VMC : de combien de haches avez-vous vraiment besoin ?

Sep 21, 2023

Le centre d'usinage vertical (VMC) à trois axes est depuis longtemps la machine-outil de choix pour de nombreux ateliers de petite et moyenne taille. Leur utilisation est bien connue. Par rapport aux machines plus complexes, il est plus facile de trouver des opérateurs pour les machines à trois axes. La programmation, la configuration et la maintenance sont également plus faciles. Peut-être que le meilleur de tous pour les magasins à court d'argent est le fait que les fraiseuses VMC à trois axes de bonne qualité et relativement abordables sont abondantes, bien plus que leurs cousines horizontales et à cinq axes.

Et pourtant, compte tenu de la popularité croissante des centres d'usinage à cinq axes, il semble qu'ils représenteront bientôt la nouvelle bête de somme dans de nombreux ateliers. Après tout, qui veut se contenter de fraiser et de percer le haut d'une pièce lorsque cinq axes permettent aux fabricants d'usiner tout sauf la surface de positionnement inférieure ? Pourquoi ne pas éviter autant que possible les opérations multiples et l'investissement en serrage que cela implique ? Et pourquoi ne pas réduire les délais et les travaux en cours (WIP) tout en augmentant la rentabilité ?

Ce sont toutes d'excellentes questions. Faites le calcul, puis ajoutez la plus grande facilité d'utilisation et la baisse des coûts des machines-outils à cinq axes, et les fabricants se retrouvent avec une autre question : le VMC à trois axes va-t-il dans le sens des machines à vis mécaniques et des embouts d'outils rectifiés à la main ? C'est peu probable.

Même le fan à cinq axes le plus ardent admettra que les fraiseuses CNC à trois axes ont leur place, et bien que les deux puissent avoir besoin de partager le même trône, aucun n'en sera renversé de si tôt. L'un de ces fans est Michael Cope, spécialiste technique des produits chez Hurco Companies Inc., Indianapolis, qui a même eu l'audace d'écrire un livre sur le sujet. "Les avantages des centres d'usinage à cinq axes sont assez évidents, et en ajouter un à n'importe quel atelier serait une excellente décision, mais les machines à trois axes ont également des avantages", a-t-il déclaré.

Cope a noté que de nombreuses configurations de machines à cinq axes ont des tables plus petites, généralement des « plateaux » ronds qui limitent la taille de la pièce ainsi que la quantité qui peut être produite dans un cycle d'usinage. Cela rend également le chouchou de la plupart des départements de fraisage - l'étau de machiniste de 6 "- indésirable, sans parler des deux ou plus que l'on trouve sur un VMC typique de 20 x 40" (508 x 1 016 mm). Le revers de la médaille est que le serrage à cinq axes est désormais facilement disponible, et s'éloigner de la mentalité d'étau du machiniste oblige les ateliers à évaluer de nouvelles façons de maintenir les pièces, inspirant des approches créatives pour le serrage des pièces.

Les cinq axes inspirent également des moyens plus créatifs et productifs pour usiner ces pièces. Cela est particulièrement vrai pour la fabrication de moules, a déclaré Cope, où la possibilité d'incliner la broche lors du fraisage de cavités profondes permet l'utilisation d'outils plus courts et de fraises à segments circulaires, alias fraises à barillets. Cela produit à son tour une configuration plus rigide, avec des vitesses d'avance plus rapides, des coupes plus profondes, une plus grande durée de vie de l'outil, moins de broutage et moins de problèmes de finition de surface et de précision des pièces qui découlent de l'outillage long et maigre nécessaire sur les fraiseuses CNC à trois axes.

Des avantages similaires s'appliquent à ceux qui effectuent des travaux autres que la fabrication de moules. "Les ateliers de travail traditionnels commencent à s'éloigner des machines à trois axes, non pas tant à cause de la complexité des pièces, mais parce qu'ils doivent augmenter l'efficacité et le débit de l'atelier", a déclaré Cope. « Ils ont commencé à se rendre compte qu'une machine à cinq axes leur permet de réduire les configurations et d'augmenter potentiellement la précision des pièces, car plusieurs côtés peuvent être usinés en une seule opération. Ils peuvent réagir plus rapidement aux besoins changeants de leurs clients, et comme le fait d'avoir une machine à cinq axes leur permet de rechercher et de citer des travaux qu'ils ne pourraient pas produire autrement, cela augmente le potentiel de croissance de leur atelier.

