Les ateliers qui décident de conquérir de nouveaux marchés sont souvent incités à acquérir de nouveaux équipements d'usinage ou à adopter de nouveaux procédés pour soutenir leurs efforts. Dans le cas de True Die, les progrès réalisés pour diversifier son offre de produits en fabriquant des outils ronds précis pour les applications d'emboutissage profond de tôles l'ont conduit à développer une stratégie efficace pour le tournage dur. L'objectif était de supprimer la rectification des diamètres intérieur et extérieur des outils ronds en poudre métallique trempée (principalement) jusqu'à 64 HRC, ce qui lui permettait d'atteindre des taux d'enlèvement de matière plus élevés tout en égalant les performances de la rectification en termes de concentricité, d'état de surface et de précision dimensionnelle. C'est ce qu'elle a fait depuis, permettant ainsi de réaliser des diamètres et des rayons de tournage dur avec une précision de ± 0,0002 pouce.

En fait, deux des machines récemment ajoutées à l'atelier de Zeeland, dans le Michigan, sont des centres de tournage, principalement destinés au tournage dur. Mitch Stahl, spécialiste technique chez True Die, a dirigé, avec Chris McCleary, coordinateur du tournage, une équipe d'opérateurs chargée d'élaborer la stratégie de tournage dur de l'atelier. En résumé, il explique que l'approche de l'atelier repose sur trois concepts interconnectés : garantir la rigidité globale du processus, utiliser les bons outils de coupe et appliquer les données de coupe appropriées.

Le mot clé ici est interconnecté. M. Stahl soutient que la mise en œuvre d'un ou deux de ces concepts seulement ne serait pas efficace ; tous doivent être traités de manière appropriée pour un tournage dur efficace. « Il est tout aussi important de prêter attention aux petits détails lors de la mise en place d'un tel processus », souligne-t-il.

Vrai mourir, anciennement Contour Tool and Engineering avant son acquisition en 2015, possède une expertise dans la conception, l'usinage et l'assemblage de moules d'injection plastique et d'ensembles d'outils progressifs. L'entreprise dispose d'une gamme diversifiée d'équipements d'usinage dans son usine de 930 m², comprenant des fraiseuses CNC, des centres de tournage, des rectifieuses et des équipements d'électroérosion à fil et par enfonçage.

Brian Brown, président de True Die, affirme que le secteur de l'emboutissage profond représentait pour l'atelier une opportunité de diversification sur un nouveau marché complémentaire à ceux qu'il dessert. « Notre expertise en emboutissage profond nous a positionnés de manière unique comme fournisseur d'outillage, nous permettant de proposer des solutions concrètes et des outils plus performants », explique M. Brown. « Forts de plus de 100 ans d'expérience cumulée dans la conception, le développement et la production d'emboutissages profonds, nous étions bien préparés et maîtrisions parfaitement les exigences spécifiques de ce secteur. »

Au moment de l'acquisition, Contour fabriquait uniquement des moules et des matrices. Le développement d'un partenariat stratégique avec une entreprise d'emboutissage profond a permis à l'atelier, avec deux nouveaux clients, de diversifier ses activités et de bénéficier d'une croissance rapide, de compléter son offre en créant ce que M. Brown appelle son « département de détails », qui fournit des composants individuels pour les outils d'emboutissage profond, nouveaux et existants, ainsi que pour les équipements d'assemblage automatisé. En fait, le travail de détail représente actuellement 50 % du chiffre d'affaires de l'atelier, et l'entreprise a connu une croissance de près de 700 % en deux ans depuis son entrée sur ce marché.

