoir
usiner des pièces plus complexes mais ce
n’est pas suffisant pour justifier le coût de l’investissement. Derrière se cachait une tendance subie par l’ensemble des atelier de soustraitance, c’est-à-dire la contraction de l’importance des séries et la disparition progressive de la main d’œuvre qualifiée.
pièces de plus en plus complexes et coûteuses à usiner. Un tour à poupée mobile
automatique est un excellent choix pour
usiner des goujons, des axes, des clavettes, des chevilles, etc. mais comme la
complexité augmente, il arrive un stade
où la machine à CNC est préférable. On ne
peut pas usiner des pièces en nickel sur
une telle machine à CNC mais très bien
des pièces de quelques Euros.
Do c. H ard in ge
de son propre passage. Par exemple, un tour
à poupée mobile d’une capacité de passage
en barre de 19 mm peut travailler des barres
de diamètre plus faible mais pas plus grand.
3) Les ateliers équipés de machines à
- Les ateliers utilisant des tours courants à CNC et des centres d’usinage ont
des ennuis de main d’œuvre et un tour à
CNC à poupée mobile peut leur rendre
service du fait de la possibilité qu’il offre
de sortir des pièces complexes avec peu
d’intervention de l’opérateur.
❑
CNC
TRA METAL - Mai 2002 - 33
MACHINES-OUTILS
Deux exemples types d’applications
La pièce illustrée sur la droite était
déjà usinée bien avant que l’entreprise
n’achète son premier tour à CNC à poupée
mobile. Seulement, maintenant elle est
usinée bien plus économiquement sur le
tour à poupée mobile.
L’ancienne méthode impliquait l’usage
de trois machines, créant le risque permanent d’erreurs et de délais chaque fois
que la pièce était transférée d’une machine à la suivante. Voici ce qui se passait et ce que l’on obtient maintenant.
Matière : acier inoxydable X6Cr13
Longueur : 50 mm
Diamètre de barr e: 8 mm
Ancienne méthode :
Investir ne
consiste pas
seulement
à acquérir
une nouvelle
machine-outil
de
technologie
avancée mais,
aussi
etsurtout,
à
apprendre
à s’en servir
à un
opérateur
capable de
la prendre
en main,
elle et la
manière de la
programmer.
1) Tronçonnage de l’ébauche sur un
petit tour à la cadence de 200 à l’heure.
2) Rectification de la tige sur 2,5 mm
à la cadence de 40 à l’heure.
3) Perçage transversal et chanfreinage de trous de 0,4 mm à la cadence de
75 à l’heure.
Nouvelle méthode avec le tour à
poupée mobile :
CNC
à
de 12,5 µm sur tour automatique monobroche à la cadence de 175 à l’heure.
3) Perçage au foret à canon d’un trou
axial débouchant de 2,5 mm de diamètre
Le second exemple illustré ci-contre (non visible) et chanfreinage des deux
sur la gauche est une pièce usinée éga- extrémités à la cadence de 60 à l’heure.
lement plus économiquement sur le tour
4) Brochage des plats hexagonaux à
à CNC à poupée mobile grâce à la réducla cadence de 50 à l’heure.
tion de la manutention.
Nouvelle méthode avec le tour à CNC à
Matière: acier inoxydable Z10CNF 1809
poupée mobile:
Longueur: 9,5 mm
Usinage intégral de la pièce à la caDiamètre de la barre: 6,35 mm
dence de 45 à l’heure.
Ancienne méthode:
Ces deux exemples sont typiques de
1) Tournage de l’ébauche sur un tour ce qu’une transformation radicale d’une
automatique multibroches à la cadence méthode de travail pour passer à une
de 250 à l’heure.
autre faisant appel à un type de machine
2) Tournage de la tige à une tolérance de dernière génération peut apporter. ❑
Usinage intégral de la pièce à une cadence de 45 à l’heure.
dié, il allait au-delà de celui de la machine
elle-même. Dans un atelier n’ayant aucune
expérience de ce genre de tour, il fallait passer par un autre investissement.
