Qu'est-ce qui rend les équipements d'usinage automatisés productifs, fiables et flexibles ?

1. Productivité élevée

L'objectif principal de la production automatisée est d'accroître la productivité de la main-d'œuvre et des machines. L'automatisation doit s'appuyer sur un processus de pointe et permettre de réduire en permanence les temps hors usinage et les temps auxiliaires. L'automatisation d'un processus obsolète n'apporte que des gains limités.

La productivité à long terme est inférieure au rythme de cycle idéal, car des pertes surviennent également en dehors du cycle d'usinage. Le remplacement des outils, les réparations, le réglage des mécanismes, le rechargement, les changements de produit et les arrêts d'ordre organisationnel sont autant d'éléments qui prennent du temps. Ces pertes peuvent être réduites dans six domaines :

1. Pertes liées à l'usinage. Utiliser des lignes automatisées en continu, des mécanismes rapides sans usinage, un contrôle automatique, un système d'évacuation des copeaux, ainsi que des robots ou des dispositifs pour le chargement périodique.
2. Pertes liées aux outils. Utilisez des magasins d'outils, des robots de changement automatique d'outils, des systèmes de réglage automatique des outils, des dispositifs d'autoblocage et le remplacement obligatoire des outils.
3. Pertes liées au matériel. Utilisez des mécanismes automatiques de compensation et de réduction de l'usure, des dispositifs de protection, des matériaux résistants, un système de lubrification fiable, une maintenance planifiée et des diagnostics automatiques.
4. Pertes liées aux changements d'équipe et aux pénuries de matériel. Recourir à un système de stockage automatisé entre les opérations, les lignes de production, les sections et les ateliers, associé à un enregistrement automatique et à une gestion informatisée.
5. Pertes liées à la ferraille. Recourir à l'inspection active en cours d'usinage, au contrôle adaptatif, à la compensation automatique de l'usure des outils et aux changements d'outils obligatoires pour réguler le processus et la géométrie de la pièce, et réduire les rebuts.
6. Pertes liées aux changements de série et à la mise en route. Utilisez des automates modernes de type CNC, des lignes flexibles reconfigurables, des systèmes variables à commande numérique, une commande par programme, une commutation automatique entre programmes et un outillage à réglage rapide.

2. Précision d'usinage constante

La qualité du produit détermine si celui-ci et le système automatisé ont une valeur pratique. Éviter le rebut par lots et garantir la précision sont des exigences fondamentales.

1. Usure dimensionnelle de l'outil. L'usure peut avoir une incidence prépondérante sur la précision dimensionnelle et géométrique. La mesure automatique de la pièce, la surveillance indirecte de la force de coupe, du couple, de la température, du bruit ou de la rugosité de surface, ainsi que la détection directe en ligne de l'usure peuvent alimenter un système de contrôle qui compense automatiquement l'outil. Lorsque la détection et la compensation ne sont pas disponibles, le remplacement obligatoire en fonction de la durée de vie de l'outil est largement utilisé dans les centres d'usinage et les systèmes de fabrication automatisés (FMS), les données de durée de vie et le temps de coupe étant gérés par ordinateur.
2. Déformation élastique. Un système à faible rigidité peut générer des erreurs importantes, notamment lors de l'usinage de finition, où la rigidité influe également sur la rugosité de surface. Les machines spécialisées et modulaires destinées à des volumes de production moyens ou élevés peuvent être conçues autour d'une même famille de produits, de sorte que leurs caractéristiques mécaniques offrent une rigidité adéquate. L'amélioration d'une fraise à crémaillère, en passant d'une seule dent à plusieurs dents, par exemple, peut ne pas permettre d'atteindre la précision souhaitée si la rigidité de la machine n'est pas prise en compte.
3. Paramètres de découpe. La vitesse, l'avance et la profondeur de coupe influent sur la rugosité de surface. Elles doivent répondre aux exigences de productivité sans compromettre la qualité de surface.
4. Erreur de configuration de la machine. La production automatisée repose sur des machines préréglées et des cotes obtenues automatiquement. Les réglages dimensionnels de la machine et la relation entre la machine et la pièce doivent donc être ajustés avant le début de la production. Les outils peuvent être réglés à partir d'une pièce étalon ou par des essais de coupe et doivent respecter la tolérance spécifiée.

3. Grande fiabilité des équipements

La qualité, le coût et la productivité réelle dépendent de la fiabilité. À mesure que la fiabilité s'améliore, le rendement réel se rapproche de la valeur théorique prévue lors de la conception.

