Centre de tournage- rectification

MACHINES-OUTILS
CDJ.04.02.94.99
Centre de tournagerectification:
quand est-il justifié?
En règle générale, la grande majorité des
entreprises usinant les métaux est parfaitement consciente de la tendance qui se précise toujours plus consistant à intégrer différentes opérations d’usinage sur une même et unique machine-outil. Ce n’est pas une nouveauté, cette tendance ayant commencé lors de
l’arrivée sur le marché du premier centre de
tournage-fraisage en 1992, suivie quelques années après par des centres de fraisage-tournage.
tifier, on est parvenu à répertorier un certain
nombre de considérations que les responsables des entreprises intéressées par la mise
en œuvre, chez elles, de machines capables
de combiner des opérations de tournage, de
de rectification et d’autres, d’ailleurs, sur des
pièces traitées thermiquement doivent prendre sérieusement en considération.
Les constructeurs ont développé le concept multi-opérations sur des machines à l’origine fondamentalement des centres de tournage auxquels ils ont ajouté des possibilités
de fraisage. D’autres constructeurs sont partis ensuite de leurs concepts de centres d’usinage et y ont ajouté la possibilité d’effectuer
des opérations de tournage, par exemple en
y intégrant une table rotative.
On considère être du tournage dur des opérations effectuées sur des pièces d’une dureté supérieure à 45 Rc. Ceci concerne aussi bien
des roulements en acier trempé que des engrenages et une grande variété de pièces arbrées. Faire appel à des centres de tournage
pour usiner des pièces préalablement traitées
thermiquement présente beaucoup d’avantages. Dans bien des cas, le recours au tournage dur est capable de réduire, voire d’éliminer
complètement, certaines opérations de rectification de finition. En usinage classique, l’ébauche de pièces brutes va jusqu’à approcher les
cotes finales en ne laissant qu’une surépaisseur suffisante pour une finition par rectifica-
Fig. 1 - Que l’on ne s’y trompe pas, cette vue est bien à l’endroit. Le
tour à broche inversée est une machine-outil désormais très répandue pour effectuer des opérations de tournage dur associées à de la
rectification. Divers constructeurs les proposent sous forme d’une
unité intégrée pratiquement réalisée à la demande, en grande partie
en utilisant des éléments modulaires très étudiés.
Doc. Index
Le but de cette combinaison de possibilités, et d’autres bien entendu, a consisté à accroître le rendement en réduisant la manipulation des pièces Au lieu de procéder au tournage des pièces sur un tour puis de les transporter sur un centre d’usinage, ou l’inverse,
pour compléter les opérations nécessaires, ces
pièces peuvent être entièrement usinées ou,
au moins, de manière bien plus complète en un
seul montage sur une de ces machines-outils
multifonctionnelles. Jusque récemment encore,
la majorité des avancées dont ont bénéficié
les machines multi-opérations ont été concentrées sur l’usinage à l’état “doux”. L’usinage
dur, c’est-à-dire de pièces à l’état traité thermiquement, a généralement été effectué sur des
machines classiques avec des techniques faisant appel à des étapes succesives. On s’est,
cependant, rendu compte que les économies
rendant attractif l’usinage multi-opérationnel devenu classique pouvaient, aussi, s’appliquer à
la fabrication de pièces trempées. Le tournage et la rectification à l’état dur, qui sont des
opérations de finition, sont eux-aussi maintenant combinés sur une même machine-outil.
Ce que représente le tournage dur
Combiner
différentes
opérations sur
une même
machine est
une idée
régulièrement
plus séduisante
et populaire.
Mais, dans la
pratique, ce
n’est pas une
simple
substitution
des solutions
usuelles.
Optimiser des
opérations
distinctes en
un seul cycle
exige une
planification et
une bonne
compréhension
des plus et des
exigences de
chacune.
Par des entretiens menés récemment avec
des constructeurs de machines à tourner-recTRAMETAL
- Juillet-Août 2003 - 59
MACHINES-OUTILS
E
E
I
T
I
Fig. 2 - La
gamme des
tours à broche
inversée
Vertical Line
d’Index
peut recevoir
divers modules
d’usinage.