Manière de penser différente
Lorsque l’on investit dans une technologie
non encore expérimentée dans un atelier,
l’acquisition de la première machine n’en est
que le premier volet. Un second n’est rien
d’autre que la courbe d’apprentissage, ce qui
est encore en cours dans l’entreprise servant
d’exemple ici où l’on en est à la faire grimper.
Il a fallu embaucher un nouvel opérateur ayant
aussi déjà une expérience de programmation
de ce type de tour particulier. Lorsqu’on l’interroge sur la particularité de cette programmation, il n’hésite pas à expliquer qu’il importe, en premier lieu de penser que l’usinage
s’opère différemment.
L’une des différences fondamentale est la
nécessité de prendre des passes de chariotage à la profondeur totale à atteindre au lieu de
prévoir des passes successives. Cette exigence propre aux tours à poupée mobile change la manière d’envisager le travail qui ne peut
respecter la tolérance. Sur un tour courant, on
procède en prenant une passe de semi-fini-
34 - Mai 2002 - TRA M ETAL
tion moyennement profonde pour finir ensuite
avec une passe légère. Sur un tour à poupée
mobile, on ne peut le faire et la solution est
apportée par la présence de la contre-broche
qui, sur ce type de tour, est plus un dispositif
support qu’un mécanisme pour des opérations sur la face arrière des pièces. Pour les
longues pièces demandant à être supportées
plus rigidement, on peut programmer la contre-broche de manière à ce qu’elle “dévore” la
pièce à une profondeur plus importante et
continue à la dévorer progressivement au fur
et à mesure de la sortie de la barre.
Certaines différences sont encore plus fondamentales. Sans doute celle la plus marquante est que ce qui équivaut à un déplacement positif de l’axe Z sur un tour normal est
un déplacement négatif de cet axe sur un tour
à poupée mobile. Certaines commandes de
code G prennent une signification différente
lorsque l’on programme un tour à poupée mobile. C’est très important, d’abord parce que
ce type de tour à CNC se programme manuellement et les programmeurs ont tendance à
écrire les codes de mémoire. Ceci explique pourquoi il n’est pas du tout recommandé de faire
se balader un programmeur alternativement
d’un tour à poupée fixe à un tour à poupée
mobile. Il est trop facile de faire des erreurs.
MACHINES-OUTILS
Pourquoi, diable,
cette pièce est-elle
retournée sur un
tour normal?
L’un des avantages du tour à CNC à poupée mobile est la stabilité qu’il
garantit à la pièce, on l’a souligné dans cet article. En ce qui concerne la
pièce en titane illustrée dans cet encadré, c’est en tirant parti de cette
stabilité qu’il a été possible de prendre des profondeurs de passes nettement plus importantes que ce qui est généralement adopté sur les tours
à CNC courants, c’est-à-dire ceux à poupée fixe quelle que soit leur configuration. Pourtant, on pourrait s’étonner que l’usinage de cette pièce ait
été renvoyé à un tour à poupée fixe, catégorie exclusivement exploitée
voici encore seulement un peu plus d’une année dans l’entreprise.
En fait, dans l’atelier on a pu trouver un moyen de pouvoir pratiquer
des passes plus profondes sur des tours non à poupée mobile. Or, dans
le cas de cette pièce, ce changement a renversé l’échelle économique de
sa fabrication en faveur d’un tournage conventionnel. Comment cela
s’explique-t-il? C’est très simple: le secret réside dans un arrosage qui
peut être assuré à haute pression. Qui plus est, l’atelier est récemment
parvenu à rendre l’arrosage sous haute pression encore plus économique
en soi grâce à un accessoire d’outil qu’il a développé pour son propre
usage mais qu’il se propose de commercialiser.
Auparavant, l’usure des outils et leur défaillance représentaient les
obstacles essentiels pour parvenir à prendre des passes plus importantes. Or, aujourd’hui pour un grand nombre de travaux de tournage c’est
justement cet arrosage sous haute pression qui a permis de surmonter
ces obstacles en réduisant suffisamment la vitesse de progression de
l’usure d’outil pour permettre de prendre des passes plus importantes. En
essayant d’étudier de plus près ce qui se passe, il semble bien que la
meilleure tenue des outils soit due à la pression du jet de liquide d’arrosage qui contribue à favoriser la rupture des copeaux avec pour résultat
de réduire de manière très significative toute tendance à ce que ces copeaux se soudent sur l’arête de l’outil en formant ce que l’on appelle couramment une arête rapportée.
