par Eléonore Robert, Rédactrice en Chef (er@trametal.com)

Lors du travail routinier dans le monde des ateliers usinant les métaux, il arrive que l'on ait besoin, aujourd'hui, d'une capacité d'usinage à grande vitesse alors que l'on n'en dispose pas. Avec une modernisation relativement simple, l'atelier qui travaille pour l'aéronautique pris en exemple dans cet article a trouvé la solution attendue.

- Les grandes pièces aéronautiques nécessitent une vaste aire de travail sur les centres d'usinage. Cette machine correspond à ce type de travail. La motivation pour l'atelier à regarder vers la grande vitesse et à mettre en oeuvre une broche auxiliaire était le besoin de gagner du temps sur l'usinage de gorges nécessaire à la finition d'une pièce très mince, et ce en un seul serrage (voir fig. 3/4).


Dans un monde où l'usinage routinier est monnaie courante, il est parfois nécessaire de pouvoir faire appel à des capacités d'usinage à grande vitesse. Voici l'exemple d'une entreprise travaillant pour l'industrie aéronautique ayant réussi de façon simple à entrer dans le monde de la grande vitesse mais, seulement, lorsque cela lui est nécessaire.

II existe peu d'applications ne faisant appel qu'à un seul outil de coupe. Fraises deux tailles, forets, fraise à surfacer et tarauds sont autant d'outils destinés à des applications qui leur sont propres et nécessaires dans la majorité des opérations d'usinage. II en va de même pour les processus d'usinage ayant leurs efficacité spécifiques. L'usinage à grande vitesse (UGV), par exemple, est un processus particulièrement efficace pour certains types d'opérations. Mais, il existe aussi bien des applications où les techniques courantes d'usinage sont un choix plus profitable.

II n'est pas rare que, pour l'ingénieur d'application, le problème consiste à trouver la combinaison idéale des processus avec les technologies disponibles. Dans beaucoup de cas, les travaux demandent à marier les techniques d'usinage. Ainsi, certaines opérations peuvent être mieux réussies en faisant appel à l'UGV tandis que, pour d'autres types de pièces, il peut être préférable de faire appel aux méthodes traditionnelles. II existe deux manières d'aborder le dilemne. L'une consiste à faire appel à deux machines-outils différentes, une classique et une à grande vitesse. L'inconvénient est que l'on multiplie alors les manipulations de pièces. L'autre serait un compromis faisant tourner la machine à grande vitesse plus lentement ou accélérant une machine classique. Mais, alors on compromet les avantages des deux types de machines.

Aucune de ces options n'a été considérée applicable pour l'entreprise en question. Elle a créé une troisième alternative adaptée à ses propres besoins. On peut monter une broche à grande vitesse à côté de la poupée de broche principale ou se servir du cône de la broche principale. L'option retenue a consisté à monter sur le côté de la broche principale une broche standard poussée à 40000 t/mn, et ce avec d'excellents résultats.



Fig. 1- La seconde broche est montée sur la poupée porte-broche du centre d'usinage contre la broche principale. Un support adaptable a été utilisé pour la fixer. Lorsque la broche principale est outillée, comme ici, la broche à grande vitesse dégagée de la pièce. Pour faire fonctionner la broche à grande vitesse, la fraise est retirée de la broche principale et les décalages nécessaires sont introduits dans la commande. Les conduits de puissance et d'arrosage restent en place de façon permanente.

Les travaux accomplis
L'entreprise est privée et fabrique des pièces pour l'aéronautique. Son effectif atteint d'une une soixantaine de personnes. Elle livre des composants et des assemblages pour l'aviation militaire et commerciale, l'aérospatial et la Défense depuis déjà plus de trente ans. Son activité a débuté et continue de l'être avec une fabrication de produits sur pivot ou charnière pour des applications aéronautiques, comme des battants et ailerons relevant en acier inoxydable et en aluminium. Les assemblages des trois éléments ont une tolérance de ± 50 Nm sur une longueur de pièce allant jusqu'à 2000 mm. Ces pièces articulées vont depuis de simples charnières courantes à d'autres faisant jusqu'à 5600 mm de long.

