Obtenez une prise sur cinq

May 09, 2023

Il y a plus d'une façon de tenir une pièce : tout autour, en dessous ou sur le dessus

Les avantages l'emportent facilement sur les inconvénients lorsqu'il s'agit de choisir l'usinage cinq axes des pièces. Certaines parties sont complexes et petites, tandis que d'autres sont grandes et complexes, et la plupart sont difficiles à tenir. Les configurations doivent tenir dans une enveloppe de machine avec des dégagements suffisants pour la broche, la pièce et le serrage.

L'usinage cinq axes ouvre de nouvelles opportunités commerciales dans l'usinage de pièces pour l'aérospatiale/défense, l'automobile, le médical, l'énergie et l'ingénierie générale. Mais c'est dans la productivité des opérations et de l'usinage que l'usinage cinq axes brille vraiment. La technologie améliore les processus et le débit, d'une manière additionnée par soustraction. L'ajout d'une machine-outil polyvalente peut éliminer les machines moins performantes, réduire le nombre de configurations et augmenter la précision en minimisant les sources d'erreur, humaines et autres.

Alors, les cinq axes sont-ils pour tout le monde ? Est-ce bon pour votre boutique ? Peut être. Mais il faut une analyse systématique du comment et du pourquoi du maintien du travail pour prendre une décision éclairée. Voici comment certains fournisseurs de premier plan suggèrent aux magasins de procéder.

À l'heure actuelle, presque tout le monde a entendu parler de l'usinage cinq axes, mais vous n'êtes probablement pas familier avec tous les problèmes et complications qui accompagnent cette technologie d'usinage hautement productive. Cette connaissance ne vient que de l'expérience pratique et des conditions inhérentes au processus, selon John Zaya, spécialiste technique, BIG Daishowa Inc., Hoffman Estates, Ill.

Les étapes de Zaya pour la conception et la mise en œuvre réussies du serrage à cinq axes comprennent :

"Tout d'abord, j'essaie de comprendre la taille et la masse des pièces et des accessoires qui sont manipulés", a expliqué Zaya. "La masse et la quantité de mouvement d'une pièce mobile peuvent être une variable majeure affectant la stabilité du système.

« Les considérations suivantes sont le type de machine, la taille de la table et les différentes exigences de montage pour le serrage. Il y a une grande différence entre une machine de type portique où la pièce est immobile sur le sol ou sur la table et la machine entière se déplace autour de la pièce », a poursuivi Zaya. "C'est très différent par rapport à une machine à tourillon avec une broche verticale ou horizontale où le tourillon tourne et fait pivoter toute la table, [où] le montage et la pièce se déplacent dans un mouvement très dynamique. L'élan et les charges qui en résultent doivent être absorbés à la fois par la machine et par le serrage pour empêcher la pièce de bouger."

Les types d'opérations de coupe effectuées doivent également être pris en compte, a déclaré Zaya. Cela inclut la taille de perçage, le fraisage (finition légère, ébauche lourde ou les deux), le filetage (taraudage ou fraisage de filets) et l'alésage (ébauche lourde, finition légère ou les deux). Les charges de coupe, la direction dans laquelle les charges sont appliquées et la position à laquelle elles sont appliquées sont tous des facteurs dans le dimensionnement approprié du système de serrage, a-t-il ajouté.

"Avec la plupart des centres d'usinage horizontaux et verticaux, les charges sont généralement alignées sur l'axe de l'outil de coupe ou peuvent être absorbées par la machine. Cependant, lorsqu'il s'agit de machines à cinq axes ou de serrage, il y a beaucoup plus de flexibilité quant à la direction dans laquelle les opérations de coupe se produisent", a noté Zaya. Par exemple, dit-il, le perçage et le taraudage de trous dans un simple bloc impliquent des charges de coupe axiales qui sont toutes alignées avec la broche contre une face plane qui est supportée par une table.

« Dans une machine verticale, il n'y a pas de problème. Dans une machine horizontale, même si la pièce est en porte-à-faux sur le côté de la pierre tombale, vous pouvez généralement résister aux mouvements de coupe qu'une telle charge axiale peut générer », a expliqué Zaya. "Avec une machine à cinq axes, la même charge axiale pourrait être appliquée à 30°, 45° ou à n'importe quel angle."