Dans l’atelier, on utilise ainsi maintenant un arrosage sous une haute
pression se situant entre 1000 et 3000 bar durant pratiquement toutes
les opérations de tournage. Seulement, il faut bien reconnaître qu’il ne
suffit pas de disposer d’une pompe à haute pression. Le jet de liquide
d’arrosage obtenu demande, également, à être parfaitement dirigé vers
l’arête de coupe de l’outil engagé dans la pièce et ne pas servir simplement à noyer abondamment
Le recours à une fixation des outils
la zone d’usinage.
par vis a permis de tirer avantage
Une solution consiste à
d’un arrosage à haute pression en
faire appel à un porte-outil servant des porte-outils existants.
spécial conçu pour canaliser le liquide d’arrosage.
Toutefois, dans l’entreprise
où l’on recherche toujours
des solutions efficaces mais
économiques, on a développé un accessoire qu’il est
facile d’utiliser sur un porteoutil existant très peu onéreux. Ce type d’accessoire a
été baptisé, dans l’atelier du
nom de “MaxCool” pour indiquer qu’il permet de refroidir au maximum les outils au travail. Cet accessoire est tellement efficace que le patron de l’entreprise espère pouvoir le
commercialiser très prochainement pour un usage dans les ateliers les
plus modestes qui seraient intéressés à effectuer leurs travaux de tournage avec un arrosage sous haute pression.
Une morale est à tirer de cette aventure. Lorsqu’une pièce convient
bien pour être entièrement tournée sur un tour à commande numérique
deux axes courant, il peut être vain de vouloir la produire plus vite en se
servant d’un tour à poupée mobile quand bien même c’est un type de
machine à grande productivité. Il suffit d’un tout petit peu de génie et de
savoir tirer profit de l’expérience accumulée lors de travaux courants de
tournage ayant incité à trouver une solution pour prendre des passes à
plus grand rendement que ce dont on avait l’habitude.
Dans le cas présent, cette solution a été trouvée en mettant au point
un accessoire très simple qui est un adducteur d’arrosage se fixant sur
Vue de détail l’extrémité avant du manche de n’importe quel porte-outil, même le plus
de la pièce élémentaire et quel qu’en soit sa présentation comme cela ressort de l’ilillustrée sur lustration ci-dessus qui en montre trois exemplaires. Le gain de producla figure du tivité qu’il a apporté dans le cas de la pièce examinée ici et la facilité
haut de cet
d’attendre la cote finale requise ont été décisifs…
❑
encadré.
Cet article plein d’enseignements de base,
aussi bien techniques
que de politique d’investissement, est une
analyse d’un rapport de
Peter Zelinski, rédacteur spécialisé à la Revue “Modern Machine
Shop” avec laquelle
T RAMETAL entretient des
relations privilégiées et
exclusives d’échange
d’informations au bénéfice de ses Lecteurs
A l’heure actuelle, un second programmeur
est en train de se former de manière à ce qu’il
puisse alterner en cas de travail en deux équipes. Et, au cas où entrerait dans l’atelier un
second tour à poupée mobile, à eux deux ils
suffiraient pour conduire les deux machines et
les programmer. Ceci représente, sans doute,
la différence la plus marquante au sein de
l’atelier par rapport à la conduite des tours à
poupée fixe. L’opérateur assure les tâches de
36 - Mai 2002 - TRA M ETAL
base nécessaires pour permettre à un tour à
poupée mobile de sortir des pièces et, pendant que son premier tour travaille, il effectue
les mêmes tâches pour le second.
Pour conclure, l’entreprise à commencé par
“ramper”, en quelque sorte, avec un premier
tour à CNC à poupée mobile et, maintenant,
c’est avec l’arrivée d’un second qu’il bénéficiera du meilleur retour sur investissement. ❑