Au fil du temps, les capacités de l'entreprise ont évolué pour élargir le plus possible la diversité des demandes de fabrication. Actuellement, l'atelier est équipé d'une vingtaine de centres d'usinage à trois, quatre et cinq axes permettant d'usiner des pièces allant de 25 mm à 6100 mm de long. Ces machines ont été les chevaux de bataille de l'entreprise, lui conférant l'expérience de l'usinage de matières exotiques telles que les titanes et autres alliages difficiles. "Confronté aux difficultés, on apprend sur le tas quels sont les outillages, les outils ou les programmations les mieux appropriés, tout comme aussi la gestion des plannings. Nous sommes devenus très expérimentés dans la fabrication de pièces de structures critiques fabriquées dans des matières extrêmement difficiles à usiner", précise le dirigeant. Mais, l'expérience et le savoir-faire vont au-delà des matières exotiques, par exemple en usinage de l'aluminium qui, dans l'aéronautique, n'est pas considéré comme très exotique. Néanmoins, du fait des tolérances et des formes de plus en plus précises et des sections transversales de plus en plus minces, les techniques de l'usinage de l'aluminium ne cessent d'évoluer.

Dans ce type de travaux, cet atelier avait reçu une commande pour des pièces qui devaient servir au "rétrofitage" de la section de queue d'un avion de chasse bi-réacteurs. Et, c'est à cette occasion qu'il a fait appel à son expérience pour appliquer les techniques de l'usinage à grande vitesse.


Fig. 2 - Sur cette illustration, on voit un côté de la peau de l'avion de chasse qui est prête à être montée sur l'appareil.

Le problème posé
Gagner du temps dans une fabrication est toujours une incitation pour un sous-traitant à regarder comment il peut en améliorer le processus. Dans le cas présent, l'atelier a fait appel à l'usinage à grande vitesse pour une opération critique, dégringolant le temps nécessaire pour l'effectuer de 4 à 5 h à seulement 20 minutes! Les pièces à usiner pour cette section de queue sont constituées de deux peaux très fines, supérieure et inférieure, réunies et tenues en forme par un réseau de raidisseurs en aluminium. Les parties saillantes entrent dans des gorges usinées dans la partie interne de ces panneaux minces (fig. 4 et 5). Les pièces passent sur un centre d'usinage à portique dont deux exemplaires sont disponibles (fig. de tête). Ce sont de grosses machines très puissantes à broche au cône 50, montant jusqu'à 8 000 t /mn. Avec une aire de travail de 4 420 x 1500 mm, elles peuvent aisément recevoir ce type de travail. Ces peaux sont usinées à partir d'une plaque de 6,5 mm et finies avec des évidements dont l'épaisseur varie de 0,8 à 1,6 mm. La production est de quelque cinquante ensembles par mois.

L'usinage de ce type de pièces exige une aire de travail en conséquence. "La majorité des usinages sur ces peaux consiste en évidements et logements qui peuvent très bien être opérés de façon conventionnelle en faisant appel à une fraise de grand diamètre tournant aux plages de vitesses délivrées par la machine. C'était l'usinage de gorges de 1, 2 mm de large au-dessus des parois de la poche qui nous paraissait constituer une chance pour changer et améliorer le processus", précise le directeur de fabrication.

Fig. 3/4 - Sur la peau d'avion illustrée sur la figure 2, les poches sont fraisées en faisant appel aux techniques d'usinage courantes avec la broche principale d'un des centres d'usinage. En a) sur l'angle supérieur de la poche une gorge de 1,2 mm est usinée à grande vitesse. En b), à l'assemblage, les raidisseurs tiennent sur l'angle des gorges, entre les sections de la peau, et agissent en tant qu'entretoises lui donnant sa forme définitive et la grande rigidité indispensable.

Arrimage â la grande vitesse
Lorsque ce travail lui a été confié, quelque cinquante pour cent du temps de cycle total étaient pris par cet usinage de gorges. Retirer ce travail du grand centre d'usinage pour le passer sur une seconde machine à plus grande vitesse de broche n'était pas une alternative intéressante du fait des temps additionnels de montage et de la manutention des pièces qui auraient fortement handicapé les temps de cycles et le rendement. Pour continuer à être rentable, il fallait poursuivre l'usinage sur ces machines en ne faisant appel qu'à un seul montage. Avant d'entrer dans cet atelier, le directeur de fabrication avait travaillé avec des broches à grande vitesse montées sur des centres d'usinage courants. Souvent, pour obtenir cette grande vitesse, on a recours à un accélérateur monté dans la broche principale à travers un cône en V et faisant appel à une série de d'engrenages multiplicateurs de vitesse de rotation, la broche principale assurant l'entraînement.

