Usinages 3 à 5 axes Comment gagner en : - Précision d'usinage - Qualité, - Productivité. Présentation PEP du 24/04/2014 Introduction : Evolution des centres d usinages : Comment gagner en productivité et précision CAS 1 : Moules et outillages : Doubler la productivité en réalisant sur un même centre UGV des Ebauches et Finitions performantes CAS 2 : Outillages de haute précision : Gains en productivité en 3 & 5 axes par association de l UGV et de la Rectification par coordonnées sur la même machine. CAS 3 : Usinage et métrologie embarquée pour gagner en temps et en précision. CAS 4 : Micro-usinages de haute précision et usinages de qualité Optique 1
Röders: 200 ans d histoire 1800:Fondation de la fonderie d étain Röders par Jasper Röders 1975:Début de la fabrication de moules de soufflage PET 1991: Construction de la 1ere machine UGV 2011: Agrandissement du hall d assemblage de Soltau/Harber 2013: Roeders passe la barre de 60 M avec : - 450 employés dont 340 basés sur Soltau, - des filiales aux USA et en Chine - l export de 70% de sa production, - un parc installé de plus de 2000 machines, - dans tous les domaines industriels, - un record avec 200 machines vendues Sur 2012 2013, vente significatives en France de : - premiers centres combinés «UGV-Rectification par coordonnées» - première RXH1000 broche 30000tr/mn 40 kw Productivité, qualité & précision La réalisation d une pièce va parfois nécessiter : - plusieurs montages ou prises de pièce, - des moyens de production complémentaires (Fraisage, rectification, ) En revoyant le processus de fabrication, nous allons chercher à réaliser certaines pièces ou outillages en réduisant les montages & opérations : - usinage direct bloc trempé, - approches 5 axes (1 prise de pièce, outils plus courts, CDC meilleures) - si nécessaire, combinaison Fraisage Rectification (précision, Ra,.) Ces approches vont permettre des gains significatifs en productivité et précision. (voir exemples PEP & CETIM) Pour atteindre les niveaux de précision et qualité souhaités, nous allons voir quelques moyens mis en œuvre au niveau des centres d usinage. Il faut cependant souligner que 2
Seule une approche globale assurera un Retour On Investissement correct! Centre adapté aux performances recherchées Broche, avances, dynamiques, stabilité thermique, directeur de commande, guidages, motorisation Attachements performants frettage, équilibrage, faux rond/durée vie outil Bons choix d outils (et de stratégies) carbures monobloc, plaquettes, forte avances Maîtrise des conditions de coupe UGV Enlèvement matière évacuation chaleur par copeau Trajectoires optimisées (FAO) qualité des trajectoires, contrôle section & volume copeau Revue des méthodes et moyens de production Usinage direct trempé, réduction/suppression électroérosion suppression polissage & ajustage, maitrise du processus et de sa répétabilité Précision machine : Différents paramètres influent sur les résultats obtenus. Selon la conception MOCN et les options installées, on peut obtenir différents niveaux de précision Conception Asservissement Armoire CN Broche 3
Concept MOCN UGV précise Design global Machine, CN et Asservissements Equilibrage des masses en mouvement Motorisation à commandes directes et glissières Découplage dynamique de l'axe A pivotant qui est // à X Bonne accessibilité Régulation température par eau Portique rigide pour hautes dynamiques et grande précision Stabilisation température Absorption vibrations broche Changeur outil avec mesure laser et protection copeaux Protections des glissières (copeaux, poussières graphite ou céramiques, rectification, ) Précision machine : Au delà de conception machine : - Rigidité bâti, - Guidages, - Motorisation, - Refroidissements de base, - Qualité assemblage et calibrations, de ses conditions d utilisation (atelier climatisé ou pas) des options permettent d atteindre différents niveau de précision : - Pack refroidissement - Compensation Broche - Calibration automatique 5 axes - Climatisation de l'enceinte de travail - Climatisation des guides et chariots 4