Parmi
ces modules,
outre des
tourelles
porte-outils (T),
il s’en trouve
de diverses
configurations
pour rectifier
extérieur (E)
et pour rectifier
intérieur (I).
tion. On retire alors la pièce du tour pour
l’envoyer au traitement thermique d’où elle revient en ayant atteint les spécifications de dureté exigées pour le service que l’on attend
d’elle. Selon sa géométrie, malheureusement,
le traitement thermique provoque une certaine déformation au sein de la pièce. Au mieux,
sa surface nécesssitera un certain nettoyage
avant d’être acheminée sur une rectifieuse pour
l’amener à ses cotes finales et aux spécifications d’état de surface requises.
Avec le tournage dur, le stade intermédiaire de traitement thermique se trouve éliminé
du cheminement que doit suivre la pièce au
cours de sa fabrication. Une pièce tournée dur
peut directement être envoyée sur une rectifieuse ou, comme on s’en rend compte dans
de nombreux ateliers, la pièce peut souvent satisfaire les exigences du donneur d’ordre aus-
Fig. 3 - Sur le centre de tournage-rectification Nodier-Emag, qui utilise la morphologie broche inversée que le constructeur a été le premier à mettre sur le marché, la combinaison rectification a été développée en coopération avec le constructeur de rectifieuses Reinecker qui fait partie du même groupe. Comme on le voit ici, les outils
pour opérations de tournage, de fraisage et de perçage éventuel sont
montés sur une tourelle, les meules de rectification extérieure et intérieure sont fixes sur un module séparé. La broche porte-pièce se
déplace au-dessus d’eux. Voir aussi d’autres détails sur la fig. 7.
si bien quant à ses cotes qu’à son fini de surface, ce qui conduit alors à supprimer totalement le besoin d’une rectification finale.
Mais, le tournage dur n’est pas une panacée et donc pas une technique de remplacement de la rectification. La production efficace et de qualité régulière de pièces nécessitant une grande précision et un haut degré de
fini de surface est mieux satisfaite en passant
par de la rectification. Aussi, combiner ces
deux opérations sur une seule et même machine apporte à l’atelier le meilleur des deux mondes. Cela ne répond pas à tous les cas
d’application mais peut s’avérer extrêmement
efficace dans certains d’entre eux.
Tourner et rectifier de pair
Les pièces que l’on fait passer sur un centre de tournage-rectification, dans leur majorité, n’exigent pas d’être rectifiées sur toutes
leurs surfaces. Les axes de moteurs, par exemple, ne demandant à être rectifiés que sur leurs
portées ou leurs surface d’usure. Pour le reste
des détails, le tournage dur est plus que suffisant. Dans des cas semblables où des tolérances très serrées dimensionnelles et d’état de
surface ne sont imposées qu’à quelques endroits précis, le recours à un centre de tournage-rectification où le tournage dur et la rectification se succèdent en un seul serrage se justifie pleinement. Par contre, l’usinage d’une pièce présentant des diamètres multiples dont la
plupart doivent être rectifiés est vraiment destiné à une machine à rectifier offrant la possibilité d’effectuer aussi du tournage.
La détermination du procédé d’usinage secondaire requis sur un type de pièce est ce
qu’un constructeur comme Junker définit comme étant le plus petit dénominateur commun
(PDC). Par exemple, si l’on a recours à de la
rectification sur une machine conçue à la base pour du tournage, le PDC est l’opération de
rectification. De même, si l’on fait du tournage
sur une machine définie à la base pour de la
rectification, le PDC est l’opération de tournage.
Les entreprise envisageant d’investir dans
des machines multi-opérations de tournagerec-tification doivent donc prendre en considération l’opération prédominante, qu’il s’agisse du tournage ou de la rectification, qui sera
nécessaire pour le type d’application retenu
sur ces machines.
C’est la rectification qui sera prise en compte lorsqu’il entre en jeu les facteurs suivants:
✔ Usinage d’une matière dure ou réputée difficile,
✔ Respect
✔
60
- Juillet-Août 2003 - TRAMETAL
de tolérances dépassant ce que
permet le tournage,
Fini de surface exigé trop élevé pour du
tournage dur.
MACHINES-OUTILS
fieuse comme Junker, ont une approche nettement différente de la construction de leurs
machines combinées à tourner dur et à rectifier. Alors que le but de fabrication est identique, les machines de ces constructeurs ne
représentent que trois solutions d’une grande
variété de configurations possibles pour effectuer la tâche multi-opérations de tournage
dur et de rectification sur une seule machine.