Les serrages conventionnels, tels que les étaux ou les fixations, ont tous un problème de base, le dégagement, qui doit être résolu pour l'usinage à cinq axes.

"Ils créent généralement des obstructions quelconques qui empêchent l'outil de coupe d'atteindre une caractéristique ou une face de la pièce", a déclaré Zaya. "Les étaux à cinq axes minimisent généralement cela avec un bord de serrage à profil bas de 3 mm et des empreintes compactes. Les fixations peuvent être conçues pour permettre un accès complet à cinq des six faces d'une pièce prismatique, mais cela signifie que vous avez besoin d'une fixation pour chaque pièce ou famille de pièces. L'autre dégagement majeur qui doit être pris en compte est le logement de la broche sur la table. Avec des tables capables d'incliner jusqu'à 90o ou plus, cela crée une zone d'interférence qui ne peut pas être négligée."

Le système UNILOCK 5-Axis Zero Point de BIG Daishowa est conçu pour fournir des solutions à ces exigences de processus à cinq axes. La principale considération que le produit résout est le dégagement de la broche de la machine par rapport à la table, selon Zaya, qui a noté qu'il peut être dimensionné pour correspondre à la taille et au poids de la pièce.

Trois tailles de boutons (System25, System40 et System68), chacune pouvant gérer des quantités croissantes de charge de poids, d'élan et de charges de coupe, sont proposées. Par exemple, le UNILOCK 5-Axis System40 est capable de supporter des charges latérales de 13 à 28 kN (1 325 à 2 855 kg) par pile. L'ajout de plusieurs piles sous la pièce ne fait qu'augmenter la capacité de charge latérale.

Le système de serrage applique également une force de retenue de 11 kN (1 122 kg) par bouton de serrage et, combiné à de grandes fixations de haute qualité, assure un maintien très rigide de la pièce. L'accès à toutes les faces passe par l'utilisation de réductions qui passent de 80 mm à 50 mm, ce qui permet à la machine d'avoir un jeu pour couper toute la face de la pièce et, si nécessaire, couper dans la réduction car elles sont proposées à la fois à l'état durci et mou.

Le système est modulaire et peut être empilé dans diverses combinaisons pour s'adapter à la pièce, au montage et à la machine selon les besoins. Les bases sont disponibles en trois types avec différents profils de base et trois hauteurs : 75, 100 et 125 mm. Les extensions sont également proposées dans les tailles 75, 100 et 125 mm, tandis que les réductions sont disponibles dans les hauteurs 25, 50 et 75 mm. Des modèles CAO sont disponibles.

"Avec tout système de serrage, la répétabilité des composants modulaires est essentielle", a souligné Zaya. "Le palpage de pièce est toujours une option à laquelle de nombreux utilisateurs renoncent, affirmant qu'il s'agit d'une opération sans coupe et n'a donc aucune valeur. Dans ces situations, ils comptent sur le système pour avoir la répétabilité, ou forcent la personne chargée de la configuration à indiquer la pièce."

Zaya pense que le sondage doit toujours être utilisé même avec des montages précis. Le système UNILOCK a une répétabilité de 5 µm qui, lorsqu'il est combiné avec un palpage de pièce, permet un chargement et une localisation précis et reproductibles.

Commencer à concevoir une solution de serrage pour les centres de travail à cinq axes commence par analyser la faisabilité du travail, selon Colin Frost, directeur de l'exploitation de Carr Lane Manufacturing Co., basée à St. Louis. Il a noté qu'il y a un certain nombre d'éléments à considérer, notamment :

"Comme le centre de travail à cinq axes est susceptible d'être la pièce d'équipement la plus coûteuse d'une opération", a déclaré Frost, "une attention particulière doit être accordée au serrage, en particulier s'il nécessite une préparation de la pièce, comme l'usinage d'une queue d'aronde ou" l'impression ", car ces opérations contiennent des coûts. Une fois qu'il est déterminé que la fabrication de la pièce à l'aide du centre de travail à cinq axes entraînera une réduction des coûts, alors seulement le travail devrait se poursuivre. "

Carr Lane propose une variété de produits conçus pour les centres de travail à cinq axes, y compris des versions mécaniques et motorisées pour la production de petites à grandes quantités et tout, des systèmes à point zéro aux pinces et étaux à profil bas.