Précision machine : Site climatisé Climatisation des guides et chariots Climatisation de l'enceinte de travail (Site climatisé) Calibration automatique 5 axes Compensation Broche Pack refroidissement Machine en configuration standard : Moteurs linéaires, Boucles asservissement 32 khz, Compensation géométrique en usine Compensation géométrique sur site Broches CSC, RSA P r é c i s i o n +/- 2 µm +/- 5 µm en 5 axes à +/- 10 µm +/- 20 µm Conclusions Les évolutions des MOCN assurent des gains significatifs en productivité qui conduisent à revoir les processus d usinage afin : de réduire le nombre d opérations et de montages d usinages - réduction suppression érosion, - ébauches et finitions sur le même centre, - passage 3 à 5 axes, - combinaison Fraisage et Rectification sur une même machine augmenter les niveaux des qualités et précisions obtenus : - diminution des opérations de réglages MOCN, - grande répétabilité, - réduction polissage et ajustage - suppression polissage et même qualité optiques 5
Applications CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules : Machine plus puissante et plus rigide Pour assurer Des gains en productivité et qualité 6
CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules : gains en productivité : Pour réaliser ses matrices de forge, Klein utilisait deux types de machine : Un centre classique pour les ébauches avec une broche puissante et des outils à plaquettes Dmaxi=66mm Un centre UGV pour les finitions : Broche 42 000 tr/mn 14 kw Dmaxi 16 mm En 2012, Klein teste un nouveau centre UGV offrant la particularité : D une meilleure rigidité, (Guidage broche 3 fois plus rigide) Permettant l utilisation d une broche UGV plus puissante : Broche 30 000 tr/mn 40 kw Couple 51mN (S1) jusque 7 000tr/mn avec des outils de Dmaxi=35mm CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules : gains en productivité : Malgré un Dmaxi outil plus petit de la nouvelle machine, il apparait rapidement que les dynamiques de la nouvelle machine permettent d assurer des temps d ébauche équivalents. Les deux machines permettaient d ébaucher une matrice de forge en acier 1.2714 pour outillage, trempé à 48 HRC en environ 3 heures Par contre, on constate que la rigidité et le faible niveau de vibrations ont permis : une augmentation significative des durées de vie des outils, une meilleure gestion des changements d outils : maitrise des durées de vie plaquettes changements automatisés avec outils frères 7
CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules gains en productivité : Côté demi-finitions & finitions, les gains en temps sont aussi conséquents : Dynamiques plus importantes, En assurant de hautes qualités de finition Tout en conservant les niveaux de précision souhaités. CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules gains en productivité : On constate que le passage sur la nouvelle machine à permis de doubler la productivité en n utilisant qu une machine au lieu de deux. CDC et stratégies FAO sont maintenant optimisées, en tenant compte des capacités de la machine, et augmenter la productivité de 7 à 9 matrices : Durée de vie des outils doublée à triplée L ajustement des stratégies d usinage aux capacités de la broche à permis de réduire les temps d usinage de 50% à 70% Les qualités ont même été améliorées. 8
CAS 1 : Société Klein Matrice & Moules gains en productivité : Parmi les outils assurant ces gains, on soulignera aussi : Robot de chargement pièce et outils (et gestion outils frères) Respect des CDC et volume copeau (stratégies FAP) Constitution BD outils optimisée et fiable Télésurveillance Qualité des déplacements et dynamiques machines (moteurs linéaires) Et des opérateurs expérimentés. Plus de productivité - RXU en Moule, Outillage, Aéro, Souvent UGV est associé à finition avec des faibles capacité d ébauche. La gamme RXU offres ces deux possibilités avec : - un guidage du Z QUADROGUIDE beaucoup plus rigide, - des broches avec plus de couple et puissance : - 20 000 tr/mn couple S1 90 mn - 24 000 tr/mn - couple S1 67 mn - 30 000 tr/mn - couple S1 55 mn - RXP1200 max. 0,06mm 3 fois plus rigide RXU1200 max. 0,02mm 9
