Usinage haute performance des aciers au chrome-nickel : Walter Meier pour BC-TECH – Walter Meier Solutions

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Usinage haute performance des aciers au chrome-nickel : Walter Meier pour BC-TECH

22 février 2024
Temps de lecture: env. 10 min.

BC-TECH AG, spécialisée dans les traversées de contact haut de gamme en verre-métal, utilise pour l'usinage exigeant des aciers au chrome-nickel la Nakamura-Tome WT-250II MMY automatisée par robot avec guidage plat pour une usinage efficace.

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La compétence clé de BC-TECH SA : les traversées de connecteurs verre-métal. Ces connecteurs sont utilisés dans l'industrie des procédés jusqu'à la technologie aéronautique.

La guidage plat de Nakamura assure l’usinage à haute performance

Les aciers au chrome-nickel, résistants aux acides et difficiles à usiner, font techniquement partie de l’arsenal standard de la BC-TECH SA, qui est spécialisée dans la fabrication de traversées de contact en verre-métal de haute fin. Pour usiner de manière efficace et flexible les corps de base difficiles à usiner, l’entreprise a investi dans une Nakamura-Tome WT-250II MMY automatisée par robot, une version de machine très rigide avec un guidage plat, ce qui était absolument impératif dans le cadre de cette application.

Si les guidages linéaires à roulement sont aujourd’hui le standard dans la plupart des machines-outils et ont majoritairement remplacé les guidages plats, ce cas d’application montre que les guidages plats sont une condition préalable spécifique pour des processus de fabrication stables et permettent ainsi une fabrication peu manuelle et automatisable.

La solution de fabrication flexible exigée par la BC-TECH SA devait satisfaire, entre autres, aux critères suivants :

Fabrication automatisée de 2000 composants tournants par an, acier au chrome-nickel hautement allié (X2CrNiMo17-12-2), environ 150 mm de diamètre et 80 mm de longueur avec des opérations de fabrication exigeantes, 70 pour cent de taux d’enlèvement de copeaux.

En plus, il faut compter sur des pièces fournies variées à usiner sur la machine, qui doivent être traitées soit à partir de barres soit en tant que pièces en mandrin.

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Le robot est équipé d'un double préhenseur, lui permettant de charger et décharger en un seul cycle de travail.

Tous les processus doivent être sécurisés pour les composants à fabriquer et réalisés principalement sans intervention humaine.

Le corps de base mentionné a été fabriqué jusqu’à présent sur une Nakamura-Tome TW20 de 2007 (également équipée de guidages plats), où les pièces en mandrin étaient chargées et déchargées manuellement, avec environ 15 minutes de temps d’usinage pur. Cela signifie pour l’opérateur qu’il devait intervenir sur la machine quatre fois par heure.

En raison de la difficulté à usiner le matériau (principalement de l’acier au chrome-nickel résistant aux acides) et d’un volume d’enlèvement de matière relativement élevé, une solution de fabrication exigeante et sophistiquée est requise. C’est la tâche parfaite pour les techniciens en usinage qualifiés de BC-TECH SA, qui ont conçu, en collaboration avec Walter Meier (Solutions pour l’usinage) SA, une cellule de fabrication automatisée et flexible.

La base de la cellule de fabrication flexible est la Nakamura-Tome WT-250II MMY. Il s’agit d’un centre multitâche à deux tourelles équipé de guidages plats. Les broches principale et contre-broche ont été conçues avec une puissance d’entraînement accrue (26 kW/15 kW) pour cet usage spécifique. Les deux tourelles disposent de 12 x 2 stations chacune, dont 12 peuvent être entraînées. La puissance de la broche des tourelles est de 5,5 kW.

La manipulation des pièces est effectuée par un robot de chargement (Robojob, plus de détails à suivre) ou par barre et système de manipulation intégré (chargeur de barres sera mis à niveau en 2024). Le déchargement des pièces en mandrin est réalisé par un robot de chargement. Les pièces finies alimentées par barre sont évacuées de la machine par un convoyeur.