Les étaux, fabriqués en Allemagne par Roemheld, présentent une construction entièrement en acier, contrairement à la plupart des autres étaux à cinq axes sur le marché. "L'acier, dans cette application, est beaucoup plus rigide que l'aluminium", a expliqué Frost. "Cela facilite non seulement la possibilité d'élever la pièce plus loin de la table, mais se traduira par des cycles d'usinage plus courts où plus de matière peut être enlevée sans broutage, mauvaise finition de surface ou bris d'outil."

De nombreux produits de Carr Lane sont modulaires, tels que la solution Drop Zero Mechanical Zero Point, et plus loin avec la gamme de produits CL5 qui comprend des contremarches, des étaux et des plaques. Ils peuvent être construits sur un logiciel de modèle CAO téléchargeable et prouvés par simulation. Des jumeaux numériques existent pour tous les produits CLM sur carrlane.com.

Selon Frost, il existe trois considérations principales pour les configurations à cinq axes qui sont différentes du serrage traditionnel. Le premier facteur, a-t-il dit, est-ce que le serrage soulève suffisamment la pièce de la table pour permettre l'accès à la pièce par la broche ?

Deuxièmement, la zone où le serrage entre en contact avec la pièce ne peut pas être usinée. Cela a-t-il un impact sur le produit ? Si oui, quelles autres décisions seront prises pour résoudre ce problème ?

La troisième question, a noté Frost, est la suivante : l'opérateur peut-il positionner la pièce de manière appropriée à plusieurs reprises ? "Contrairement aux centres de travail traditionnels, les centres de travail à cinq axes utilisent généralement le centre de la table comme origine ou point 0. L'alignement du centre de la pièce sur le centre de la table élimine le gaspillage de matériau surdimensionné, le palpage de la pièce, ou les deux. Chacun de ces éléments augmente le coût", a-t-il souligné.

Les centres de travail se présentent sous deux configurations très différentes : les machines à tourillon et à portique. "Les machines avec des tables à tourillons ou des tourillons rotatifs ont généralement une enveloppe d'usinage beaucoup plus petite qu'une machine de type portique", a déclaré Frost. "Cela est particulièrement vrai si la machine de type portique a une tête rotative. Les étaux sont une solution courante pour un serrage flexible des pièces dans les machines de type tourillon."

Les travaux susceptibles de se répéter bénéficient généralement de manière significative de la création d'un montage simple. « Qu'est-ce, après tout, qu'un étau sinon une pince se déplaçant contre une butée fixe ? Frost réfléchit. « Les machines de type portique, généralement utilisées avec de très grandes pièces, ont besoin d'une solution différente car un étau devrait être énorme. Pour ces grands centres de travail, Drop Zero de Carr Lane est une solution de serrage manuelle modulaire conçue pour fournir un accès complet aux cinq côtés de la pièce sans aucune interférence de serrage », a déclaré Frost.

Une autre considération importante pour le serrage à cinq axes est son évolutivité pour l'automatisation. "Même avec une solution de montage à changement rapide, toute opportunité d'automatiser le chargement/déchargement du centre de travail est une opportunité significative de contrôler les coûts (et d'augmenter la rentabilité) et d'augmenter le débit", a déclaré Frost.

"L'achat d'un écosystème de produits, tels que des contremarches, des sous-plaques à changement rapide et des étaux qui ne sont proposés que dans une opération mécanique, nécessitera le rachat de serrages pour prendre en charge l'automatisation", a poursuivi Frost. "Les étaux et les pinces CLM sont disponibles en versions mécaniques et motorisées (prêtes pour l'automatisation). Certains, comme la nouvelle famille Pivoting Edge Clamp, peuvent être mis à niveau vers une motorisation sans changer le serrage. Et comme tous les étaux à cinq axes Roemheld sont disponibles en versions motorisées de la même taille, il n'est pas nécessaire de refaire les mâchoires de l'étau, ni même de changer les sous-plaques ou les contremarches."