Les arrêts des équipements peuvent être dus à des défaillances de la machine, des montages ou des composants ; à des pannes d'outils ; à des arrêts programmés ; ou à des causes d'ordre organisationnel telles que l'absence de pièces brutes, d'outils ou de personnel, des matériaux défectueux, ainsi que des coupures d'électricité ou d'air comprimé. Ces défaillances peuvent soit provoquer l'arrêt d'un mécanisme, soit empêcher d'atteindre la précision requise.

Le taux de défaillance en fonction de la durée de fonctionnement suit trois grandes phases :

1. Les premiers échecs. La densité de défaillance est d'abord élevée, puis diminue rapidement. Parmi les causes figurent les défauts de matériau, une conception insuffisante, des défauts de fabrication et des erreurs de mise en service. Des inspections fréquentes, un retour d'information vers les équipes de conception et de fabrication, la correction des défauts, l'apprentissage des opérateurs et le rodage des composants permettent de stabiliser le fonctionnement de l'équipement.
2. Pannes aléatoires. En conditions normales de fonctionnement, la densité des défaillances est stable et celles-ci surviennent de manière imprévisible, souvent en raison d'une surcharge ou d'une concentration de contraintes imprévue. Le nettoyage, la lubrification, le réglage et l'inspection contribuent à prolonger la durée de vie utile.
3. Défaillances dues à l'usure. L'usure mécanique, la fatigue, la corrosion chimique et l'altération des matériaux liée au temps entraînent une forte augmentation du taux de défaillance. Une maintenance améliorée permet de réduire ce taux et de ralentir la détérioration.

La fiabilité dépend de la fiabilité des composants, de leur nombre et de l'architecture des connexions. Sur une ligne rigide montée en série, la défaillance d'un seul composant provoque l'arrêt de toute la ligne ; le fait de diviser la ligne en sections tampons peut améliorer la fiabilité et la productivité.

Une conception, une fabrication et des procédures d'exploitation de qualité, ainsi qu'une bonne facilité d'entretien et une détection rapide des défaillances, contribuent toutes à réduire les temps d'arrêt. Les pièces d'usure sujettes à des défaillances fréquentes doivent être équipées de raccords à changement rapide afin de permettre le remplacement d'ensembles complets par des pièces de rechange. Des composants redondants en parallèle, des branches de secours et une commande manuelle de secours peuvent encore améliorer la disponibilité.

4. Flexibilité de fabrication

Le raccourcissement des cycles de vie des produits et la diversification croissante de l'offre ont généralisé la production mixte en petites et moyennes séries. Des équipements flexibles permettent de passer d'un modèle à l'autre au sein d'une même famille de pièces en modifiant simplement le logiciel et, dans une moindre mesure, l'outillage, souvent sans nécessiter de réglage manuel des machines. Cela réduit considérablement les temps de changement de série et de préparation de la production, et facilite la production de modèles mixtes.

Les systèmes automatisés destinés aux petites et moyennes séries peuvent nécessiter :

1. Changement automatique de chaîne. Les ordinateurs ou les automates programmables doivent pouvoir changer rapidement de programme sans interrompre le fonctionnement du système.
2. Fabrication automatisée de plusieurs produits ou d'une famille de pièces. Les systèmes universels hautement automatisés de transfert, de fixation sur palettes et d'usinage doivent traiter automatiquement les lots de pièces.
3. Acheminement et cadence variables. Un système hautement flexible doit acheminer différents produits à travers différentes séquences de processus et différents circuits de transport, à des cadences de production variables.
4. Usinage automatique et changement d'outils efficaces. Les machines CNC équipées de magasins et de changeurs d'outils automatiques réduisent les temps d'usinage et de changement d'outils, tout en garantissant une productivité constante.
5. Surveillance automatique et diagnostic des pannes. Les contrôles en cours de fabrication, la surveillance et les diagnostics permettent de réduire les temps d'arrêt et la durée des contrôles, tout en garantissant la fiabilité et la qualité.

Toutes les machines n'ont pas nécessairement besoin de toutes les fonctionnalités. La flexibilité doit être adaptée aux exigences de production et aux conditions d'exploitation réelles.

Même les systèmes rigides à haut débit peuvent intégrer des éléments flexibles. Les cellules de type CNC ou les machines équipées de têtes de broche interchangeables peuvent améliorer l'adaptabilité des produits. Les tampons intégrés aux systèmes de transfert rigides permettent de découpler les sections, de sorte que la défaillance d'une unité n'entraîne pas l'arrêt de toute la ligne.