Cet outillage rond est utilisé dans les matrices complexes, progressives et à emboutissage profond, destinées à la fabrication de composants (généralement cylindriques) en tôle (généralement en acier inoxydable), principalement pour des applications automobiles, telles que des composants pour systèmes de carburant, de freinage et d'airbags. « Nous pensions initialement devoir acquérir une rectifieuse cylindrique plus performante pour obtenir les tolérances et les finitions requises pour l'outillage rond », explique M. Brown. « Cependant, fort de son expérience en tournage dur, M. Stahl a suggéré qu'un procédé de tournage dur permettrait d'obtenir la précision requise par les outils et une cadence plus rapide que la rectification grâce à des taux d'enlèvement de matière plus élevés. De plus, nous pourrions également usiner efficacement des profils complexes dans des matériaux trempés, dont le coût de rectification serait prohibitif et nécessiterait éventuellement des opérations de rectification de forme. »

True Die étant un atelier à façon, ses lots d'outillage rond sont de petite taille (variant souvent de une à six pièces) et sa gamme de produits est variée. La longueur des outillages peut atteindre 50 cm et leur diamètre, de 2,5 cm à 30 cm, et de nombreuses versions présentent des rapports longueur/diamètre (L:D) élevés.

L'atelier fabrique principalement des outillages ronds à partir de barres d'alliages métalliques en poudre, composés de particules combinées de divers métaux et éléments d'alliage. La « recette » de poudre métallique est comprimée en barres que l'atelier usine d'abord à l'état tendre ou « cru » avant le traitement thermique, qui lie les particules individuelles pour créer la pièce durcie. Selon l'alliage métallique en poudre, la dureté de l'outillage à l'état cru est pratiquement négligeable et peut être usinée efficacement par des méthodes de tournage conventionnelles. Cependant, après traitement thermique, la dureté de l'outillage peut atteindre 64 HRC. Les aciers en poudre métalliques courants que l'atelier usine sont les CPM 3V, 9V et 10V, ainsi que les M2 et M4.

True Die laisse généralement environ 0,010 à 0,012 pouce de matière supplémentaire après le tournage de l'outillage à l'état pré-trempé, afin de permettre les passes de tournage dur ultérieures. Il peut en rester davantage sur les pièces qui ont tendance à se déformer fortement après le traitement thermique, comme celles présentant un rapport L:D élevé. En cas de gauchissement important, le défi n'est pas tant de respecter les tolérances dimensionnelles, mais plutôt de respecter les tolérances de concentricité strictes. « Il est parfois plus difficile de redresser une pièce déformée que de la mettre à la bonne taille », explique M. Stahl.

Les deux récents centres de tournage True Die achetés pour le tournage dur sont MazakModèles Quick Turn Nexus 250 II avec tourelles à 12 postes (aucune n'étant équipée de postes d'outillage motorisé). La première de ces machines a été achetée en avril 2016 et la seconde plus tard en août de la même année. Elles offrent la rigidité nécessaire à l'atelier pour poser les bases de son processus de tournage dur, explique M. Stahl.

Selon Mike Utter, le représentant du distributeur de machines-outils Machines Addy(Grand Rapids, Michigan), qui a vendu les machines à True Die, leurs systèmes de guidage à rouleaux hybrides MX contribuent grandement à leur rigidité. « Les rouleaux offrent une surface de contact plus importante que les roulements à billes, tout en réduisant les frottements par rapport aux glissières », explique-t-il. « Le système supporte également efficacement les charges lourdes, car les rouleaux présentent une déformation élastique moindre et offrent un amortissement élevé, ce qui prolonge la durée de vie de l'outil. Sa conception en X répartit efficacement la charge dans quatre directions : radiale (sens horaire et antihoraire), radiale inversée et latérale, et réduit les erreurs d'inversion lors des mouvements en virage. » De plus, le moteur de broche intégré utilisé par ces machines offrirait une meilleure concentricité lors de l'usinage sous forte charge que les machines équipées de broches à entraînement par courroie.

M. Stahl affirme qu'il est tout aussi important de prendre en compte le serrage de la pièce et la rigidité de l'outil de coupe lors du tournage dur. Pour remédier à ce problème, l'atelier utilise des pinces de serrage plutôt que des mors afin d'augmenter la surface de contact avec la barre. « De plus, le serrage parallèle est plus facile à réaliser car les pinces de serrage ne soulèvent pas les mors », précise M. Stahl. « Toutes les surfaces de contact doivent également être propres, y compris la pièce, la pince de serrage et le nez de broche. »

True Die utilise le HardingeLe système de pinces à changement rapide FlexC équipe les machines Nexus (ainsi que de nombreux autres centres de tournage de l'atelier), offrant un faux-rond total indiqué (TIR) de 0,0004 pouce. Le FlexC accélère également les temps de réglage et de changement par rapport aux mandrins à mors conventionnels. Ce système comprend un support de broche, des têtes de pinces et une clé manuelle à gâchette permettant d'installer ou de changer manuellement les têtes de pinces lorsque le mandrin de la machine est en position desserrée.