"Généralement, les clients achètent en fonction de la pièce d'aujourd'hui. Ce que nous disons aux clients, c'est d'essayer de mettre autant de flexibilité dans leur application pour le jour où une pièce part ou une autre pièce ou famille de pièces arrive", a déclaré Larry Robbins, président de la division commerciale, SMW Autoblok, Wheeling, Ill.

« Par rapport à l'usinage conventionnel à trois axes, l'usinage à cinq axes est plus rapide, plus précis et adapté à une application spécifique. Les solutions de serrage prêtes à l'emploi sont suffisantes pour probablement 50 à 60 % des applications. Là où les partenaires de serrage comme nous brillent, c'est la conception de solutions de serrage flexibles qui maximisent la production du centre de travail, qu'il s'agisse d'une machine à portique ou à tourillon », a déclaré Robbins.

Trouver la bonne solution de serrage dépend de la configuration de la pièce et de la configuration de la machine. Pour les machines de type portique, la hauteur Z et la taille de la table sont la limite pour le dégagement des pièces et des outils, selon Robbins. Avec une machine à tourillon à cinq axes, a-t-il noté, les utilisateurs doivent se préoccuper de "l'outillage et du dégagement des pièces et de la capacité du porte-pièce et du tourillon à tourner complètement sans heurter une intrusion ou la machine elle-même".

Lorsque vous regardez une machine à portique à cinq axes, il s'agit d'une machine verticale avec une pièce fixe. La machine horizontale présente un ensemble de défis différent pour l'usinage à cinq axes où une pièce est maintenue sur une pierre tombale ou posée à plat sur une table sur un système de changement rapide palettisé comme le système de positionnement de pièce WPS/APS de SMW Autoblok. Le système APS comprend un système de serrage manuel du point zéro qui est utilisé dans une variété d'applications d'usinage, y compris les opérations de tournage, de fraisage, d'inspection et de finition.

"Pour les applications d'usinage à cinq axes, le système de positionnement manuel des pièces WPS et WPS-PPD est flexible et facile à utiliser", a déclaré Robbins, ajoutant qu'il permet de réduire jusqu'à 90 % le temps de configuration sans nécessiter de dispositifs de serrage conventionnels. Il offre également une plus grande accessibilité à la machine avec une gamme d'accessoires et d'adaptateurs sans interférer avec les machines ou les contours.

SMW Autoblok propose une large gamme de systèmes de serrage, depuis une configuration entièrement hydraulique ou pneumatique jusqu'à une application de serrage manuel. Les nouveaux étaux mécaniques, hydrauliques et pneumatiques de la société pour le serrage stationnaire sont "entièrement configurables sur le terrain", a déclaré Robbins, ajoutant qu'ils comprennent l'étau IMG, les étaux Sintex et l'étau SP52G, ainsi que des étaux pneumatiques et hydrauliques.

"Le système SP5 2G nous donne la possibilité de mettre des broches dans une pièce, un étau ou un montage et de monter ces pièces sur et hors de différentes machines encore et encore avec la même configuration de base dans les 5 dixièmes de l'endroit où vous étiez pièce à pièce, machine à machine ", a déclaré Robbins. "Nous avons également des pinces de maintien de type forme qui vous permettent de prendre un matériau de type collet, de le monter sur une base qui vous donne une répétabilité de position et d'usiner le composant dans une mâchoire à tarte. C'est presque comme si vous prépariez votre machine pour capturer la pièce sur trois côtés afin que vous n'ayez pas à vous soucier du retournement, sauf pour votre quatrième côté.

« En raison de la conception d'un étau à cinq axes, vous ne saisissez jamais une pièce comme un étau standard. Vous serrez sur les côtés et vous retournez une pièce de l'autre côté ou vous passez à une configuration différente. Avec un étau à cinq axes dans le système, nous utilisons quelque chose appelé SinterGrip dans nos mâchoires, qui est un insert breveté qui s'adapte à la mâchoire pour notre serrage et celui de nos concurrents. .