Faire appel à une broche auxiliaire adjointe à la broche principale du centre d'usinage semblait a priori une solution susceptible d'être satisfaisante. Cependant, le directeur technique n'était pas vraiment enthousiaste à l'idée de monter une broche auxiliaire dans le cône de la broche principale. "Tout d'abord, la rigidité risquait d'en pâtir" a-t-il déclaré, poursuivant "en effet, alors que la broche principale sur cette machine est particulièrement robuste, lui ajouter une extension juste sur le nez constitue un prolongement qui ouvre la porte à des problèmes d'entrée en vibration. En outre, le jeu inévitable dans le mécanisme d'engrenages peut, lui aussi, être cause de vibration et broutage".

Pour l'aider à avancer dans cette idée de broche auxiliaire, le directeur a alors décidé de prendre contact avec des spécialistes fabricants de broches à grande vitesse, particulièrement des fabricants expérimentés dans les travaux de modernisation de machines-outils. Son choix s'est alors porté sur une broche à grande vitesse de 2,5 kW, allant à 40000 t/mn, dont le cône en V lui permettait d'être montée dans la broche de la machine, tout comme un porte-outil. Néanmoins, le directeur de fabrication se ravisant n'a pas pris la broche dans sa version avec cône en V En fait, il a construit une plaque adaptatrice pour la monter directement sur la poupée porte-broche de la machine, parallèlement à cette broche. La seule autre modification a consisté à prévoir des flexibles et des câbles extra-longs pour répondre à l'enveloppe de travail généreuse de la machine.

Des broches à grande vitesse et de faible puissance comme celle retenue dans l'atelier sont les mieux appropriées à l'utilisation d'outils de petit diamètre. En montant cette broche à côté de la broche principale, l'atelier a trouvé le montage idéal pour usiner les peaux directement sur ses grands centres d'usinage. "Avec ce montage rigide, on crée les conditions de la grande vitesse", précise le directeur, "on obtient les mêmes précisions de positionnement et de répétabilité qu'avec la broche principale. Pour usiner les pièces et passer d'une broche à l'autre, on entre les décalages nécessaires dans la commande et c'est parti. C'est une solution bien plus rapide et simple que de placer physiquement la broche ou un accélérateur dans la broche principale et d'avoir à l'enlever ensuite. Tout l'attirail auxiliaire - arrosage, etc. - reste en place. La solution a été tout à fait rentable".


Fig. 5 - Le directeur de cet atelier a été un des moteurs important dans sa quête de la grande vitesse étant convaincu que cette technologie apporterait une possible diminution très sensible des temps d'usinage de peaux de biréacteurs de chasse pour lesquelles il avait enregistré une commande qui lui tenait â coeur.

Résultats enregistrés
L'opération de rainurage, qui représente quelques cinquante pour cent des 4 à 5 heures de temps de cycle d'usinage, n'en est plus à présent qu'une fraction. L'usinage des 1,2 mm de largeur sur 2,5 mm de profondeur de ces gorges a lieu maintenant en 20 à 30 minutes! Pour l'opération, on utilise sous arrosage une fraise en carbure non revêtu à angle de coupe positif pour faciliter le dégagement des copeaux. L'avance est normalement de 760 mm /mn à 40000 t /mn mais l'atelier continue à optimiser les avances et les vitesses une fois l'expérience acquise. Le brut de 6,5 mm d'épaisseur est fixé par le vide sur la machine. La broche principale fraise les poches en faisant appel à une fraise deux tailles. Dès que les poches sont usinées, la seconde broche est mise en jeu, on entre les décalages et les gorges sont usinées à grande vitesse.

Fig. 6 - Cette vue approchée permet de se rendre compte du recul existant entre leur broches pour leur permettre d'usiner sans chevauche sur la pièce.

Grande vitesse quand c'est nécessaire
Cette application est intéressante parce qu'elle illustre le vieil adage du bon outil au bon endroit. Dans le cas présent, les économies réalisées en faisant appel à la grande vitesse pour une opération unitaire de gorge ont eu un impact significatif sur l'obtention d'un important contrat. Moins tangible mais, pourtant, aussi importante est l'expérience collective acquise par l'entreprise, sans oublier sa confiance acquise par ses essais avec l'aboutissement positif de son entrée dans le monde de la grande vitesse. "il est clair que l'on a beaucoup acquis et compris que l'on pouvait tirer avantage de faire appel à la grande vitesse pour certains types d'opérations. On a là un nouvel outil permettant d'essayer sa technique sur de nouvelles applications lorsqu'elles se présenteront. Ce qui est aussi sympathique, c'est que l'on a très peu de risques à prendre en faisant appel à la grande vitesse. Aujourd'hui, on est forts d'un autre processus précieux pouvant être ajouté à notre savoir-faire et cela n'est pas négligeable si l'on veut faire face avantageusement à tout contrat auquel on pourrait être amené à répondre", conclut le dirigeant.