Cope soutient, cependant, que le coût initial plus élevé d'un VMC à cinq axes est un obstacle pour de nombreux petits magasins ou ceux qui viennent de démarrer. Ajoutez à cela le fait que certaines pièces ne tiennent tout simplement pas sur la petite table d'une machine à cinq axes, ou qu'il n'est pas logique d'en utiliser une pour de simples travaux de "perçage de quelques trous" et des opérations secondaires, et cela conduit à une conclusion incontournable : les VMC traditionnels à trois axes ne vont pas disparaître de si tôt.

Mike Kerscher, spécialiste technique et des applications chez Mazak Corp., Florence, Ky., est d'accord. "Les verticales à trois axes restent le pain quotidien pour la plupart des fabricants, en particulier pour les ateliers et ceux qui usinent une grande variété de pièces", a-t-il déclaré. "Et même pour les applications à volume élevé, il est souvent plus logique d'en inclure une dans une configuration cellulaire ou automatisée. C'est pourquoi les machines à cinq axes, bien que de plus en plus populaires, représentent toujours la minorité des ventes de machines-outils."

Une grande partie de cela est due à la plus grande familiarité de l'industrie avec les fraiseuses à trois axes, a ajouté Kerscher. Pour ceux d'entre nous qui ont commencé leur carrière dans l'usinage en manivant les poignées d'une fraise à genouillère manuelle, le saut vers son homologue CNC est facile. "Ils sont plus faciles à programmer et à exploiter, ce qui est très important compte tenu de la pénurie actuelle de main-d'œuvre qualifiée", a-t-il déclaré. "Vous pouvez regarder un dessin et visualiser comment la pièce va s'asseoir sur la table, avec l'axe Z se déplaçant de haut en bas et la fraise tournant autour et au-dessus de la pièce. Ce seul facteur facilite le travail sur [une machine à trois axes]."

Comparez ce scénario à l'usinage à cinq axes, où l'opérateur est confronté à deux axes rotatifs et trois axes linéaires. Ici, une inadéquation entre deux trous qui se croisent, une position réelle légèrement décalée et deux surfaces perpendiculaires qui ne sont pas tout à fait carrées peuvent être des événements casse-tête que seul un machiniste, un programmeur ou un technicien de maintenance qualifié est capable de résoudre.

"Quelqu'un qui configure une verticale à trois axes peut utiliser un wiggler ou un détecteur de bord pour détecter l'emplacement d'une pièce", a déclaré Kerscher. « Sur une machine à cinq axes, ils auront plus que probablement besoin d'un palpeur, et très probablement d'un de ces dispositifs à billes sphériques de Renishaw ou d'un autre fournisseur pour déterminer les axes de rotation. Cela ne veut pas dire que c'est terriblement difficile, mais c'est certainement une progression des compétences qui doit être prise en compte lors de l'investissement dans une nouvelle machine ou de l'embauche d'un opérateur.

La bonne nouvelle est que le fonctionnement des centres d'usinage à cinq axes devient de plus en plus facile. C'est selon Errol Burrell, spécialiste des produits de centre d'usinage pour Okuma America Corp., Charlotte, Caroline du Nord, qui peut se prévaloir de 25 ans d'expérience cinq axes. Non seulement les systèmes de FAO deviennent plus "conviviaux pour les cinq" qu'ils ne l'étaient auparavant, a-t-il déclaré, mais les constructeurs de machines-outils ont introduit des systèmes d'étalonnage automatique qui éliminent une grande partie des conjectures décrites précédemment.

