Science de l'usinage & technologie des outils = productivité maximale
Les progrès réalisés en matière de technologie d'usinage offrent un maximum d'avantages économiques si le processus d'usinage est considéré comme un modèle unique et cohérent. Il est essentiel d'envisager les différents scénarios de production possibles et leurs effets sur l'économie de la production dans son ensemble. Une définition pragmatique de l'économie de la production : Garantir une sécurité et une prévisibilité maximales du processus d'usinage, tout en maintenant la productivité la plus élevée et le coût de production le plus bas.
Avant de procéder à une optimisation minutieuse et point par point des opérations individuelles, la productivité globale et la rentabilité doivent être équilibrées et évaluées sur une base globale ou macro. Une fois qu'une macro-évaluation de l'ensemble du processus de production est réalisée, des améliorations supplémentaires peuvent être obtenues en examinant où l'optimisation individuelle peut être bénéfique.
Traditionnellement, l'obtention de résultats d'usinage optimaux impliquait un micro-modèle à perspective étroite basé sur l'optimisation individuelle d'un outil pour une opération en particulier. Les modèles macro, en revanche, considèrent la fabrication sous un angle plus large. Avec ces modèles macro ou globaux, le temps total nécessaire pour produire une pièce donnée joue un rôle plus déterminant.
Un exemple simplifié d'optimisation globale implique deux machines montées en série pour produire une pièce. Optimiser les temps de coupe et augmenter la production sur la machine A ne sert à rien si des améliorations similaires ne sont pas possibles sur la machine B. L'augmentation de la production de la machine A ne fait que générer des coûts supplémentaires avec des stocks de pièces semi-finies qui attendent d'être usinées sur la machine B. La meilleure façon d'aborder le problème consisterait à optimiser les coûts de coupe sur la machine A, ce qui pourrait en limiter sa productivité mais réduirait les coûts globaux tout en maintenant la production.
En revanche, si la machine B reste inactive en attendant de traiter les pièces produites par la machine A, l'augmentation de la production de la machine A fera augmenter la production totale. Tout dépend de la façon dont l'atelier organise ses opérations de production : en ligne, par lots ou en parallèle. Il n'y a pas de réponse universelle. Mais ces exemples montrent la nécessité d'une vision plus globale de l'ensemble du processus de production et illustrent le fait que l'optimisation des micro-modèles doit être conduite avec beaucoup de précaution.
Cette vision plus large s'applique également aux machines-outils. Le cas typique est celui d'un atelier qui décide de remplacer une fraiseuse fonctionnant à pleine charge 40 heures par semaine par une machine grande vitesse. Lorsque la nouvelle machine est opérationnelle, elle passe en revanche la moitié de son temps à l'arrêt. L'atelier doit désormais relever le défi de trouver de quoi occuper la nouvelle machine et justifier son investissement. La meilleure approche aurait été d'examiner d'abord la situation dans son ensemble et de prévoir ce qui résulterait de l'augmentation du rendement de cette nouvelle machine.
Une optimisation un-par-un se concentre sur une application et un outil coupant. Elle vise à obtenir des débits copeaux élevés au coût le plus bas possible. Le processus consiste à sélectionner l'outillage le plus adapté à l'usinage de la pièce et à utiliser la plus grande profondeur de passe avec une avance aussi élevée que possible. Bien entendu, les profondeurs de coupe et les avances maximales sont soumises aux contraintes de la puissance et du couple disponibles de la machine, de la stabilité de la pièce et de la sécurité de la fixation de l'outil.
La dernière étape de l'optimisation un-par-un consiste à sélectionner le critère approprié en termes de coût minimum ou de productivité maximum et à utiliser la vitesse de coupe pour affiner la réalisation de ce même critère. Dans cette analyse, il est important de se rappeler le modèle Taylor pour déterminer la durée de vie de l'outil. Le modèle Taylor démontre que pour une combinaison donnée de profondeur de coupe et d'avance, il existe une certaine fenêtre pour les vitesses de coupe où la détérioration de l'outil est sécurisée, prévisible et contrôlable. Lorsque vous travaillez dans cette plage, il est possible de qualifier et de quantifier la relation entre la vitesse de coupe, l'usure et la durée de vie de l'outil.
Au départ, le temps d'usinage diminue et la productivité augmente avec l'augmentation des vitesses de coupe. Mais au-delà d'une certaine vitesse, la durée de vie de l'outil devient si courte que les arêtes de coupe doivent être fréquemment remplacées. Dans l'ensemble, la diminution du coût d'usinage a un effet plus faible que l'augmentation rapide du coût de l'outil. L'objectif est de déterminer une vitesse de coupe où la somme des deux coûts s'équilibre pour aboutir à un coût total minimum.
Dans leur quête de productivité, les ateliers doivent se concentrer sur l'image globale de la production - le temps total nécessaire pour produire la pièce - et éviter de se préoccuper des moindres détails.
