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Techniques

Seco Tools, Un usinage réussi nécessite un équilibre productif

Par Patrick de Vos, Responsable Formation Technique Société, Seco Tools

Publication: Décembre 2015

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Pour produire une large gamme de pièces à partir de matières à usiner très différentes, les fabricants utilisent divers process d’usinage...
 

Dans tous les cas, les fabricants ont tous le même objectif : réaliser un certain nombre de pièces d’une qualité souhaitée, dans un laps de temps déterminé et au coût voulu.De nombreux fabricants atteignent cet objectif en suivant un modèle à perspective étroite qui consiste à choisir tout d’abord l’outil, puis à l’utiliser et enfin à résoudre les problèmes survenus de manière réactive. Inverser cette approche peut, cependant, réduire les coûts et accroître l’efficacité. Au lieu d’attendre que des problèmes ne surviennent pour réaliser des ajustements, pour chaque opération d’usinage, les fabricants devraient se concentrer sur une planification proactive visant à éliminer les pièces rejetées et les temps d’arrêt non planifiés. Après l’établissement d’un process stable et fiable, appliquer les concepts de l’économie de production peut aider les producteurs à trouver un équilibre entre taux de production et coûts de fabrication. Enfin, en se basant sur des opérations sécurisées et économiquement viables, les fabricants peuvent sélectionner des outils et des conditions de coupe qui optimiseront complètement le process d’usinage.

Économie de production

Avant de prendre des mesures pour optimiser la coupe des métaux, il est essentiel que les process soient sécurisés et fiables, avec le moins de pièces défectueuses ou de temps d’arrêt possibles. Pour qu’un processus soit sécurisé, l’environnement de production doit être stable. Les éléments que les fabricants doivent analyser comprennent la maintenance de la machine-outil, la programmation FAO, les systèmes d’attachement d’outils et l’application d’arrosage. L’automatisation de la manutention au travail, comme celle des systèmes de charge/décharge de palettes ou de pièces robotisées, peut également être prise en compte lors de l’évaluation.

L’art et la science de l’économie de production s’attache à garantir une sécurité maximale et la prévisibilité du process de fabrication, tout en assurant une productivité maximale et des coûts de production moindres. Lorsque le process de coupe des métaux et l’environnement sont sécurisés et prévisibles, l’économie de production devient une quête en deux dimensions : recherche d’un bon équilibre entre la production et les coûts de fabrication, adapté à la situation spécifique du fabricant. Par exemple, en cas de production de masse de pièces simples, maximiser la production à moindres coûts peut être la priorité. En cas de production de pièces complexes de valeur en séries largement diversifiées à de faible volume, l’accent doit être mis sur la fiabilité et la précision globales avant de prendre en compte les coûts de fabrication.

Minimisation des temps d’arrêt non planifiés

L’utilisation maximale des ressources de fabrication nécessite la minimisation des temps d’arrêt, ou plus simplement, des périodes durant lesquelles la machine-outil ne produit pas de copeaux. Certains temps d’arrêt sont nécessaires et planifiés. Ils comprennent les temps passés à la programmation et à la maintenance de la machine-outil, à l’installation de dispositifs de fixation, au chargement et déchargement des pièces à usiner et au changement d’outillage.

Les fabricants tiennent compte de temps d’arrêt planifiés dans leurs programmes de production. Toutefois, la production de pièces non conformes se traduit par des temps d’arrêt non planifiés. Lorsqu’une pièce usinée ayant été rejetée doit être ré-usinée, le temps initial consacré à son usinage représente un temps d’arrêt non planifié et donc un gaspillage de temps.

Traditionnellement, les ateliers adoptent une approche proactive pour réduire les temps d’arrêt non planifiés. Lorsqu’un problème interrompt la production, la recherche d’une solution commence. Plutôt que d’attendre pour réagir à une situation négative, une meilleure approche consiste à procéder à une planification proactive qui identifie les objectifs clés de l’opération et oriente dès le début le process vers ceux-ci. La plupart des ateliers consacrent 20 % de leurs efforts à la préparation, suivie par 80 % de mise en oeuvre et de test. La situation idéale serait d’investir 80 % des efforts à la préparation et de consacrer les 20% restant à la mise en oeuvre et aux réglages si nécessaire.