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La ligne de production Nakamura-Tome chez BC-TECH à Domat/Ems. À gauche, Andreas Gamper (Walter Meier (Solutions pour l'usinage) SA) à côté de Martin Fetz (directeur de production, BC-TECH SA)

19 centres de tournage – majoritairement Nakamura

Avec Nakamura-Tome, BC-TECH SA a déjà acquis une longue expérience : 19 centres de tournage, presque exclusivement Nakamura-Tome, six fraiseuses, une machine d’électroérosion à fil, ainsi que des rectifieuses assurent dans la fabrication par enlèvement de copeaux de BC-TECH SA des composants qui sont 100 pour cent « swiss made ».

Martin Fetz (Directeur de production, BC-TECH SA) : « En général, nous produisons à 70 pour cent pour nos propres produits, les traversées de contact en verre-métal, que nous exportons dans le monde entier. Les 30 pour cent restants de nos capacités de production servent de composants de fourniture externes. Sur la nouvelle Nakamura-Tome, un large éventail de pièces est généralement fabriqué, les pièces en mandrin plus grandes mentionnées ci-dessus occupant la machine à environ 40 pour cent. Par conséquent, la conception de la machine devrait être adaptée à ce spectre de pièces principal. »

Nakamura-Tome WT-250II

Centre de tournage CNC / 2-tourelle

  • 2x tourelles 12/24
  • Automatisation avec Gantry Loader
  • Qualité, Durabilité et Fiabilité
  • Banc 60° avec capeurs thermiques
  • Contre-broche à part entière

Cette machine a été fabriquée avec une énergie 100% renouvelable.

En savoir plus sur Nakamura-Tome WT-250II
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Bien visible à gauche, la palettisation et le robot, très flexibles et faciles à reconfigurer pour un autre spectre de pièces.

Conditions fondamentales pour la fabrication sans intervention humaine

M. Fetz : « Pour un processus de fabrication automatisé, une haute sécurité de processus est absolument nécessaire à travers tous les processus. Cela commence avec des durées de vie d’outil suffisamment longues et se termine par la gestion des copeaux. Au début, nous pouvions ébaucher sept pièces, puis nous devions changer les plaquettes de dégrossissage. Un quart de travail sans intervention humaine n’était pas réaliste dans ces conditions. Nous avons testé de nouveaux inserts, reconstruit les porte-outils sur des blocs fixes et misé sur beaucoup de lubrifiant-refroidisseur directement sur l’arête de coupe ainsi que sur les surfaces de dégagement des outils. Avec ces optimisations, nous sommes arrivés à 20 pièces par changement d’outil. Mais sans la NT WT-250II MMY, cette stabilité du processus n’aurait pas été possible. »

Pourquoi les guidages plats ?

Interrogé par la rédaction de SMM sur comment il arrive à cette conclusion, M. Fetz répond : « Ce sont des valeurs basées sur l’expérience. Nous réalisons toujours une évaluation des machines en amont de nouveaux investissements. Dans ce contexte, nous nous appuyons à la fois sur nos propres expériences et celles de nos partenaires. Lorsque nous avons dû faire fabriquer la même pièce par un sous-traitant en raison de contraintes de capacité, notre fournisseur l’a usinée sur un centre multitâche de haute qualité avec des guidages linéaires à roulement. De taille et de poids similaires à la NT WT-250II MMY, ils ont eu d’énormes problèmes avec la durée de vie des outils. Nous avons d’ailleurs fait exactement la même expérience lorsque nous avons tenté de fabriquer la pièce en interne sur un centre de tournage avec guidages à roulement, ce qui a divisé par quatre la durée de vie de l’outil que nous atteignions sur la Nakamura-Tome TW 20 à guidage plat, dans des conditions par ailleurs identiques. Il était donc clair : nous avions besoin d’un concept de machine à guidage plat, comme la Nakamura-Tome TW 20. »

A. Gamper : « Les guidages plats assurent une haute stabilité de base du processus d’usinage, ils ont en outre un effet amortissant sur les vibrations. Avec de telles exigences en matière d’usinage, comme dans ce cas, il faut adopter un concept global extrêmement rigide, ce qui est, de notre point de vue, une condition préalable pour une fabrication sécurisée et donc automatisable. Chaque interface réduit la rigidité. Les porte-outils actuellement installés sur la machine sont fabriqués en interne par BC-TECH. Nous connaissons les forces de ces porte-outils et les distribuons dans toute la Suisse. »

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La part d'usinage est de 70 %. Le matériau est un acier au chrome-nickel hautement allié, dont l'usinage est très exigeant en raison de l'usure élevée des outils.