Les normes actuelles de qualité élevée des pièces sont beaucoup plus rigoureuses que par le passé. Cependant, la quête de la perfection peut coûter cher. L'objectif est la haute qualité, mais l'excès de qualité gaspille de l'argent. Les ateliers doivent réfléchir à la manière dont ils peuvent produire une pièce au minimum acceptable d'un point de vue fonctionnel. Travailler en respectant les exigences minimales peut réduire les coûts de manière drastique et augmenter la productivité de façon spectaculaire.
De même, lorsqu'on se concentre entièrement sur la réduction des temps de cycle pour obtenir une productivité maximale, la fiabilité d'un processus d'usinage peut se détériorer. Lorsqu'un processus est constamment mené aux limites de ses paramètres et au-delà, le prix est rejeté ou les pièces sont mises au rebut et du temps est perdu.
L'efficacité de la production repose sur trois facteurs : la qualité, le temps d'usinage et le coût. Les facteurs environnementaux tels que la consommation d'énergie, l'élimination ou le recyclage des outils utilisés, les déchets d'usinage ainsi que la sécurité et le bien-être des employés doivent également être pris en compte.
De nombreux facteurs techniques individuels affectent l'efficacité de la production. Pour les processus d'usinage, il n'est pas rare qu'un ou plusieurs des 50 à 70 facteurs individuels aient un effet considérable sur l'efficacité. Les facteurs caractéristiques comprennent les outils/systèmes d'outillage, la configuration, la matière constitutive de la pièce, les données et les capacités de traitement de l'équipement, les outils et les systèmes d'outillage, les facteurs humains, les équipements périphériques et les problèmes ayant trait à la maintenance.
L'un des facteurs les plus déterminants pour l'efficacité de la production est le résultat de l'interaction entre l'outil et la pièce. La compréhension de l'usure des outils et comment y remédier est essentielle pour contrôler le processus d'usinage. Les phénomènes liés à l'usure sont généralement progressifs et prévisibles, alors qu'il est impossible de prévoir d'autres défaillances éventuelles, telles que la rupture d'un outil, pour assurer un processus de coupe fiable.
Trouver l'équilibre parfait entre la productivité, la fiabilité et le coût nécessite des outils qui offrent polyvalence et flexibilité sur un vaste éventail d'applications. L'outillage polyvalent ou universel (voir encadré ci-dessous) est une solution à la tendance claire de la fabrication de séries de plus en plus petites. L'évolution vers des lots d'usinage plus petits est le résultat d'une utilisation accrue des stratégies de production du juste à temps et de la croissance de l'externalisation.
Les sous-traitants sont confrontés à des lots de plus petite taille qui doivent être produits régulièrement mais pas de manière continue. Par le passé, les changeurs automatiques d'outils ont permis de réduire les temps d'arrêt liés au changement d'outils et l'utilisation de changeurs de palettes a permis de réduire ceux liés à la manipulation des pièces. Les outils universels diminuent les temps d'arrêt, en réduisant le temps qui aurait été nécessaire pour changer les outils pour usiner une nouvelle pièce, et celui indispensable à la mise en place ainsi qu'aux tests des nouveaux outils. En réduisant au minimum le nombre d'outils différents dans l'atelier, on réduit le temps de manipulation de ceux-ci et on augmente le temps disponible pour l'usinage.
La sélection traditionnelle des outils a tendance à s'orienter vers l'application, en recherchant par exemple un outil adapté plus spécifiquement à la matière : acier, acier inoxydable... ou également à l'opération : ébauche, fraisage... Plus important que de choisir un outil pour une seule opération, il faut penser à la façon dont cette opération s'intègre dans l'ensemble de la production. Le choix doit être orienté vers le résultat souhaité en termes de productivité, de rentabilité ou de fiabilité, et ce qui correspond le mieux à une approche globale du processus de production.
Adopter une vue d'ensemble de l'optimisation des processus n'est pas forcément complexe ; il peut s'agir d'une analyse et de mesures très simples et élémentaires. L'examen des outils utilisés en est un exemple clé. Une interprétation correcte de ce que révèlent les outils, donne une excellente perspective de ce qui se passe dans l'atelier. Par exemple, si un atelier utilise généralement des plaquettes avec des arêtes de coupe de 12 mm et que les marques d'usure sur les outils n'atteignent que 2 ou 2,5 mm, cet atelier usine probablement avec des plaquettes beaucoup trop grandes pour sa production. Des outils avec des arêtes de 6 mm seraient plus que suffisants pour ce travail. Plus important encore, un outil doté d'arêtes de coupe de 6 mm est nettement moins cher que celui doté d'arêtes de 10 mm. Il est donc possible de réduire le coût outils de 50 % sans perte de productivité.
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