Qui plus est, ces machines peuvent être configurées pour réaliser d’autres opérations en
plus du tournage-rectification.
Machine à broche inversée
Fig. 4 - La construction à banc incliné retenue par Junker fait appel
à un chariot porte-outils en ligne pour amener les outils de tournage,
de fraisage et de rectification dans la zone d’usinage. Le module de
rectification, que l’on voit ici avec ses protection jaunes, peut être
équipé de forets pour des opérations de perçage dur.
Fig. 5 - Une
broche pick-up
sur la machine
Hardpoint 1000
construite par
Junker simplifie
une application
où tout l’usinage
doit être exécuté
en un seul
montage
de pièce.
Comme on
le voit ici,
la broche
principale
est fixe
et la broche
secondaire
se déplace sur la
ligne de centre
pour saisir
une pièce
partiellement
usinée.
Le tournage dur est généralement une meilleure solution dans les conditions suivantes:
✔ Géométrie
de pièce complexe rendant le
tournage avec un outil monopointe plus
pratique,
✔ Taux d’enlèvement de matière relativement
élevé,
✔ Passes interrompues.
Pour beucoup de pièces, certaines ou l’ensemble de ces conditions est imposé par les
exigences du processus de fabrication. La combinaison de tournage dur et de rectification sur
une même et unique machine donne plus de
flexibilité pour optimiser chaque opération. Tirer parti des avantages des deux techniques
d’usinage sur une pièce que l’on ne monte
qu’une seule fois est plus facile que lorsqu’il
faut la déplacer d’une machine à une autre.
Quelle catégorie de machine retenir?
Comme on peut l’imaginer, un constructeur de tours comme le sont, par exemple, Index ou Emag, et un constructeur de recti-
La machine de tournage-rectification Index V300 prise en exemple ici est construite
autour du concept de son centre de tournage
vertical à broche inversée. Faisant appel à une
conception à colonne mobile, le chariot portant la broche principale est capable de saisir
lui-même les ébauches coulées, forgées ou autres. Le chargement et le déchargement sont
intégrés par le concept même de la broche inversée. La base de la machine peut être équipée (fig. 2) d’une grande variété d’unités porteoutils susceptibles d’effectuer une diversité d’opérations de tournage, de rectification et de
perçage. C’est une machine construite pour de
grands volumes de production et des familles
de pièces. Mais, de par sa modularité, sa construction est facilement reconfigurable pour différents types de pièces. En service, la broche
présente la pièce aux modules porte-outils montés sur le banc pour des opérations de tournage et de rectification intérieures et extérieures, y compris pour différentes configuration de
perçage. Pour des travaux de tournage-rectification, une tourelle VDI est montée sur le banc
de la machine avec à la fois la disponibilité
d’outils fixes et rotatifs. L’unité de rectification
extérieure utilise des meules courantes et superabrasives faisant jusqu’à 40 mm de large
et 400 mm de diamètre. Un moteur de 7,5 kW
peut entraîner cette unité jusqu’à 6000 t/mn.
Des routines de dressage automatique sont
prévues en se servant du mandrin de la broche principale. L’unité de rectification extérieure est pourvue d’un système intégré d’équilibrage de la meule électro-magnétique.
Pour la rectification intérieure, on peut monter aussi des meules courantes ou superabrasives. La broche est prévue pour des attachements HSK 32 afin d’assurer le maximum de précision et de rigidité broche-meule. Son entraînement par moteur à haute fréquence de diverses caractéristiques est prévu pour délivrer une puissance de 2 à 15 kW avec des vitesses de 45000 à 100000 t/mn.
Un type d’opération supplémentaire peut
être ajouté à cette machine avec un ensemble
à diode laser pour intégrer dans le processus
64
- Juillet-Août 2003 - TRAMETAL
MACHINES-OUTILS
Fig. 6 - La
modularité fait
aussi partie
du concept
de la machine
multiopérations
de Junker.
De manière
à s’accomoder
de divers
niveaux
de production,
deux jeux
de broches
principales
et de broches
secondaires
peuvent être
utilisés pour
usiner des
pièces
jusqu’à quatre
à la fois.
Cet article est une
adaptation originale d’une
étude réalisée par Chris
KOEPFER, Rédacteur
à la Revue
“Modern Machine Shop”
avec laquelle TRAMETAL
entretient des relations
d’échange d’informations
au bénéfice
de ses Lecteurs
Fig. 7 - Cette vue
de détail de la
zone de travail
du centre de
tournagerectification
Emag de sa
gamme VMC
permet de mieux
comprendre
l’organisation
des outils.