Pour préparer une opération d’usinage, un atelier devrait analyser ses objectifs et élaborer des process fiables pour les atteindre. L’objectif principal n’est pas toujours l’augmentation des taux de production. Bien que certaines situations de fabrication, telles que la production de pièces d’automobile, demeurent de véritables exemples de la production de masse à volume élevé, les industries plus généralement évoluent vers des scénarios de production en séries largement diversifiées à faible volume.

Dans la production de masse, la perte de 50 ou 100 pièces lors de l’élaboration d’un process d’usinage qui représente des centaines de milliers de pièces sur une longue période de temps, représente un pourcentage infime du volume global et peut facilement être absorbée. Toutefois, dans une situation de production en séries largement diversifiées à faible volume, le process doit être développé dans son intégralité, autant que possible, avant même que ne commence la fabrication des pièces. Les scénarios de production en séries largement diversifiées, à faible volume, peuvent comporter des petits lots de production, des lots dont la taille s’exprime par un seul chiffre ou même des séries constituées d’une seule pièce. Dans ces cas, le rejet de quelques pièces correspond à la différence entre un profit et une perte.

Micro versus macro

L’approche traditionnelle pour maximiser le rendement de la coupe des métaux implique un modèle micro à perspective étroite basé sur l’optimisation des outils individuels lors d’opérations individuelles. Les modèles macro, quant à eux, considèrent les process de fabrication d’un point de vue plus large. Ces modèles sont axés sur le temps de cycle total nécessaire pour produire une pièce déterminée.

La relation entre les modèles micro et macro-économiques peut être comparée au point de vue d’un artiste lors de la création d’une toile. Le modèle micro est axé sur les détails individuels, de la même façon qu’un artiste se concentrerait sur chaque coup de pinceau. Le modèle macro, quant à lui, prend du recul et considère le processus de production de pièces dans sa globalité, comme lors de la contemplation d’une peinture dans son ensemble. Il est évident que le souci du détail est nécessaire, mais pas au prix d’oublier l’objectif général de l’effort.

Coûts cachés

Une focalisation exagérée sur les détails peut perturber l’attention portée aux résultats finaux du processus. Par exemple, réduire un temps d’usinage de 10 secondes, lorsque ce dernier est réalisé avec un outil supplémentaire, qui ajoute dix minutes en termes de temps de configuration et d’indexation, n’est pas avantageux. De la même façon, oeuvrer pour obtenir une qualité de produit supérieure aux exigences du client augmentera les coûts et la durée de production. On pourrait presque se demander : « Combien de temps faudrait-il pour produire la moins bonne pièce à usiner mais fonctionnellement acceptable, et à quel coût ? »

Coûts d’exploitation

Les modèles de coûts d’usinage peuvent également représenter des micro et macro-perspectives. Les modèles micro considèrent les processus de coupe d’un point de vue étroit, établissant un lien direct entre les conditions de coupe et les coûts. Les modèles macro-économiques fonctionnent d’un point de vue plus large, mettant l’accent sur le temps total nécessaire pour produire une pièce déterminée.

Les fabricants mesurent le taux de production de différentes façons, des pièces réalisées dans un laps de temps donné, à la durée totale nécessaire pour finir une opération. De nombreux facteurs ont un impact sur le taux de production, notamment les exigences en matière de géométrie des pièces à usiner et les caractéristiques des matériaux, le flux des produits au sein de l’usine, l’intervention du personnel, la maintenance, l’équipement périphérique et les problèmes environnementaux, de recyclage et de sécurité (voir l’encadré).

Certains éléments des coûts de fabrication sont fixes. La complexité des pièces à usiner et le matériau dictent généralement le type et le nombre d’opérations d’usinage nécessaires pour fabriquer une pièce. Les coûts d’acquisition et de maintenance des machines-outils d’un site et l’alimentation de ces machines sont généralement des coûts fixes. Les frais de main d’oeuvre sont d’une certaine manière plus flexibles mais sont effectivement fixes, du moins à court terme. Ces coûts doivent être compensés par les revenus de la vente des composants usinés. L’augmentation du taux de production (vitesse à laquelle les pièces à usiner sont transformées en produits finis) peut compenser les coûts fixes.