Les séries d'étaux SINTEX 100 et 125 de SMW Autoblok offrent des plages de serrage de 155 à 250 mm et incluent la technologie d'insert SinterGrip haut de gamme de l'entreprise offrant une plage de serrage de 3,5 mm (par rapport à la norme de 30 mm pour les autres modèles de l'industrie) et sans queue d'aronde ni pré-usinage de la pièce. À IMTS, SMW Autoblok présentera sa nouvelle gamme de mandrins, pinces et étaux à commande électronique pour automatiser entièrement les processus de fabrication.

Selon Braden Damman, ingénieur d'applications, Vektek LLC., Emporia, Kansas, la conception d'une solution de serrage à cinq axes commence par la collecte d'informations sur le type de pièce, ses caractéristiques critiques et les problèmes d'outillage. Les étapes suivantes consistent à déterminer le processus prévu en ce qui concerne le chargement par l'opérateur ou le chargement d'une palette ou d'une table par un robot, en connaissant la taille de l'enveloppe d'usinage et le nombre de pièces à charger et à décharger.

"La différence entre les applications de serrage conventionnelles et à cinq axes dépend de la manière dont les pièces seront maintenues rigidement pour un usinage précis à cinq axes", a déclaré Damman. "Dans une application à cinq axes, l'objectif est de réduire autant d'opérations que possible. Cela peut nécessiter de modifier le principe conventionnel des trois sièges pour serrer la pièce d'une manière différente afin d'atteindre le plus de fonctions possible.

« La méthode de fixation 3-2-1 nécessite trois points pour définir le plan d'emplacement de la pièce. Lors de l'usinage, une pièce nécessite souvent un support supplémentaire dans le plan Z. Un support flottant, tel qu'un support de travail TuffGrip, fournit une solution qui peut être utilisée partout où un vérin à vis est utilisé. Dans les applications où la distorsion de la pièce, le broutage, la sonnerie ou la mauvaise finition de surface sont le résultat du mouvement ou des vibrations de la pièce, un support de travail peut réduire ou éliminer le problème », a expliqué Damman.

Le dégagement est un problème majeur pour les deux styles de poste de travail différents. Les pinces pivotantes TuffCam et les supports de travail TuffGrip de Vektek, par exemple, offrent des solutions pour répondre aux exigences de dégagement dans les machines à tourillon et à portique. "Beaucoup de ces aspects sont réalisés par les concepteurs, mais nous les aidons à démarrer dans la bonne direction. Les machines de type portique généralement destinées aux pièces plus grandes nécessitent un serrage effectué par un support de travail pour réduire les vibrations. Les centres de travail à tourillon impliquent des pièces plus petites et le mouvement dynamique de la pièce montée sur tourillon doit être pris en compte."

Damman a expliqué que les produits de serrage Vektek sont universels, ce qui signifie qu'ils sont spécifiques à l'application d'usinage de pièces. Vektek propose également des pinces plus petites qui se prêtent aux applications à cinq axes.

"Les vérins de traction peuvent être associés à une pince de type coin ou à un mandrin élargi ou à quelque chose qui se trouverait sous la pièce", a déclaré Damman. "Nous avons également des pinces de maintien excentriques et concentriques qui sont conçues pour serrer à l'intérieur d'un trou plus petit. Elles sont très pratiques pour l'usinage de type cinq axes car vous serrez sous la pièce et maintenant tous les côtés peuvent être usinés ainsi que le côté supérieur", a-t-il déclaré.

Tous les modèles CAO de Vektek sont spécifiques à un numéro de modèle et tous sont téléchargeables à partir de son site Web. Les formats CAO incluent STEP, IGES, SolidWorks, Creo/ProEngineer PRT, DWG, DXF et les mises en page pdf qui donnent les dimensions de la pièce.

Pour concevoir une solution de serrage à cinq axes efficace, il est essentiel de comprendre le déroulement du processus dans le centre de travail, qu'il s'agisse d'un serrage automatisé ou de précision, selon Damman. "Si c'est le cas, des systèmes d'alimentation supplémentaires pourraient être nécessaires, tels que des pompes hydrauliques à haute pression et basse pression à la demande ou, côté machine, des codes M supplémentaires ou une programmation PLC nécessaire pour le cycle de serrage automatisé."

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