Plaquettes de dégrossissage : durée de vie de 20 cycles de travail

La durée de vie des plaquettes de dégrossissage a pu être augmentée à 20 cycles de traitement grâce aux mesures d’optimisation, permettant ainsi à la machine de produire environ 5 heures sans intervention humaine, comme le dit M. Fetz : « Nous changeons les plaquettes directement sur les porte-outils et recalibrons ensuite les outils. Nous avons défini les durées de vie pour les différents outils. Une plaquette de dégrossissage dure pour 20 pièces, une plaquette de finition pour 50 pièces. Il est judicieux de changer les plaquettes de finition après 40 pièces, toujours en même temps que chaque deuxième changement de plaquettes de dégrossissage. Cela est plus économique que d’arrêter la machine à plusieurs reprises. Ce serait parfait si nous pouvions augmenter la durée de vie des plaquettes de dégrossissage à 25 ou celle des plaquettes de finition à 60 cycles de traitement, nous travaillons encore à l’optimisation. »

Stabilité thermique et précision de base

Une haute précision de répétition est également essentielle pour permettre une production avec peu d’intervention humaine sur plusieurs quarts de travail, comme le dit M. Fetz : « C’est pourquoi nous avons installé des règles en verre sur tous les axes X, cela paie immédiatement dans la production en cours et assure une haute précision de répétition sur la pièce. La gestion thermique de la NT WT-250II MMY convient également pour nos applications, le matin elle est au maximum de 2/100 par rapport à la veille. En général, la NT WT-250II MMY aurait aussi une compensation thermique, mais nous produisons sans cette fonction. Jusqu’à présent, cela fonctionne très bien. Nous pouvons faire fonctionner la machine actuellement pendant 20 x 15 minutes sans mesurer entre les cycles dans la machine. Elle est, à ce jour, 100 pour cent sûre en termes de processus – même pendant le quart de travail sans intervention humaine. »

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Martin Fetz (à gauche) et Andreas Gamper discutent de la stratégie de fabrication pour produire la pièce avec la plus grande sécurité de processus possible.

Gestion des copeaux

Comme mentionné précédemment, la durée de vie des outils est un aspect de la fabrication sans intervention humaine, mais la gestion des copeaux doit également être efficace, comme le dit M. Fetz : « Pour éviter les copeaux filants, nous ajustons les paramètres de coupe de manière à produire des copeaux épais lors du dégrossissage. Plus le copeau est épais, mieux il se brise. Un autre facteur crucial est un stade de guidage des copeaux bien développé sur les arêtes de coupe des outils. Généralement, avec ce matériau, la rupture des copeaux est acceptable, mais cela est loin d’être automatique. »

Automatisation pour 30 pièces brutes et finies

Comme une grande partie des pièces fonctionnant sur cette machine doit être alimentée et évacuée automatiquement en tant que pièces en mandrin, une solution de robot articulé et de palettisation du fabricant Robojob a été choisie. De plus, la machine a été conçue pour la connexion d’un chargeur de barres, afin de pouvoir également produire des composants à partir de barres à l’avenir, qui seront retirés via un robot portique intégré à la machine et dirigés vers l’extérieur sans avoir à ouvrir la machine.

A. Gamper : « Nous collaborons avec le spécialiste de l’automatisation Robojob depuis cinq ans, qui a développé des solutions d’automatisation parfaitement adaptées à de telles exigences flexibles avec un spectre de pièces en mandrin changeant, extrêmement simples à intégrer systématiquement dans les machines Nakamura. Le robot est un robot articulé Fanuc pouvant manipuler 25 kg (pince plus pièces). » Pour rappel : le poids de la pièce brute est de 11 kg, celui de la pièce finie est de 3 kg.

