Qu’est-ce que l’usinage grande vitesse ?
L’usinage Grande Vitesse, aussi appelé UGV, est une opération d’enlèvement de matière à des vitesses de coupe élevées, ces grandes vitesses engendrant un phénomène de coupe spécifique permettant des gains de qualité et de productivité.
Concurrence exacerbée, temps de développement produits réduits, série et process courts… Utiliser des procédés réactifs n’est plus un facteur de différenciation, c’est une nécessité pour la majeure partie des industries. Face à cet impératif, l’Usinage à Grande Vitesse (UGV) apparaît aujourd’hui, auprès des industriels et grâce à sa productivité, comme un incontournable.
Pour réaliser des applications en UGV, on a recours à des machines-outils rigides et optimisées pour ce type d’usinage ainsi que des commandes numériques offrant des options et des caractéristiques spécifiques. Il est également nécessaire d’utiliser une méthode de programmation de pointe permettant des trajectoires d’outils optimales et une surépaisseur d’usinage constante pour chaque opération et outil. Il s’agit là d’une condition indispensable pour garantir la sécurité et la qualité du processus d’usinage avec une productivité élevée. Tout l’équipement de production, y compris les outils de coupe et les attachements, doit être spécialement conçu pour l’UGV.
Les avantages
- Conservation des propriétés des matériaux usinés
- Meilleure qualité de surface,
- Meilleure précision dimensionnelle,
- Usinage de nouveaux matériaux,
- Usinage de formes complexes,
- Réduction des délais,
- Réduction des coûts de production,
- Réduction des coûts d’investissement,
- Flexibilité de la capacité de production,
- Diminution possible des épaisseurs de coupe et donc des efforts de coupe rendant possible la réalisation de voile mince.
Les vitesses de coupe
Source : © ENSEn usinage conventionnel, l’énergie calorifique s’évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l’outil dans des proportions non négligeables. Ainsi, le matériau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) qui modifie les caractéristiques de la pièce finie. En UGV, la nature de la formation du copeau est différente et l’énergie de la coupe s’évacue à plus de 80% dans les copeaux. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre le copeau et la pièce n’ont plus le temps d’avoir lieu : celle-ci reste pratiquement à température ambiante.
L’outillage spécifique, une nécessité pour l’UGV
Pour réaliser des applications en UGV, il est nécessaire d’utiliser des machines-outils rigides et optimisées pour ce type d’usinage ainsi que des commandes numériques offrant des options et des caractéristiques spécifiques. Il est également nécessaire d’utiliser une méthode de programmation de pointe permettant des trajectoires d’outils optimales et une surépaisseur d’usinage constante pour chaque opération et outil. Il s’agit là d’une condition indispensable pour garantir la sécurité et la qualité du processus d’usinage avec une productivité élevée. Tout l’équipement de production, y compris les outils de coupe et les attachements, doit être spécialement conçu pour l’UGV.
Un Investissement lourd car l’UGV nécessite une machine, une commande numérique, une broche, un porte outil et des outils spécifiques qui représentent un investissement lourd, 2,5 fois plus cher que le conventionnel.
L’obligation de remettre en cause les techniques antérieures car les gammes d’usinage doivent être complètement réétudiées. Il importe de prévoir des trajectoires d’entrées dans la matière différentes.
Le temps de mise au point car il est nécessaire de faire une préparation méticuleuse du programme que l’on teste longuement car rien ne doit être laissé au hasard. Ce temps est variable suivant la complexité de la pièce.
Un besoin de personnel plus compétent et formé à l’UGV, tant au niveau du bureau des méthodes qu’à l’atelier.
Vers l’usinage de demain
Le développement incessant des matériaux de coupe, des attachements, des machines – outils, des commandes machines et, plus particulièrement, des caractéristiques et équipements CAO/FAO, ont ouvert de nouvelles possibilités qui doivent donner naissance à de nouvelles méthodes et techniques de production. En effet, l’usinage de formes complexes en 3D à des vitesses de coupe et de déplacement élevées engendre des calculs beaucoup plus lourds qu’en usinage conventionnel. De nombreuses études ont été menées pour améliorer les algorithmes mathématiques, les trajectoires d’outils à utiliser pour minimiser le temps de calcul tout en garantissant au final un état de surface optimal. Les stratégies d’usinage doivent également prendre en compte les phénomènes thermiques, en évitant la formation d’un amas de copeaux au contact de l’outil ou de la pièce pour éviter un échauffement négatif dans les deux cas (usure supérieure pour l’outil, caractéristiques mécaniques superficielles de la pièce modifiées localement).