La tourelle ici
à l’avant
est montée
latéralement sur
le côté gauche
d’un convoyeur
des pièces
sous la broche,
dont une est
en cours
de mesure.
Les postes
porte-meules,
ici au fond,
sont montés
latéralement sur
la droite
de la broche
porte-pièce.
68
sorte de palette pour les applications de multi-usinages. La tête de rectification à grande
vitesse peut être adaptée pour effectuer aussi
du perçage dur.
de fabrication un traitement de trempe sur les
diamètres extérieurs, les surfaces frontales et
une trempe partielle sur les diamètres intérieurs, la pièce étant prise dans le mandrin de
la broche principale.
Tous les outils montés en ligne
Avec Junker, la machine de tournage-rectification est appelée Hardpoint. Construite sur
une base ressemblant à un tour à banc incliné, le modèle 1000 de cette machine utilise une
disposition de ses outils en ligne pouvant assurer de manière combinée du tournage dur, de
la rectification, de l’usinage de précision excentré et des opérations de perçage. Une broche principale fixe et une autre mobile sont
placées face à face dans l’axe des centres.
Comme sur un centre de tournage, la seconde broche peut être programmée pour prendre
les pièces dans la broche principale afin de
procéder à des opérations de reprise sur leur
partie arrière. Pour les opérations de rectification, chaque broche fait un double travail en
servant de porte-pièce. Les chariots d’outils
en ligne se déplacent sur glissières indépendantes, entraînés par vis à billes. La machine
accepte des pièces de 80 mm de diamètre et
de longueur. Les porte-outils en ligne peuvent
recevoir une variété de configurations d’outils
pour assurer l’usinage de pièces complexes.
Des modules d’outils de tournage fixes et de
fraisage motorisés, ainsi que des têtes de rectification peuvent être montés en ligne sur une
- Juillet-Août 2003 - TRAMETAL
Le constructeur a conçu modulaire sa gamme de machines Hardpoint et, bien qu’ayant
été développée pour le marché de l’automobile,
son concept flexible trouve aussi des applications dans toutes les industries où l’on fait de la
production en petites séries. Mais, pour les
production en grandes séries, la machine de
base peut être reconfigurée (fig. 6) avec jusqu’à quatre broches indépendantes susceptibles d’assurer l’usinage multi-opérations d’un
total de quatre pièces à la fois.
Cette solution convient-elle
à vos besoins?
ll est évident que l’idée d’associer le tournage dur et la rectification est séduisante. Le
montage unique d’une pièce est avant tout un
facteur supplémentaire de précision, particulièrement lorsque des détails géométriques sur
les pièces ont des relations directes entre eux,
comme des spécifications de concentricité par
exemple. La réduction des opérations et des
interventions en cours de processus représente un autre avantage en combinant plusieurs
opérations et, dans le cas des pièces préalablement traitées thermiquement, l’élimination
d’un arrêt dans l’écoulement du travail pour procéder au traitement thermique peut représenter une économie importante sur le temps total de fabrication, donc de livraison des pièces.
Les machines-outils actuelles, quelle qu’en
soit l’origine, sont plus rigides et plus précises
que leurs aînées. Les technologies de servocommande, de commande numérique et des
outils de coupe ont progressé à un point tel
que le tournage et le fraisage des alliages durs
et des matières traitées thermiquement approchent le niveau de précision de la rectification. Il apparaît donc très judicieux d’optimiser un processus de fabrication impliquant une
série d’étapes successives qui, historiquement,
mettent en jeu deux, trois, voire quatre machines différentes pour les réunir sur une machine conçue pour ne plus requérir qu’un seul et
unique montage de départ. On ne peut nier,
en effet, que pouvoir appliquer les meilleures
opérations d’usinage pour une pièce déterminée représente une sérieuse avancée vers une
plus grande efficacité des fabrications.
❑
Les Lecteurs intéressés par les machines multi-opérations peuvent consulter l’édition numéro
59 de TRAMETAL de Novembre 2001, pages 21 à
40, où sont, entre autres, examinés et illustrés en
détail les modèles des constructeurs qui suivent:
DMG, EMAG, FAMAR, HITACHI SEIKI, HESSAP, INDEX, OKUMA et WEISSER.