Optimisation individuelle

Lorsque la productivité et la rentabilité globales d’un processus sont équilibrées et optimisées au niveau macro-économique, les fabricants peuvent réaliser d’autres améliorations grâce à l’optimisation rigoureuse des opérations individuelles. Les conditions de coupe, à savoir la profondeur de passe, l’avance et les vitesses de coupe, jouent un rôle clé dans l’équilibre de la productivité et des coûts. L’un de ces éléments ou les trois peuvent contribuer à réduire la durée d’usinage, mais l’impact de chacun d’eux sur la fiabilité du processus varie fortement. La profondeur de passe n’a aucun impact sur la durée de vie de l’outil, la vitesse d’avance l’affecte elle légèrement. En revanche, l’impact de la vitesse de coupe sur la durée de vie de l’outil, ainsi que sur la fiabilité du processus de coupe, est significative.

De nombreux responsables d’ateliers sont persuadés qu’une simple augmentation des vitesses de coupe permettra de produire plus de pièces par période et par conséquent, de réduire les coûts de fabrication. En général, cela est vrai, mais des compromis sont nécessaires. Plus vite une opération est exécutée, moins elle devient stable. Les grandes vitesses génèrent plus de chaleur, ce qui a un impact à la fois sur l’outil et sur la pièce à usiner. L’outil s’use plus rapidement et de manière moins prévisible ; l’usure ou la vibration de l’outil peut entraîner des variations des dimensions et dégrader l’état de surface des pièces.

Un outil peut se casser et endommager la pièce à usiner. De surcroît, il est impossible d´appliquer un process à la limite de la fiabilité sans une surveillance totale ou relative, supprimant par là même une source potentielle d’économies de main d’oeuvre. Des vitesses de coupe extrêmement élevées et des paramètres d’usinage agressifs peuvent augmenter les coûts de maintenance de la machine, voire les temps d’arrêt dus à des défaillances de la machine.

Conscient de ces problèmes, l’ingénieur en mécanique américain F.W. Taylor, a développé au début du 20e siècle un modèle pour déterminer la durée de vie de l’outil. Le modèle montre que pour une combinaison donnée de profondeur de passe et de vitesse d’avance, il existe une fenêtre pour les vitesses de coupe dans laquelle la détérioration de l’outil est sécurisée, prévisible et contrôlable. Le modèle de Taylor permet de quantifier la relation entre vitesse de coupe, usure de l’outil et durée de vie de l’outil, équilibrant ainsi la rentabilité et la productivité et donnant une idée précise de la vitesse de coupe optimale pour une opération.

En général, les fabricants doivent choisir les profondeurs de passe et les vitesses d’avance maximales pour chaque opération, en fonction de la stabilité du bridage de l’outil, de la fixation de la pièce à usiner et de la machine-outil, ainsi que de l’alimentation de la machine. La sécurité opérationnelle, en matière de formation et d’évacuation de copeaux, les vibrations et la déformation de la pièce doivent également être prises en compte. Une approche équilibrée implique une réduction des vitesses de coupe associée à des augmentations proportionnelles de la vitesse d’avance et de la profondeur de passe. Utiliser la profondeur de passe maximale réduit le nombre de passes requis et réduit par conséquent la durée d’usinage. L’avance doit également être maximisée, bien que les exigences en matière de qualité de la pièce et d’état de surface puissent être affectées par des vitesses d’avance excessives. Dans la plupart des cas, des augmentations de la vitesse d’avance et de la profondeur de passe, tout en maintenant ou réduisant les vitesses de coupe, entraîneront des débits copeaux comparables à ceux atteint à des vitesses de coupe plus élevées.

Les coûts de production sont la somme des coûts d’outillage et de machine. Avec des vitesses de coupe accrues, les durées d’usinage deviennent plus courtes et les coûts de machine diminuent. Cependant, les coûts généraux augmentent à partir d’un certain point car une durée de vie plus courte de l’outil augmente le coût d’outillage ainsi que la durée nécessaire aux changements d’outils, suffisamment pour dépasser les économies réalisées en termes de coûts de machine.

Lorsqu’une combinaison stable et fiable de vitesse d’avance et de profondeur de passe est atteinte, les vitesses de coupe peuvent être utilisées comme calibrage final de l’opération. L’objectif est d’appliquer une vitesse de coupe plus élevée qui réduit les coûts de temps machine mais n’augmente pas excessivement les coûts d’outil du fait d’une usure accélérée de l’outil..