L’UGV impose donc une augmentation des performances des algorithmes de calcul. Le choix du logiciel de FAO est essentiel car l’utilisation d’un logiciel non adapté peut amener des défauts sur la pièce fabriquée. Un logiciel adapté à l’UGV doit permettre de calculer les trajectoires sur une machine 5-axes en prenant en compte les effets dynamiques, et permettre le choix des stratégies d’usinage adaptées à l’UGV.
Exemples d'usages
- Fraisage de cavités
Il est possible d’avoir recours à l’UGV dans les aciers à outils hautement alliés jusqu’à 60-63 HRc. Car, lorsqu’on fraise des cavités dans des matières aussi dures, il est capital de choisir les outils et les attachements adéquats pour chaque opération : ébauche, semi-finition et finition. Pour que l’opération soit performante, il est également essentiel d’utiliser des trajectoires d’outils, des conditions de coupe et une stratégie de coupe optimisées.
- Moules à injection et moules à extrusion
Ils conviennent également à l’UGV, du fait de leur petite taille (qui permet de réaliser toutes les opérations en un seul montage, ce qui est très économique.
- Fraisage d’électrodes en graphite et cuivre
Domaine de prédilection de l’UGV, le graphite pouvant être usiné de façon productive avec des fraises en carbure monobloc revêtu de diamant ou de TiCN (carbonitrure de titane).
- Moules de coulée sous pression
C’est un domaine où l’UGV peut être utilisé de façon productive. La plupart de ces moules sont en acier très difficile à usiner et de petite ou moyenne taille. Nombre de ces moules présentent des cavités relativement profondes ce qui nécessite une très bonne planification des trajectoires d’outils en général et des entrées et sorties de pièces. Pour ces moules, on utilise souvent des outils pour usinage léger de petits diamètres avec longs porte-à-faux.
- Maquettes et prototypes de moules et matrices
Matières faciles à usiner comme des matériaux non ferreux, aluminium, LAB, etc. Les vitesses de coupe sont souvent de l’ordre de 1500 à 5000 m/min, en conséquence de quoi, les avances sont également très élevées.
Notons également que l’UGV est également utilisé pour la production de :
- Pièces fabriquées en petites séries,
- Prototypes et pré séries en aluminium (Al), titane (Ti), cuivre (Cu) dans les industries aéronautique, électrique, électronique, médicale, et de défense,
- Composants aéronautiques, en particulier pièces de châssis et de moteurs,
- Composants automobiles, fonte grise et Aluminium,
- Outils de coupe et attachements (corps de fraises trempés à coeur).
L'offre et les compétences d'INDUS Solution
INDUS Solution dispose d’un panel large de moyens d’usinage grande vitesse notamment au travers de ses partenaires IUT d’Aix-en-Provence, rattaché à Aix-Marseille Université et Arts et Métiers ParisTech.
INDUS Solution peut par exemple réaliser des pièces prototypes et réaliser l’industrialisation.
Parmi nos moyens mutualisés :
DMG 50 évolution
Machine UGV 5 axes disposant d’une broche 35 KW tournant jusqu’à 18 000 tr/min et une vitesse d’avance maximale de 10 m/min.
Centre UGV 5 axes Huron VX12
Centre d’usinage adapté à l’usinage de pièces unitaires en petites et moyennes séries, machine compacte, rapide, puissante, précise, équipée de commandes numériques intelligentes.
DMG 20 linear Ultrasonic
Machine UGV 5 axes disposant d’une assistance ultrasonique à la coupe (20 000 à 30500 Hz) qui permet de faciliter l’usinage de matériaux très durs comme le verre, les céramiques… Elle est équipée d’une broche 15 KW tournant jusqu’à 42 000 tr/min et une vitesse d’avance maximale de 50 m/min.
DMG CTX Gamma 1250 TC
Centre de tournage/fraisage équipé d’une broche 5 axes pour l’usinage. Ce centre permet de réaliser des pièces de plus en plus complexes grâce à l’intégration de méthodes d’usinage complémentaires comme le fraisage d’engrenages et l’usinage simultané à 5 axes par exemple.
Centre d’usinage/perçage URANE SX
Machine-outil à broche horizontale dédiée aux opérations de perçage, lamage, taraudage et alésage, à structure parallèle de type Delta qui confère des performances dynamiques très supérieures (de l’ordre de 30%) à celles des structures des séries classiques. L’Urane SX répond aux objectifs de productivité et de fiabilité grâce à une cinématique parallèle dotée de trois axes à moteurs linéaires offrant vitesses de déplacement et accélérations exceptionnelles.
