Machpro 844 30/01/07

Des stratégies influentes…

Comment replacer l’environnement au cœur du métier d’usineur ? En réalité déjà bien présentes, ces préoccupations cèderont maintenant difficilement leur place. Au contraire, la connaissance de l’atelier se veut de plus en plus précise. Les stratégies d’usinage, par exemple, ont une influence qui dépasse la simple réalisation d’une pièce…

Les progrès réalisés par les constructeurs de machines, concernant les broches, par les fabricants d’outils coupants et les éditeurs de logiciels de CFAO questionnent en permanence la pertinence des habitudes d’usinage. Avec une telle équipe pourtant, quand les bons paramètres sont réunis, des gains significatifs sont attendus, au niveau des temps d’usinage, des coûts d’outils. Mais voilà, quels paramètres sont les bons ? Trouver la meilleure stratégie n’est pas toujours simple, et la tâche se complexifie encore, si on tient compte de critères écologiques.
Organisé au Cetim (E.218), les rencontres CleanMeca constituent une opportunité d’imprimer durablement les préoccupations environnementales dans les pratiques mécaniciennes. Parmi les 45 orateurs se relayant à la tribune, Patrick Marquant, directeur de Delcam France (E.219), présentait une étude considérant l’influence des stratégies d’usinage sur les machines, en se focalisant notamment sur les consommations d’énergie.

Objet et partenaire
Bien que possédant un atelier de mécanique interne en Angleterre, l’éditeur s’est associé à l’entreprise Stevenin-Nollevaux (E.220) et au Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux (E.221).

L’objectif du LPMM est d’étudier les différents aspects de la mécanique, depuis la microstructure du matériau jusqu’aux calculs des structures ou des procédés de fabrication. L’entreprise, spécialisée dans la fabrication de pièces forgées et usinées, a fourni les deux modèles de test en X38CrMoV5 de 55 Hrc. Les essais furent réalisés sur son centre d’usinage Röders (E.222) RP800 équipé de capteurs WattPilote de la société Digital Way (E.223).
Compte tenu de la machine, de la broche et du couple disponible, les essais ont été réalisés avec des fraises carbure monobloc de diamètre 12 mm. Pour les conditions de coupe pratiquées en standard, Delcam a sollicité les fournisseurs d’outils coupants MMC (E.224) et Seco (E.225).
L’éditeur de logiciel s’est intéressé à l’usinage à sec d’un bloc trempé avec des stratégies de fortes avances à la dent (fz), qui sollicitent particulièrement les capacités dynamiques de la machine, ou à grandes profondeurs de coupe (Ap).
Les tests
L’idée directrice est d’étudier la broche et les axes en sollicitation. Les mesures réalisées (débits copeaux, efforts, consommations d’énergie) doivent permettre de comparer les différents rendements suivant que l’Ap ou la fz est privilégié. Une première mesure sur le modèle simple montre que le choix d’une Ap de 12 mm et 18 mm a permis d’atteindre des débits de 28 à 38 cm3/mn alors que les débits en forte avance se situent autour de 10 cm3/mn.
Le tableau 1 confronte les résultats d’usinage suivant les deux stratégies étudiées, et sur les deux modèles. Le débit copeaux mesuré suggère donc l’intérêt des stratégies fortes Ap. Concernant les consommations d’énergie, les résultats affiche un rapport de 1 à 2 pour l’énergie consommée dans la broche entre les deux stratégies. En effet, le temps effectif de travail de l’outil, près de 3 fois supérieur dans le cas de l’essai 2, se traduit inévitablement par une consommation énergétique supérieure : l’énergie consommée lorsque l’outil est dans la matière est plus importante que dans le vide.
A propos des axes, le constat penche à nouveau en faveur du fort engagement avec une énergie consommée de 3 fois inférieure car les stratégies à forte avance à la dent sollicitent énormément la dynamique. En outre, chaque machine dispose de lobes de stabilité dynamiques en fonction des vitesses et il n’est pas exclu que la machine s’éloigne du rythme imposé par la stratégie forte fz au fil de l’usinage.
Accélération, décélération, même si les rendements baissent légèrement, la série d’essais avec le deuxième modèle confirme cette première impression : la stratégie à forte Ap est à privilégier. Or ces résultats ne font pas apparaître les contraintes importantes générées sur l’outil par ce type de stratégie. Les passes classiques avec un pas constant conduisent à un engagement radial de l’outil victime de variations brusques qui provoquent
la surcharge, puis la casse des outils.