Les têtes de pinces sont constituées de segments en acier trempé assemblés par vulcanisation. L'absence de queue de pince permet aux segments de rester parallèles à la pièce. Le serrage parallèle minimise le recul de la pièce et nécessite moins de force de traction pour obtenir la même capacité de serrage que les pinces classiques. Ce système peut accepter des barres jusqu'à 83 mm de diamètre. Une tête de pince FlexC standard offre une plage de serrage de ± 0,05 mm (inférieure ou supérieure à sa taille nominale) afin de s'adapter aux variations de taille de la barre sans avoir à changer de taille de pince. L'atelier utilise des mandrins standard à trois et six mors pour les pièces de plus de 83 mm de diamètre.

Pour garantir la rigidité de l'outil de coupe, il est essentiel de positionner les fraises à la bonne hauteur du centre de l'outil, explique M. McCleary. « Un décentrage de seulement 0,002 pouce peut provoquer des vibrations et des vibrations », précise-t-il. « De plus, plus le diamètre de la pièce est petit, plus la hauteur du centre de l'outil est importante. » En effet, à distance égale de l'outil par rapport au centre de la pièce, la proportion d'erreurs augmente avec le diamètre de la pièce.

Le dépassement de l'outil et son porte-à-faux par rapport au porte-outil doivent également être minimisés. Généralement, le jeu de l'outil pour le tournage extérieur avec contre-pointe et la profondeur du trou pour l'alésage intérieur sont des facteurs déterminants. « Si le dépassement de l'outil entraîne des vibrations, la première étape consiste à modifier les vitesses et les avances », explique M. McCleary. « L'étape suivante consiste à envisager un autre rayon de nez de plaquette ou une préparation d'arête différente. »

Dans presque tous les cas, True Die utilise des outils de coupe en nitrure de bore cubique (CBN) pour le tournage dur, principalement à partir de SumitomoL'atelier a constaté que le CBN dure plus longtemps que la céramique pour les matériaux très durs, qu'il est plus répétable et qu'il peut être utilisé avec un liquide de refroidissement. En contrepartie, les fraises en CBN coûtent plus cher que la céramique. L'atelier utilise généralement la nuance Sumiboron BNC200 pour les coupes continues et la nuance BNC300 pour les coupes interrompues (environ 25 % de l'outillage rond présente des coupes interrompues). Ces plaquettes sont réputées pour offrir un bon équilibre entre résistance à la fracture et à l'usure, et sont dotées d'un revêtement en nitrure de titane et d'aluminium (TiAlN).

True Die utilise des plaquettes en forme de diamant de 25 à 80 degrés (généralement à géométrie négative) et des rayons de nez compris entre 0,004 et 0,031 pouce. Une plaquette à 55 degrés est couramment utilisée pour le tournage extérieur, avec un rayon de nez de 0,030 pouce pour les opérations d'ébauche et de 0,015 pouce pour la finition. Une plaquette diamantée plus résistante de 80 degrés est utilisée pour les coupes fortement interrompues. Pour les opérations d'alésage, l'atelier utilise généralement une plaquette à 80 degrés à géométrie positive.

M. McCleary explique qu'il faut faire des compromis entre les plaquettes à géométrie négative et positive. « Nous avons constaté que les plaquettes à géométrie négative sont plus résistantes que celles à géométrie positive et peuvent être retournées pour offrir quatre arêtes utilisables », explique-t-il. Cependant, ces plaquettes exercent une pression de coupe plus importante et offrent un jeu plus faible. Une plaquette à géométrie positive coupe plus librement et offre un jeu plus important, mais son arête de coupe est plus fragile.