Pour compléter cet équipement, laser tracer pour mesurer précisément les défauts géométriques des machines-outils ainsi que des machines à mesurer tridimensionnelles. Par la suite, ces défauts géométriques peuvent être corrigés dans la commande numérique de manière à augmenter la précision des machines
L'oeil de l'expert : 3 questions à François Bagur
Expert reconnu dans le monde l’usinage, François Bagur s’est livré pour la rédaction d’INDUS Solution au jeu des questions/réponses.
INDUS Solution : Pouvez-vous nous parler de l’évolution de l’usinage depuis ces 20 dernières années ?
François Bagur : L’usinage par enlèvement de copeaux a énormément évolué ces 20 dernières années. Les machines, les outils, les FAO, la simulation, la gestion d’outils… Tous les éléments de la chaîne usinante se sont améliorés. Dans le monde de l’usinage, il est courant de considérer qu’une machine d’aujourd’hui a la même productivité que 3 machines d’il y a 20 ans. C’est vous dire le pas qui a été franchit ! Actuellement, les outils coupants sont utilisés beaucoup plus aux limites qu’il y a une dizaine d’années. Cela implique une maîtrise renforcée des process, tant pour la fabrication des outils et dans leurs emplois. Là où nous devons encore travailler, c’est sur les liaisons entre les différents maillons de la chaîne usinante. Les développements sont réalisés par chacun des intervenants mais le dialogue entre eux n’est pas encore suffisant. Les grands développements de ces dernières et de ces prochaines années vont se porter sur les instrumentations embarquées dans les machines, voir les outils. Tout le monde rêve de la machine auto-adaptative. Mais là encore, ces nouveaux développements ne seront viables que si tout le monde dialogue ensemble. Car par exemple, si un capteur détecte un problème pendant un usinage, il va être tentant de réduire en automatique un paramètre de coupe. Sauf que dans certains cas, la réduction de ce paramètre va aggraver le problème et non le résoudre. Donc, si l’intégrateur des capteurs et des algorithmes de corrections ne connaît pas les zones de fonctionnements des outils, cela ne peut pas aller.
INOVSYS : L’UGV est-elle une mode qui va passer ou est-ce un process durable ? Et quelles seront les grandes évolutions à venir dans ce domaine ?
François Bagur : L’idée de l’UGV n’est pas récente. On en parlait déjà vers 1935 ! Ce qu’il faut retenir de l’UGV «moderne», c’est que cela a obligé les industriels à se remettre en cause sur les process d’usinage. Les machines actuelles ont de telles performances que l’on ne peut plus se contenter de l’empirisme. Il faut une méthode rationnelle et structurée d’approche des problématiques d’usinage. C’est ce que nous proposons aux usineurs à travers notre méthode Coumat®. Il faut quasiment considérer l’UGV comme un nouveau métier, et non comme une amélioration de ce que l’on faisait avant. Mais l’UGV ne résout pas tout. Il ne faut pas faire de la technologie pour le plaisir de faire de la technologie. Il faut toujours avoir une approche technico-économique, et non une approche seulement technique. Il est parfois préférable économiquement de réaliser un gros enlèvement de copeaux doucement plutôt que de petits enlèvements rapidement. Cala a amené à parler d’UHP (Usinage Haute Productivité) en parallèle de l’UGV. Nous avons l’habitude de dire dans nos formations que l’UGV, ou l’UHP, est en fait un «état d’esprit» et une démarche qui pourrait se résumer par l’utilisation de manière optimale tous les moyens à disposition et par l’analyse des points bloquants et du travailler fait dessus. Et nous rappelons instantanément que ces 2 points sont également vrais hors UGV…
Concernant les grandes évolutions à venir, nous en voyons deux principales. Celle que nous appellerons l’UGV 5 axes, c’est-à-dire l’usinage de forme à grande vitesse. Les machines, mais également les CN et les FAO sont en perpétuelles améliorations dans ce sens et celle des machines multifonctionnelles (tour fraiseur, CU qui tourne, …). Celles-ci vont probablement être au coeur des nouveaux développements dans les ateliers de demain. Elles permettent par exemple de fiabiliser les process en minimisant les posages, de réduire les encours…
INDUS Solution : Vous avez travaillé avec un industriel reconnu en PACA, la société Bonnans SA, pouvez-vous nous en parler ?