"Lorsque j'ai découvert les machines à cinq axes pour la première fois, il fallait pratiquement un diplôme du MIT pour en configurer une", a-t-il déclaré. "Vous deviez connaître l'emplacement des points de pivot rotatif et la surface constante, qui est votre table, et la ligne de jauge de broche, les longueurs d'outil, et toutes ces valeurs devaient être prises en compte lorsque vous avez généré le programme. Ce n'est pas le cas maintenant avec l'invention de ce qu'Okuma appelle le contrôle du point central de l'outil, ou TCPC. "

Burrell a expliqué que chaque constructeur de machines a sa propre version de TCPC, mais tous font la même chose : faciliter la détermination du centre de rotation de la pièce. La plupart offrent également des fonctionnalités similaires au décalage dynamique des appareils d'Okuma, à l'autoréglage sur cinq axes, au contrôle de la posture, etc., qui éliminent tous les tracas des cinq axes. "Nous ne nous soucions plus de tout ce que nous devions gérer car tout est calculé automatiquement en arrière-plan, soit dans la commande de la machine, soit dans le système FAO. C'est beaucoup plus simple qu'auparavant."

L'investissement dans une nouvelle machine-outil n'est pas une condition préalable à l'usinage cinq axes. Burrell et plusieurs autres personnes interrogées pour cet article ont noté que de nombreux ateliers se mouillent les pieds en achetant d'abord une table rotative pour un travail à quatre axes, ou une table rotative inclinable de style tourillon pour un usinage simultané à 3 + 2 et cinq axes. Et bien que ce soit une bonne solution pour certaines applications, cela présente quelques mises en garde.

La première est que toutes les subtilités à cinq axes que nous venons de mentionner n'existent pas sur un VMC à trois axes. Et même si leur manque n'oblige pas l'opérateur à avoir la formation MIT des débuts de Burrell, ne pas les avoir rendra la configuration et le dépannage plus difficiles, suffisamment pour qu'il soit peu probable qu'il soit en concurrence avec un véritable atelier à cinq axes.

Le second est la longueur de l'outil. Étant donné qu'une table à tourillon typique peut mesurer 14" (35,56 cm) ou plus de hauteur, les 20" (50,8 cm) environ de déplacement de l'axe Z courants sur de nombreuses fraiseuses verticales sont rapidement consommés. En termes simples, installer une table inclinable et rotative sur la plupart des VMC, c'est comme mettre un détecteur de poisson et un moteur de pêche à la traîne sur un vieux Crestliner - vous pourriez attraper quelques merdes, mais ce ne sera jamais le Bass Cat que vous espériez. "Les tables rotatives et les tourillons sont limités, mais si vous n'avez pas d'argent ou si vos besoins sont minimes, c'est toujours un bon moyen de vous familiariser avec l'usinage à quatre et cinq axes."

Thomas Saur, vice-président des produits FANUC America chez Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., a suggéré que le passage de l'usinage à trois axes à quatre ou cinq axes est comme une marée haute déferlant sur le rivage, ajoutant que nombre de ses clients investissent dans l'un des centres d'usinage RoboDrill à trois axes de FANUC une année et ajoutent une table à quatre ou cinq axes l'année suivante. Et parce que les machines sont conçues pour une telle transition, les limitations mentionnées ci-dessus ne s'appliquent pas. De plus, ces clients ajoutent souvent une des solutions d'automatisation de l'entreprise en même temps.

Cependant, quelle que soit la marque ou le modèle de machine-outil, Saur convient que l'usinage cinq axes nécessite un investissement technologique et humain plus important. "Vous avez absolument besoin de personnes qualifiées", a-t-il déclaré. "Vous avez besoin du bon système de programmation, des bons porte-pièces et des bons accessoires de machine, et vous devriez probablement avoir une sorte de logiciel de simulation de trajectoire d'outil en raison du plus grand potentiel de crash des cinq axes. Mais si vous faites toutes ces choses correctement, c'est un excellent moyen de réduire WIP, d'améliorer la qualité des pièces et d'ouvrir la porte à de nouvelles opportunités. "