Problèmes non relatifs à la coupe

Les problèmes environnementaux et de sécurité sont des facteurs de plus en plus importants dans l’économie de la production. Les fabricants mettent tout en oeuvre pour préserver les ressources. L’utilisation et la mise au rebut des liquides de refroidissement et d’huiles de coupe sont de plus en plus chères et réglementées. Une approche équilibrée des conditions de coupe peut aider les fabricants à gérer cela ainsi que d’autres problèmes similaires. Des vitesses de coupe réduites, combinées à une plus grande avance et à de plus faibles profondeurs de passe, réduisent la quantité d’énergie nécessaire à l’enlèvement du métal. Des conditions équilibrées augmentent également la durée de vie des outils, tout en réduisant leur consommation ainsi que les problèmes de mise au rebut. Une consommation d’énergie plus faible entraîne une moindre génération de chaleur, permettant des opportunités d’usinage avec peu, voire sans arrosage.

Conclusion

Adopter les concepts de l’économie de production nécessite de faire une analyse globale de l’environnement d’usinage et d’adopter des façons de penser allant à l’encontre de nombreuses pratiques établies de coupe des métaux. Cependant, adopter les stratégies recommandées peut permettre de réaliser des économies, d’améliorer la qualité des pièces et d’obtenir une production plus respectueuse de l’environnement, tout en maintenant une productivité et une rentabilité optimales dans un process de fabrication global stable et fiable.

Encadré

À l’échelle des installations : Les avantages d’étudier les process d’usinage d’un point de vue macro-économique s’étendent au-delà des opérations individuelles de coupe des métaux. Une vision plus large inclut l’interrelation de toutes les étapes de la production. Un exemple simplifié implique deux machines utilisées en série pour produire un composant. Si la machine-outil A est optimisée pour booster sa production mais que la production de la machine B ne peut pas être améliorée, les pièces de la première machine attendront en tant que stock semi-fini pour la seconde, augmentant ainsi les coûts. Dans ce cas, une simple optimisation des coûts de coupe (plutôt que de la production) sur la première machine réduirait le coût d’usinage global en maintenant un même niveau production.

En revanche, dans une situation où la machine B est inactive et attend de traiter les pièces de la machine A, une augmentation de la production de la première machine augmente la production totale. Cela dépend beaucoup du type d’organisation du flux de production et de l’atelier : en ligne ou par îlots.

Les coûts d’acquisition d’une machine-outil peuvent également être évalués d’après l’activité totale du fabricant. L’exemple typique : un atelier fait fonctionner une fraiseuse à pleine charge 40 heures par semaine et décide de la remplacer par une machine à plus grande vitesse, plus chère et plus sophistiquée. Cependant, une fois la nouvelle machine configurée et opérationnelle, elle demeure la moitié du temps inactive.

L’atelier doit alors trouver plus de pièces à usiner pour maintenir la machine active et justifier son investissement. Par ailleurs, le travail obtenu, en tirant pleinement profit des capacités de la nouvelle machine, peut ne pas s’ajuster au reste des opérations de l’atelier ou à leurs marchés. Dans un premier temps, il aurait été préférable d’examiner la situation dans son ensemble et d’anticiper les conséquences d’un plus grand rendement de la nouvelle machine.

Une machine moins chère et moins avancée peut être plus appropriée aux exigences actuelles et prévues en matière de pièces et de volumes de production. Associée à l’ancienne machine, une machine-outil mieux choisie pourrait également fournir une plus grande flexibilité et redondance pour gérer les temps d’arrêt planifiés ou non planifiés.

Adopter une vue complète de l’optimisation des process peut également impliquer des actions et analyses basiques et très simples. L’examen des outils utilisés offre une large vision de ce qui se passe dans un atelier. Par exemple, si un atelier utilise généralement des plaquettes avec des arêtes de coupe de 12 mm de long mais que les traces d’usure sur les outils atteignent seulement 2 mm ou 2,5 mm, l’atelier utilise probablement des plaquettes trop grandes pour leur utilisation. Les outils dotés d’arêtes de coupe de 6 mm de long seraient largement suffisants, et un outil doté d’arêtes de coupe de 6 mm est beaucoup moins cher qu’un outil doté d’arêtes de coupe de 12 mm. Une simple observation comme celle-ci peut réduire les coûts d’outillage de 50% sans avoir d’impact sur la productivité.

http://www.secotools.com/fr

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