François Bagur : Il y a quelques années, la société SII BONNANS de Marseille m’a contacté afin d’étudier avec eux les différentes possibilités permettant de mettre au coeur de la société le service méthodes industrialisation. En effet, les donneurs d’ordres demandent des plans de progrès permanents sur les pièces. La maîtrise parfaite de la chaîne usinante complète devient vitale pour maîtriser et fiabiliser les process. Après un diagnostic technique de la société, la direction de SII BONNANS a donc décidé de déployer notre méthode Coumat® afin de fiabiliser encore plus les process d’usinage tout en réduisant les coûts et donc de répondre favorablement aux donneurs d’ordres sur les plans de progrès. Notre méthode Coumat® a été déployée à travers des cycles de formations, des cycles d’accompagnements techniques permettant les ré-industrialisations de certaines pièces et la mise en place de notre logiciel CoumatBox® qui est au coeur du service méthodes industrialisations. Ce projet a pu être mené à bien [il arrive bientôt à son terme, NDLR] uniquement parce-que nous avons rencontré chez SII BONNANS des personnes ayant l’ouverture d’esprit nécessaire à la conduite d’un tel projet. Ils n’ont pas hésité à se remettre en cause sur plusieurs points ce qui a grandement facilité le déploiement du projet. A ce jour, les process sont nettement mieux maîtrisés en interne et toute une structure documentaire méthodes a été mise au point afin de sécuriser au maximum les process. Le savoir-usiner de la société est capitalisé de manière pérenne. Et point final : le service méthodes industrialisations, à travers cet accompagnement, a pu clairement s’apercevoir que la maîtrise des process est une bataille de tous les jours et que les actions ne devront pas s’arrêter avec le projet…
Les principaux facteurs économiques et techniques pour le développement de l'UGV
- Compétitivité
La concurrence toujours plus vive sur le marché ne cesse de faire évoluer les normes de qualité. Les exigences en matière de réduction des temps et des coûts sont toujours plus élevées. Ceci a donné naissance à de nouveaux processus et techniques de production parmi lesquels l’UGV.
– Matières à usiner
Le développement de nouvelles matières, plus difficiles à usiner, a mis en évidence la nécessité de trouver de nouvelles méthodes d’usinage. L’industrie aéronautique travaille de nombreux alliages d’aciers inoxydables et matériaux réfractaires. L’industrie automobile usine différents composés bimétalliques, de la fonte CGI et un volume croissant de pièces en aluminium. L’industrie des moules et matrices doit, quant à elle, résoudre le problème de l’usinage des aciers à outils fortement trempés, de l’ébauche à la finition.
– Qualité
La demande pour une qualité de pièces toujours plus élevée résulte d’une concurrence acharnée. S’il est correctement mis en œuvre, l’UGV offre à cet égard de nombreuses solutions. Il permet, entre autres, l’élimination de la finition manuelle des pièces qui est particulièrement importante sur les moules et matrices ainsi que sur les pièces à géométrie 3D complexe.
- Processus
L’UGV permet dans une large mesure de satisfaire les exigences en matière de réduction des temps de production grâce à une réduction du nombre de montages nécessaires et une simplification du flux dans l’atelier. Un des principaux objectifs de l’industrie des moules et matrices est de réaliser l’usinage complet de petits outils trempés à coeur en un seul montage. Les opérations d’électro-érosion longues et coûteuses peuvent ainsi être considérablement réduites ou éliminées, grâce à l’UGV.
- Conception et développement
Un des principaux outils de marketing utilisé aujourd’hui sur un marché très concurrentiel consiste à vendre la nouveauté d’un produit. Une automobile a aujourd’hui une durée de vie moyenne de 4 ans, un ordinateur 1,5 ans, un téléphone 3 mois… Une des conditions préalables à ces changements rapides de design et à des temps de développement courts est la technique de l’UGV.
- Produits complexes
Les pièces comportent de plus en plus de surfaces multifonctions. C’est le cas par exemple des aubes de turbine de conception nouvelle qui offrent de nouvelles fonctions et caractéristiques optimisées. L’ancienne conception permettait un polissage manuel ou par robot qui n’est plus réalisable sur les nouvelles aubes, de conception plus sophistiquée et dont la finition doit se faire par usinage et de préférence par UGV. Par ailleurs, il existe un nombre croissant de pièces à parois minces à usiner (matériel médical, électronique, pièces informatiques, etc.)