Saur a raconté une histoire de Command Technology, un magasin du Maryland, qui a fait un tel investissement. En installant un robot capable de changer les palettes et les porte-outils, l'atelier peut désormais gérer jusqu'à 60 numéros de pièces uniques sans surveillance, même ceux qui sont nouveaux pour l'entreprise. "Ces gars sont parmi les meilleurs de l'industrie, mais cela montre ce qui est possible", a-t-il déclaré. "Ils font confiance à la machine, ils font confiance au système de programmation et ils font confiance aux gens. Cela leur permet de la charger d'ébauches le vendredi après-midi et de revenir aux pièces finies le lundi. C'est un exemple que de nombreux ateliers devraient suivre."

Tony Pekalski, président de YCM Technology (USA) Inc., basée à Carson, en Californie, a déclaré que le succès de tout VMC à cinq axes dépend de plusieurs facteurs, dont beaucoup sont déjà énumérés. Ceux-ci incluent le niveau de compétence de l'opérateur, la quantité et le type de travail disponible pour la machine, les exigences de précision, etc. Cependant, quelque part en haut de cette liste se trouve la quantité de matériau qui doit être retirée de la pièce.

"Pour l'enlèvement de matière lourde, une verticale à trois axes est souvent un meilleur choix, car vous ne pouvez généralement pas exécuter les mêmes vitesses d'avance et profondeurs de coupe sur un tourillon", a-t-il déclaré. « D'un autre côté, vous êtes toujours mieux loti du point de vue de la précision si vous pouvez usiner autant que possible en une seule opération, ce pour quoi les machines à cinq axes sont évidemment meilleures. Ces variables expliquent pourquoi il est important pour tout atelier de s'associer à quelqu'un connaissant tous les types de machines-outils avant d'investir dans une seule.

Pekalski a développé cette déclaration, suggérant qu'un bon fournisseur doit non seulement comprendre les différentes applications des machines-outils à trois, quatre ou cinq axes, mais également comprendre les différentes conceptions disponibles dans chacune. Par exemple, YCM propose cinq styles différents de machines à cinq axes. Ceux-ci comprennent des broyeurs à châssis en C, à pont, à vérin et à portique, chacun équipé d'un tourillon, ainsi que des verticales à double colonne et à portique avec des têtes à deux axes. Un centre d'usinage horizontal de style tourillon est à l'horizon.

Est-ce que ça importe? Oui dit Pekalski. « Aéronautique, automobile, médical, énergie, équipement lourd, il existe tellement de segments de marché différents, chacun avec une grande variété de pièces et de matériaux, qu'il est impossible d'avoir un style de machine qui fonctionne bien pour chacun. C'est pourquoi nous avons une offre si diversifiée, afin d'être compétitifs sur chacun de ces marchés.

Il est important de noter que d'autres constructeurs proposent une diversité de machines-outils similaire, et pour des raisons similaires. Il appartient aux acheteurs de tels équipements de parcourir les innombrables spécifications, études de temps, démonstrations de coupe et conseils avisés des vendeurs pour décider quelle machine correspond le mieux à leurs besoins. Une chose sur laquelle Pekalski et ses collègues sont tous d'accord est la suivante : la plupart des ateliers ont besoin de plusieurs styles et même de marques de machines-outils pour rester compétitifs.

"Il n'y a pas de solution unique, peu importe qui vous êtes", a-t-il déclaré. "Pour les raisons que j'ai évoquées précédemment, certains ateliers vont dégrossir une grande machine cinq axes et finir sur une plus petite. Un grand nombre d'entre eux utilisent cinq axes pour un travail 3+2, ce qui signifie qu'ils peuvent effectuer le même travail sur une fraiseuse trois axes si nécessaire. D'autres se contentent parfaitement d'une rangée entière de machines trois axes, alors que la majorité d'entre eux peuvent probablement utiliser les deux, même s'ils n'ont pas encore pris cette décision. C'est notre travail en tant que constructeurs de machines d'éduquer nos clients, de leur fournir un équipement de haute qualité. et les options d'automatisation, puis les soutenir aussi longtemps qu'ils ont besoin de nous. »

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