Engagement baroque
Les éditeurs garnissent leurs solutions de nouvelles stratégies et d’options. Dans la solution PowerMill, Delcam complète notamment le mode trochoïdal ou la fonction Arc-Fit, qui supprime les changements de direction brusques par une option brevetée Race-Line. Le logiciel se charge alors de calculer des trajectoires au pas irrégulier, respectant un engagement variable défini par un pourcentage. Alors que les trajectoires se contorsionnaient en des angles fortement aigus, le lissage de trajectoire réduit considérablement les zones en surcharge et favorise la dynamique de la machine. Les résultats sont visuellement probants.
Le contrôle du volume copeau évite la casse des outils. L’analyse des graphes de puissance absorbée par la broche est, à ce sujet, très parlant. De manière générale, les parcours en forte Ap avec un faible cœfficient Race-Line présentent des pointes de puissance encaissée, en entrée et fin de passe, bien supérieures.

Néanmoins, on constate que l’effet s’estompe au fil de l’usinage. L’observation rend compte du rapprochement des trajectoire recalculées et classique à mesure que l’on se rapproche de la forme définitive. Pour les mêmes raisons, les parcours forte fz montrent des pointes de puissances inversement proportionnelles au facteur de lissage Race-Line.
Si, au quotidien, le changement est agréable pour l’usineur, à quel prix ces résultats sont-ils obtenus ? L’étude met en évidence un gonflement de la facture énergétique moins notable dans le cas des stratégies fortes Ap. Le tableau 2 dévoile naturellement une augmentation du temps d’usinage puisque les parcours sont légèrement rallongés. L’effet Race-Line a donc un coût, mais il permet d’éviter les bris d’outil. Pour résumer, la gestion du paramètre de lissage ou des autres options est bien une question de dosage autour des préoccupations que sont la productivité et les coûts unitaires.

Visiter les classiques
En guise de conclusion, des tests supplémentaires mettent en évidence le gain de temps d’une stratégie forte Ap par rapport à un usinage conventionnel. Il faut être vigilant et tenir compte de l’ensemble des phases d’usinage, ébauches et reprises. Dans le cas d’un usinage conventionnel A, le temps total s’élève à 45 min, réparties entre 36 min d’ébauche et 9 min de finition. L’essai B fait état d’une durée d’ébauche inférieur, 14,5 min mais la durée de finition s’élève à 17,5 min. Au total néanmoins, le gain de temps demeure important, de 30 % sans parler des effets sur l’outil.
Des essais similaires dirigés par le Cetim aux Forges de Courcelles (E.226) faisaient état d’un gain de temps de 23 %. Pourtant le plus remarquable reste l’influence du choix de cette stratégie forte Ap, sur l’ensemble du process de production. Alors qu’un traitement thermique était réalisé entre l’ébauche et la reprise entraînant de l’immobilisation, de la manutention, des problèmes de précision, l’ensemble des usinages peut dorénavant être réaliser après le traitement.
Pour conclure, les essais illustrent parfaitement l’importance d’une stratégie pour la consommation énergétique, donc le prix d’une pièce. Ils justifient l’intérêt des considérations environnementales dans la rationalisation d’un atelier. A propos de l’usinage, les stratégies à forte Ap démontrent une meilleure efficacité, encore plus nette sur des formes complexes puisqu’elles nécessitent des dynamiques moins véloces. Néanmoins leur mise en œuvre nécessite des précautions et une connaissance poussée des moyens mis en oeuvre : machines, outils, logiciels. Si des principes d’usinage peuvent être définis, l’élaboration d’une gamme cohérente résulte encore d’un savoir-faire influent.