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Que signifie une plus grande production pour les constructeurs aéronautiques ? En un mot : des milliards. Au pays des géants, l’américain Boeing l´emporte sur son concurrent européen Airbus en matière de nouvelles commandes nettes et de livraisons au premier trimestre 2015. Alors que le premier trimestre est traditionnellement marqué par un ralentissement des prises de commandes, ce sont les livraisons qui engendrent le plus de recettes et Boeing a livré un nombre record d´avions au cours de cette période. Pour les constructeurs d´avions de toutes tailles et de tous types, et l´ensemble de leur chaîne logistique de fournisseurs de pièces et composants aux prises de matériaux difficiles à usiner, les retards de production peuvent se solder par des annulations de commandes et ce, au profit de fabricants mieux équipés.

Fives Cincinnati, dont l’usine d´Hebron (Kentucky) produit des centres d’usinage, des systèmes de placement de fibres composites et des profileurs multibroches Cincinnati, connaît cette situation mieux que quiconque. Avec plus de 650 profileurs à travers le monde, il n´est pas un seul avion commercial en exploitation, d´après l´entreprise, qui n´ait été en contact avec un profileur Cincinnati.

Proposée dans des configurations de portiques à trois et cinq broches, la dernière génération de ces géants puissants, le profileur Cincinnati XTi, est impressionnante à plus d´un titre. Conçues pour les fabricants qui traitent de multiples matériaux, les broches tournant à 7000 tr/min sont capables de découper l´aluminum et l´acier. Des broches à couple élevé (2523 Nm) sont par ailleurs proposées pour la transformation du titane et d´autres alliages durs. Selon les brochures de l´entreprise, le modèle XT, baptisé « la seule plate-forme multibroches du marché pour l´ébauche du titane », établit le record de taux d´enlèvement de métal en matière d´usinage du titane avec plus de 1638 cm3/minute. Ces imposantes machines, à course d´axe de 4267 mm en X (extensible par incréments de 3658 mm), 3683 mm en Y et 711 mm en Z, battent maintenant de nouveaux records avec les raccordements à broches optionnels KM4X100 de Kennametal Inc.

Du maillon faible au point fort

Qu´il s´agisse de profilage sur des machines à portique de grandes dimensions ou de fraisage sur des centres d´usinage plus petits, la transformation de matériaux durs comme le titane constitue un défi permanent. L´usinage des alliages durs, sous la pression que constitue l´augmentation de la productivité, oblige à maximiser l´enlèvement de métal face à de faibles vitesses de coupe et à des efforts de coupe importants.

Les constructeurs de machines-outils comme Fives ont réagi en lançant des centres de fraisage et de profilage dédiés, caractérisés par une amélioration de la rigidité et de l´amortissement au niveau des broches et des structures essentielles des machines, ce afin de limiter les vibrations parasites qui détériorent la qualité de pièce, diminuent le rendement et mettent en péril la durée de vie de l´outil. Même si ces avancées ont permis d´accroître la productivité, le maillon faible est, historiquement parlant, le raccordement à broche.

Le raccordement à broche, véritable interface entre la broche de la machine-outil et le porte-outil, détermine la quantité de matériau que la machine peut enlever sur une opération donnée. Cette interface doit en effet supporter de lourdes charges tout en conservant sa rigidité avant l´apparition d´une trop forte déflexion de l´outil ou d´un début de broutage. Les broches doivent être à même de transmettre une quantité importante de couple, mais les efforts de coupe génèrent également des moments de flexion qui dépassent les capacités de l´interface avant même d´atteindre les limites de couple. On le voit bien dans les fraisages en bout où les longueurs de dépassement sont généralement plus importantes, le facteur limitatif étant la capacité de flexion de l´interface de broche. A titre d´exemple, une tête de coupe hélicoïdale indexable avec un dépassement de 250 mm de la face de broche et un diamètre de 80 mm génère 4620 Nm de moment de flexion et moins de 900 Nm de couple en enlevant 360 cm3/min de Ti6Al4V à une profondeur de coupe radiale (RDOC) de 12,7 mm et axiale (ADOC) de 63,5 mm.

En combinant une force de serrage élevée à des niveaux d´interférence optimisés, le KM4X de nouvelle génération de Kennametal garantit un raccordement robuste, une rigidité et une capacité de charge en flexion particulièrement élevées. Il s´agit là, pour les transformateurs du titane, d´une amélioration notable des performances d´usinage des alliages et autres matériaux à haute résistance, synonyme de taux d´enlèvement de métal très élevés et de réalisation quotidienne d´un plus grand nombre de pièces.

