Mapal : usinage de haute précision pour les alésages

Le constructeur de poids lourds Mercedes-Benz a confié à Mapal l’alésage des logements des chemises de cylindres de ses blocs-moteurs. Il s’agit d’outils à commande modulée complexes comportant jusqu’à vingt plaquettes.

Dans son usine de Mannheim, Mercedes-Benz produit des moteurs modernes pour ses poids-lourds. Pour obtenir les meilleures caractéristiques, les tolérances dimensionnelles des blocs-moteurs doivent être les plus serrées possibles. Lors de la conception d’une nouvelle chaîne de fabrication destinée à l’usinage de ces ensembles mécaniques, la collaboration entre les spécialistes du constructeur allemand, le fabricant de machines-outils et Mapal a permis de réaliser des progrès considérables.
La précision est l’élément primordial de la fabrication des moteurs. Pour pouvoir en garantir les meilleures propriétés, les surfaces du bloc-moteur doivent être usinées avec la plus grande précision possible. Leur géométrie est complexe. Elle comporte un grand nombre de caractéristiques clé pour lesquelles les classes de tolérance les plus élevées doivent être respectées. Selon les types de moteur, il s’agit notamment de plusieurs ajustements H7, de diverses zones requérant un niveau de précision de moins de 15 µm et des chanfreins à tolérance très serrée, notamment un chanfrein de 20° avec un dégagement pour lequel une tolérance angulaire de seulement ± 0,025° doit impérativement être respectée, parallèlement à un haut niveau de qualité de surface requis. Outre la précision, une attention toute particulière est également donnée à la rentabilité de la fabrication.

Outils à commande modulée

La toute première chaîne d’usinage de ces blocs-moteurs a été mise en service en 2011. À l’occasion de la planification de la seconde chaîne, les responsables du projet se sont tout naturellement reportés vers les caractéristiques de celle déjà en place. L’alésage des logements des chemises de cylindres a été, à cette occasion, considéré comme un usinage très exigeant. Il comporte notamment deux postes distincts : l’ébauche et la finition.
Pour répondre aux exigences de ces processus, Mapal a développé des outils à commande modulée complexes, comportant jusqu’à vingt plaquettes, qu’il s’agisse de modèles ISO ou spéciaux. Ces outils sont dotés d’un corps principal de type monobloc. L’interface HSK-160 dispose d’une surface plane agrandie de 200 mm de diamètre. En tout, un outil pèse jusqu’à 60 kg. Malgré l’interface et la longueur d’outil de 380 mm, une précision de concentricité de 3 µm doit être garantie. Les coulisseaux sont actionnés par une barre de traction, par le biais d’un axe supplémentaire à commande numérique dans la commande de la machine-outil. Ils ont dû être intégrés à l’interface HSK et être adaptés au changement automatique d’outil. L’installation d’un verrouillage à baïonnette sur l’outil a permis de remédier à cette problématique. Il permet notamment le couplage automatique de la barre de traction lors d’un changement d’outil.
Au sein de l’outil, les mouvements de la barre de traction sont appliqués aux coulisseaux par le biais de rampes en carbure. Pour parvenir aux quantités exigées, les machines spécialement conçues sont dotées de trois broches permettant de réaliser trois alésages simultanément. Les trois outils par machine sont affectés à une broche spécifique, permettant ainsi de garantir un processus sûr. Pour répondre aux besoins périodiques d’entretien et de maintenance, Mapal fournit un outil jumeau ainsi qu’un outil de réserve supplémentaire.

Réglage des outils hors machine

La fabrication des outils devant être d’une extrême précision, les logements pour coulisseaux ont été, par exemple, rodés à la main dans le corps principal. La mécanique de la barre de traction a également dû répondre aux plus hautes exigences de précision. La fabrication de chacun de ces outils a nécessité un travail manuel de plusieurs semaines/homme.
Pour des usinages de ce type, les plaquettes sont, en règle générale, remplacées et réglées directement dans l’espace de travail. Si la présence de liquide de coupe gêne souvent l’opérateur de machine, dans un tel cas de figure, un autre aspect apparaît problématique : l’arrêt de la machine et l’absence de production durant toute l’opération.
Dans l’optique d’un fonctionnement en 3×8 et de trois outils par dispositif, les machines pourraient être immobilisées quotidiennement sur une période de 3 à 4 heures.
Par conséquent, Mapal a développé, avec l’aide de collaborateurs de Mercedes-Benz et du constructeur de machines, un concept de remplacement automatique et de réglage des outils, hors machine. Ce procédé est somme toute commun sur les machines d’usinage et cela semble même banal au premier abord. Pour autant, les dimensions mêmes des outils soulignent les défis que cela représente. Le projet a requis énormément d’innovation et d’abnégation de la part de tous les partenaires. En effet, une machine pourvue d’un dispositif de remplacement automatique des outils pour ce type d’usinage et présentant de telles dimensions constitue une réelle nouveauté et une prouesse.

Appareils de réglage uniques pour outils suspendus

Pour rendre le réglage externe aussi simple que possible, Mapal a développé des appareils de transport, de réglage et de maintenance adaptés aux outils. Et plus particulièrement, une solution pour faciliter la manipulation, lors de l’introduction et de l’extraction des outils dans le chargeur, lors du remplacement de ces derniers, les outils étant notamment utilisés dans la machine d’usinage de façon suspendue, ce qui constitue un procédé peu commun par rapport à ceux observés habituellement. Pesant près de 60 kg, chaque outil est lourd et représenterait une charge élevée pour le personnel à l’occasion de sa double « rotation » manuelle.
La sécurité joue également un rôle primordial lorsque l’on manipule des objets d’un tel poids. Outre les dangers pour le personnel, l’outil risquait aussi d’être endommagé au cours de la manipulation. Mapal a ainsi élaboré deux appareils de réglage « uniques au monde », permettant de prendre en charge les outils en position suspendue. Le fabricant a également conçu un véhicule assurant le transport des outils, de manière suspendue, de la machine d’usinage à l’appareil de réglage. Grâce à cette solution, les outils sont ainsi transportés et réglés dans la même position que celle dans laquelle ils sont utilisés sur les machines d’usinage.

Support de données RFID sur l’outil

Les résultats des mesures déterminés sur les appareils de réglage sont transmis directement à un support de données RFID sur l’outil. Lors de l’introduction de ce dernier pour le changement, la commande de la machine d’usinage lit les données sur le support, permettant à la machine d’ajuster durant l’usinage une partie des cotes essentielles à l’aide des coulisseaux de commande modulée. Les résultats des mesures de routine de contrôle qualité sont pris en compte dès la seconde pièce à usiner. Un tel circuit de contrôle qualité des outils était d’une grande importance pour Mercedes-Benz.
Au final, la chaîne a pu être mise en service conformément au calendrier prévu. Les outils accomplissent leurs tâches conformément à toutes les consignes pour la fabrication série des blocs-moteurs avec une extrême précision.