Plus de productivité - RXU en Moule, Outillage, Aéro, La RXU offre ainsi une même conception que les centres RXP sur des gammes de pièces plus importantes. En 3 axes RXU1000 (17 t) (2000kg sur table) RXU1400 (27 t) (3000kg sur table) En 5 axes RXU1000DSH : (19 t) 800kg sur table Ø 600 Dmax 800mm RXU1200DSH : (33 t) 1500kg sur table Ø 900 Dmax 1100mm Des machines aussi rigides permettent de réaliser tant des ébauches performantes que des finitions de hautes qualité. On réduit ainsi significativement les temps de réalisation des réalisation, tout en améliorant les durées de vie outils et qualités d usinage. 10
CAS 2 : UGV & Rectification Outillages de précision Association sur un centre 3 ou 5 axes de l UGV et de la Rectification Réduction des OP Amélioration qualité et précision CAS 2 : UGV & Rectification Outillages de précision : gains en productivité. Certaines pièces nécessite l utilisation de procédés combinés UGV et Rectification, pour des raisons - de précision et/ou - de qualité d usinage. 11
CAS 2 : UGV & Rectification Outillages de précision : gains en productivité. Outillage Acier trempé 63 Hrc Tolérances : - D centre +/- 0.005 - Ra 0.05 - Entraxes +:- 0.003. CAS 2 : UGV & Rectification Outillages de précision : gains en productivité. Une approche combinée UGV & Rectification assure alors des gains significatifs : - Usinage Dur, - Rectification - une seule prise de pièce, - une seule origine Des gains de 20% à 30% sont alors envisageables.. 12
CAS 2 : UGV & Rectification A noter : Cette approche peut aussi être réalisée en 5 axes, réduisant alors significativement montages et reprises. CAS 2 : UGV & Rectification 13
CAS 3 : Association MOCN & Métrologie Usinage et métrologie embarquée Réduction des OP Amélioration qualité et précision. Vérification et traçabilité CAS 3 : Pour améliorer la précision Logiciel de métrologie embarqué sur MOCN : Associé à des palpeurs de haute précisions, la Roeders offre toutes les fonctionnalités de métrologie permettant : De réaliser des dégauchissages directement sur la pièce, à partir : o de références géométriques multiples o de palpage sur formes gauches (best-fit) Cette fonctionnalité permet de : o S affranchir de la précision du montage, o Réaliser des vérifications en cours d usinage et donc de détecter immédiatement tout problème, o Assurer des reprises de haute précision, o D établir un rapport de contrôle avant démontage ( bon a démonter ) o Conserver historique et traçabilité, 14
CAS 3 : Association MOCN & Métrologie Une MOCN disposant d une armoire PC sous Windows permet l installation de logiciels de métrologie tels que RMS-Inspect de M&H. Sans vouloir transformer la MOCN en MMT, des gains conséquents sont alors réalisables à différents niveaux : Un seul posage pour dégauchir et usiner, Dégauchissages standard mais aussi sous-contraintes Dégauchissages sur CAO (Formes simples et gauches) Repositionnements précis pour reprises, Usinages adaptatifs (voir # types) Détection d erreurs au plus tôt, sur MOCN Vérification de côtes sensibles avant démontage (réduction temps) Suivi et traçabilité (rapports) CAS 3 : Association MOCN & Métrologie Préparation : Import CAO Définition points mesurés - PLP, - entités géométriques simples - sur formes gauches Contrôle parcours 3+2 et collisions éventuelles Génération programme de palpage NB : Entités moindres carrés 15
CAS 3 : Association MOCN & Métrologie Résultats : Ils peuvent être fournis sous formes différentes formes : - graphiques - détaillées dans des tableaux et archivés pour analyses et suivis.. CAS 3 : Association MOCN & Métrologie BEST-FIT : exemple de repositionnement précis par roto-translationpour reprises d usinage.. 16