Concernant les données de coupe, True Die ne dispose pas de valeurs fixes pour chaque application de tournage dur, car elles varient en fonction du type de matériau, de la dureté, du rapport L/D de la pièce, des conditions de coupe, etc. L'atelier peut fonctionner avec une épaisseur minimale de 150 µm pour les coupes fortement interrompues dans les matériaux très durs, et maximale de 550 µm pour les matériaux plus doux avec une dureté modérée.

M. Stahl indique que la profondeur de coupe (DOC) typique utilisée par l'atelier pour les opérations de finition est de 0,003 à 0,004 pouce, même si les représentants des outils de coupe suggèrent que la DOC devrait être au moins égale au rayon du bec de l'outil. Cependant, True Die a constaté que, dans certains cas, par exemple lorsque le rapport L:D de la pièce est supérieur à 20:1, la pression exercée par une coupe plus profonde entraînerait une déflexion excessive de la pièce et l'empêcherait souvent de respecter les tolérances. Cette pression peut même exercer des contraintes sur la pièce, provoquant son gauchissement.

En laissant entre 0,010 et 0,012 pouce de matière à enlever après le traitement thermique, il est possible d'effectuer trois passes de tournage dur avec un DOC identique de 0,003 ou 0,004 pouce environ. Ainsi, la pression de l'outil est identique à chaque passe.

« Si la pièce précédente est usinée conformément aux spécifications, l'opérateur doit pouvoir reculer l'outil de la quantité totale de matière enlevée, de sorte que l'outil effleure à peine la pièce », explique M. Stahl. « Ensuite, il suffit d'effectuer la première passe pour obtenir une surface correcte et mesurer la pièce, puis la deuxième passe pour vérifier que l'opération est répétée, et enfin la dernière passe pour amener la pièce à sa taille finale. »

Cette méthode permet à l'atelier de pousser un outil jusqu'à ce qu'il cesse de se répéter. L'usure est normale et prévisible, et peut être maîtrisée tant que la plaquette présente une usure répétitive. Cependant, les plaquettes doivent être changées ou indexées sur une nouvelle arête si l'arête actuelle ne se répète pas.

À l'exception des coupes interrompues, l'atelier utilise du liquide de refroidissement dans la quasi-totalité des cas. Il n'utilise pas de liquide de refroidissement pour chasser les copeaux ou lubrifier, mais plutôt pour refroidir la pièce. « Nous orientons parfois le flux de liquide de refroidissement loin de la pointe inerte, voire même de l'autre côté de la pièce dans certains cas », explique M. McCleary. « Les matériaux en poudre métallique à haute dureté génèrent beaucoup de chaleur lors du tournage dur, à tel point que la dilatation thermique due à la chaleur peut dépasser nos tolérances. De plus, sans liquide de refroidissement, l'opérateur devrait refroidir la pièce après le tournage dur avant de la mesurer. L'utilisation de liquide de refroidissement nous permet de mesurer une pièce instantanément. » L'atelier n'utilise pas de liquide de refroidissement pour les coupes interrompues en raison du risque de fracture thermique de l'arête de coupe.

L'une des deux machines Quickturn Nexus de True Die est réservée au tournage dur, tandis que l'autre est parfois utilisée pour le tournage conventionnel. M. Stahl estime d'ailleurs qu'il est important de dédier un centre de tournage aux processus de tournage dur, si possible. « Si vous avez suffisamment de travail pour remplir le planning d'une machine avec des opérations de finition de tournage dur, pourquoi la surcharger en l'utilisant également pour l'ébauche ? », demande-t-il. « À long terme, il est préférable de conserver une machine dédiée au tournage dur, car je pense que cela prolonge la durée pendant laquelle la machine peut effectuer efficacement ces opérations de précision. De plus, cela permet de conserver tous les outils de tournage, de surfaçage et d'alésage appropriés, ce qui accélère les réglages. Cela dit, il n'est pas toujours pratique de réserver une machine au tournage dur, surtout dans un atelier à faible volume et à forte diversité. »