Un complément à la machine

Avec Mike Malott, Responsable Grands Comptes de Kennametal, Robert Snodgrass, Ingénieur d´applications de Fives Cincinnati a procédé à une première évaluation du KM4X voici environ quatre ans. « L´ingénierie est impressionnante. C´est de là, indubitablement, qu´on a commencé à penser qu´on pouvait compléter la machine, qu´une broche plus rigide permet de répondre aux attentes des clients en matière d´efficacité de coupe du métal et d´augmentation du rendement ».

« N´oubliez pas qu´au départ, les éléments typiques d´aérostructures sont des pièces forgées avec enlèvement d´une bonne partie du matériau afin de respecter les spécifications des pièces finies », rappelle Mark Huston, Vice-président de Kennametal. Le ratio « buy-to-fly », qui mesure le rapport entre la masse de matière mise en oeuvre pour réaliser une pièce et la masse qui vole effectivement, peut être de 4:1, 8:1 ou plus, en fonction du composant ».

Les profileurs Cincinnati de première génération réalisaient un taux d´enlèvement de métal de 65,5 cm3/min en titane en raison des limites imposées par la structure de la machine et le raccordement à broche. Avec les profileurs Cincinnati de la génération XT et les raccordements à broches à contact frontal HSK 125, le taux d´enlèvement de métal est passé à 819,35 cm3/ min. Avec le KM4X100, ce taux est multiplié par deux, à 738,7 cm3/ min.

« Même à 738,7 cm3/ min, nos tests comparatifs des profileurs XT utilisant le KM4X étaient bien inférieurs aux limites théoriques de la machine en termes de résistance au moment de flexion », précise Robert Snodgrass. Il fait observer que les tests de précédente génération faisaient appel à des porte-outils coniques CAT60 qui, par rapport aux versions à cône de 50, sont assimilables à la conduite d´un char en comparaison de celle d´un SUV. Avec le KM4X le taux d´enlèvement de métal est multiplié par deux par rapport à un porte-outil à cône de 60. Par rapport aux CAT50, HSK100, ou KM4X100, le CAT60 fait pratiquement le double de poids.

« La conception de la machine et de la broche s´en trouve considérablement modifiée », explique Ken Wichman, Responsable Produit de Fives Cincinnati. « Bon nombre de machines à portique sont dotées d´un remplacement d´outil manuel, même si le remplacement/stockage automatique d´outils est disponible. La résistance améliorée du KM4X au moment de flexion autorise l´utilisation d´outillages plus légers par rapport à un outil CAT ou HSK présentant une résistance équivalente au moment de flexion. Au plan ergonomique, c´est là un énorme avantage pour l´opérateur. Pour les clients choisissant le changement/stockage automatique des outils, le plus petit KM4X peut recevoir davantage d´outils dans une empreinte donnée ».

« Nous sommes fiers de garantir la productivité de nos clients », ajoute Mark Logan, Vice-président de Fives Cincinnati. « Non seulement un raccordement à broche plus puissant comme le KM4X modifie la conception des nouvelles machines, mais il peut aussi donner un formidable coup de pouce aux machines existantes sur le terrain. C´est pour nous l´occasion de proposer d´importantes remises à niveau et rénovations tout en continuant de repousser les limites sur les modèles de profileurs à venir ».

« L´industrie doit établir de nouveaux standards pour produire des pièces en titane au coût unitaire le plus bas et le Profileur XT offre entres autres cette capacité », explique Chip Storie, Vice-président exécutif de Fives Cincinnati. Avec une broche transversale puissante et robuste, un bâti spécifique et un système de refroidissement à haute pression, nous comptons dépasser un taux d´enlèvement de métal de 1638 cm3 à la minute. Voilà qui va modifier la façon dont l´industrie perçoit l´usinage du titane ».

ENCADRE : ANALYSE DE LA COUPE « BOBSLEIGH »

Mike Malott, Responsable de comptes chez Kennametal, a passé des années dans ce domaine où il s´était vu accorder le statut de « membre de la famille » à l´atelier de production de Fives Cincinnati. Il a également constaté que la « coupe bobsleigh » de FIVES pour assurer le rendement des outils de coupe s´était frayé un chemin dans le milieu industriel.

« Pour soumettre véritablement une nouvelle configuration à l´épreuve, nous avons dû mettre au point un test particulièrement difficile pour lequel, à vrai dire, l´outil n´était pas fait », confie l´ingénieur d´applications Robert Snodgrass. L´opération consistait à faire pénétrer l´outil en force dans une pièce en titane en suivant une courbe profonde et continue, à la manière d´une piste de bobsleigh. « Nous voulions maximiser la profondeur de pénétration et le couple dans une coupe avec un mouvement simultané, en soumettant en permanence et par tous les moyens possibles la machine-outil et l´ensemble broche/outil de coupe à des forces extrêmes ».

http://www.kennametal.com/