CAS 4 : Approche 3 axes et 5 axes Usinage 3 et 5 axes Réduction du nombre de posages, Suppressions de certaines OP (Suppression usinage électrodes et érosion) Diminution des temps et du coût de revient Amélioration qualité et précision. CAS 4 : Approche 3 axes et 5 axes Le choix de gamme et des stratégies d usinage, des moyens de réalisation ont un impact important sur : - le temps de réalisation pièce, - les précisions et qualités obtenues, - le prix de revient de fabrication Un comparatif a donc été établi pour réaliser cette pièce : - avec une approche classique Fraisage-Tournage-Erosion - avec une gamme UGV 5 axes. 17
CAS 4 : Approche 3 axes et 5 axes Le tableau ci-dessous reprend les différentes phases et il met en évidence les écarts et les gains procurés par le 5 axes qui a ici permis une réduction significative du nombre d opérations et des gains en précision. CAS 4 : Approche 3 axes et 5 axes En résumé, le passage au 5 axes et à l UGV permet, dans cet exemple : Une réduction significative du temps et du nombre d opérations Une réduction conséquente du prix de revient. On notera aussi qu il est possible grâce à l UGV d usiner directement le bloc trempé. On gagne alors encore : - du temps puisque la pièce est réalisée en une seule prise - des manipulations (Ebauche, TT, finition) Si la pièce doit être remplacée, on peut réaliser une pièce finie en un temps minimum : - stock bloc traité - usinage direct sans avoir à gérer des blocs non traités et traités (place, réactivité, ) 18
CAS 5 : Broche qualité optique Pour des micro-usinages de haute précision, des usinages de qualité Optique, des broches spécifiques ont aussi été développées Pour améliorer la qualité Broches spécifiques qualité optique Les précisions & qualités obtenues peuvent encore être améliorées avec des broches spécifiques telles que la RSA60 : Broche à palier air : pas d usure, très peu d échauffement, sans lubrification 60 000 tr/mn 3.2 kw (ou 90 000 tr/mn) Dmaxi 2 mm HSK-E25 Rotation extrêmement fluide Défaut de circularité dans 0.1 µm (10 fois mieux broche standard) Usinage avec Boule D=4mm Ra < 10nm ----- 19
Pour améliorer la qualité et la précision Matière : ELMAX, HRC 58 Outil mini : D = 0.4mm Pour améliorer la qualité et la précision On voit ici que les temps d usinages deviennent très importants. Stabilité thermique de la broche, qualité des guidages et asservissements seront déterminants pour préserver la durée de vie des outils et assurer qualité et précision demandées. 20
Prototype de réflecteur Pièce en Aluminium de dimensions 110mm 110mm Pas reprise manuelle autorisée Aucune trace de reprise d outil Outil minimum Broche 30 000 tr/mn sur une RXU! Boule D=0,8mm en carbure et diamant Ra=0,10 µm; Rz=1,12 µm Usinage qualité Optique Insert pour moule injection Machine RXP500DSC Matière HRC 60 Précision : ±2 µm Qualité surface : Ra: 0,032µm; Rz: 0,25µm Ø75mm 21
Quelques exemples A titre d information, quelques exemples montrant : - des usinages de très haute précision, - des usinages qualité optique aujourd hui réalisables sur nos machines, en réunissant toutes les bonnes conditions Usinages de précision RXP500 : UGV & Rectification par coordonnées 36 alésages de diamètre 13mm ajustés dans trous de D 12 mm : Rectification Précision o Concentricité moyenne : 0,9 µm o Concentricité maximale : 2,1 µm Ø13 Ø12 22
Micro Usinage RXP400: Insert pour lentille camera Matière : STAVAX 52 HRC Outils : Ø1,2 R0,01 et Ø1,5R 0,5 Précision : Circularité : <= 1.5 µm Concentricité <= 1.5 µm Diamètre : ± 2 µm D = 4.323 et Ra <= 0.04 Usinage ultra-précision Pièce diamètre 49mm Matière : Aluminium Outil : D=3 mm Circularité : 0.9 µm Machine : RXP400 23
Pour encore plus de productivité : Penser à l automation Ces machines peuvent être équipées de robot de chargement assurant une exploitation optimale pouvant dépasser les 5000 à 6000 heures/an. Ces automates permettent : Pièces < 1kg à 1 500 kg Mono ou multi machine Gestion pièces Gestion des outils (extension magasin) Superviseur de cellule Roeders Premières automations 1998 Compatible avec les systèmes robotisés du marché. Merci de votre attention 24