M. Fetz : « La pince est un double préhenseur standardisé, de sorte que le chargement et le déchargement sont réalisés en une seule opération. Actuellement, ce préhenseur nous permet de manipuler toutes les pièces produites. Le magasin de pièces, situé à la tête de la machine, a été conçu pour 30 pièces brutes et finies, soit 10 pièces de plus que ce qui est actuellement produit en série. Avec un temps de cycle de 15 minutes, la cellule de production NT WT-250II MMY peut fonctionner les trois quarts d’un quart de travail sans surveillance. Le système est sécurisé par une barrière laser adaptative à trois niveaux. »

RoboJob Tower ESSENTIAL / ADVANCED

Automatisation, Manutention des palettes

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Non mentionné dans le texte principal : la force de serrage des mandrins peut être automatiquement ajustée aux forces d'usinage, ce qui se traduit par une haute précision sur la pièce lors du finissage.

Changement vers un nouveau spectre de pièces en moins de 30 minutes

A. Gamper : « Ce type d’automatisation est actuellement très demandé en raison de sa flexibilité et de son interface extrêmement intuitive, particulièrement par les sous-traitants avec un spectre de commandes constamment changeant. Le contrôle du robot indique où et comment équiper le système de palettes, il guide l’opérateur étape par étape. »

M. Fetz : « Nous avons différentes solutions d’automatisation en production. Le système Robojob, par rapport à d’autres systèmes, rend le changement d’une pièce à l’autre effectivement extrêmement simple, il est absolument auto-explicatif. Actuellement, nous avons besoin de 30 minutes pour passer à un autre spectre de pièces. »

A. Gamper : « En parlant de flexibilité : pendant le processus de production en cours, par exemple, il est possible de faire mesurer la pièce avant que le robot ne la saisisse, cela peut être facilement contrôlé manuellement pendant le processus. Cela est possible grâce à la fonction dite G-411-Jump. Pour l’opérateur, cette fonction G est extrêmement utile. La machine dicte pratiquement ce qui se passe, le robot y réagit. »

Contrôle et opération comme faire du vélo

Concernant le contrôle Fanuc, M. Fetz dit : « Utiliser les contrôles Nakamura est pour nous comme faire du vélo. Nous avons acheté notre première Nakamura il y a 25 ans. Nous connaissons les machines et leurs contrôles sur le bout des doigts. Les pièces sont toujours programmées sur le système CAM, le programme NC est ensuite transféré à la machine via un post-processeur et y est optimisé par l’opérateur de la machine. »

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Martin Fetz (directeur de production, BC-TECH SA) : « Sans la bonne machine, cette stabilité du processus n'aurait pas été possible. »

Quand les guidages plats sont-ils avantageux ?

Interrogé par SMM sur si les guidages plats sont généralement préférables, M. Fetz répond : « Cela dépend toujours du spectre de pièces. Les machines-outils à roulements ont d’autres forces, elles peuvent être conduites de manière très dynamique. Mais ce n’était pas la demande ici. La machine doit avant tout correspondre au spectre de pièces. Dans ce cas, nous avons un matériau difficile à usiner, un grand volume de copeaux et nous voulions automatiser le processus. Pour cette application, une machine-outil à guidage plat est clairement le premier choix. Et d’après nos premières expériences, nous sommes absolument ravis de la solution de fabrication complète, y compris la solution d’automatisation. Walter Meier (Solutions pour l’usinage) SA a développé avec nous une cellule de fabrication sur mesure. C’était vraiment exemplaire. »

Et à propos du service, M. Fetz dit : « Nous avons 18 Nakamura-Tome en production et venons juste d’en intégrer une nouvelle. Cela est également dû au fait que les spécialistes du service de Walter Meier (Solutions pour l’usinage) SA font vraiment du bon travail. »

Auteur

Matthias Böhm

Rédacteur en chef SMM

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