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Record mondial en perspective !

À l’occasion du salon EMO 2023, Starrag a présenté le prototype du centre d’usinage 5 axes à palier hydrostatique Starrag S1250 HD. Dotée d’une rigidité et d’un amortissement exceptionnels, la machine a déjà établi à l’époque des records de valeur de coupe lors du dégrossissage du titane. Comme le démontrent les premiers tests, la version de série actuelle pulvérise ces records. Cette performance est notamment due à une structure encore plus rigide, à une nouvelle tête de fraisage de 15 000 Nm et à une table tournante à engrenages développant un couple de 25 000 Nm.

Depuis de nombreuses années, la série STC de Starrag fait référence dans le domaine de l’usinage économique d’éléments structurels en titane. Ce matériau difficile à usiner, extrêmement dur et présentant un faible coefficient de conductivité thermique, sollicite fortement les arêtes de coupe des outils et ne permet pas d’atteindre des vitesses de rotation élevées. Le succès de l’usinage repose sur des vitesses de rotation faibles et des couples élevés. La machine doit par conséquent présenter une rigidité et un amortissement importants. C’est la raison pour laquelle Starrag a décidé de proposer son centre d’usinage horizontal STC 1250 dans une variante où les axes linéaires horizontaux reposent sur des paliers hydrostatiques. Sans frottement, sans usure, d’une rigidité extrême et offrant un amortissement élevé : telles sont les caractéristiques du nouveau centre d’usinage, commercialisé sous la nouvelle appellation Starrag S1250 HD et destiné à l’usinage lourd à cinq axes d’éléments structurels en titane. Lors du dégrossissage, l’enlèvement de matière réalisé par le prototype était déjà jusqu’à trois fois supérieur à celui de la version équipée de paliers à rouleaux. Lors de la finition, les améliorations apportées à l’amortissement et à la dynamique garantissent en outre une excellente précision et une qualité de surface optimale. La commande passée par Airbus pour une installation du centre d’usinage sur le site de Varel confirme que ce nouveau concept est une véritable réussite. À l’issue de plusieurs tests de résistance réalisés avec la machine prototype, l’entreprise a commandé cinq Starrag S1250 HD, en formulant quelques spécifications particulières.

Table circulaire à couple élevé et puissance accrue dans la tête

« Nos clients ont été conquis par les essais réalisés il y a deux ans », rapporte Alexander Fitz, directeur commercial Aerospace & Turbine chez Starrag AG.

« Le centre d’usinage Starrag S1250 HD promettait en effet un usinage nettement plus efficace des éléments structurels en titane que ce qui était possible jusqu’alors. Pour répondre de manière optimale aux besoins spécifiques des spécialistes de l’usinage du titane, nous avons décidé d’apporter quelques modifications à la machine de série. » Ces modifications concernaient principalement la table tournante et la tête de fraisage, toutes deux empruntées au modèle standard STC 1250 pour le prototype de la variante HD. Alexander Fitz explique : « Pour le fraisage haute performance d’éléments structurels en titane, nous n’avons pas besoin d’une table à entraînement direct et à rotation rapide. C’est pourquoi nous l’avons remplacée par une variante à engrenages qui, avec son couple impressionnant de 25 000 Nm et son couple de serrage de 32 000 Nm, est encore mieux adaptée aux exigences. » Outre une augmentation du couple de la table, le client souhaitait également que des modifications soient apportées à la tête de fraisage. « La tête de fraisage pivotante utilisée sur les machines STC standard est très compacte et permet un accès optimal à la pièce, et donc l’utilisation d’outils courts », explique Alexander Fitz. « Nous l’avons légèrement modifiée pour la Starrag S1250 HD. Un agrandissement réalisé d’un seul côté nous permet de conserver une bonne accessibilité, tout en créant de l’espace pour un axe A renforcé de 50 % offrant un couple de 12 000 Nm et un couple de serrage de 20 000 Nm. »

Depuis de nombreuses années, la série STC de Starrag fait référence dans le domaine de l’usinage économique d’éléments structurels en titane.

La broche utilisée est la version de 53 kW développée par Starrag, qui offre un couple de 1 600 Nm et une vitesse de rotation de 4 500 tr/min. La nouveauté ici est l’interface HSK-B160. « La grande surface d’appui de 160 mm de diamètre procure une rigidité élevée aux outils », explique Alexander Fitz, « ce qui est important pour les profondeurs de coupe importantes, notamment avec des outils caractérisés par un grand porte-à-faux. »

Une plus grande rigidité dans la machine

Les concepteurs de Starrag ne se sont pas contentés de modifier la version de série par rapport au prototype en tenant compte des suggestions du client. « Nous avions avant tout pour objectif d’augmenter encore les taux d’enlèvement de matière admissibles et de réduire l’usure des outils », explique Rolando Senn, ingénieur responsable de la conception dans le domaine de l’hydrostatique. Les principaux paramètres de réglage pour y parvenir sont la rigidité et l’amortissement de la machine. « Nous avons donc renforcé la rigidité de la structure de la machine, tant au niveau des bancs que des montants », précise Rolando Senn. « Nous avons également pu augmenter la surface d’appui au niveau du système hydrostatique, ce qui nous a permis d’améliorer à la fois la rigidité et l’amortissement. Nous avons en outre réussi à optimiser la robustesse et la facilité d’entretien du système de réglage automatique des glissières hydrostatiques à l’aide d’une solution mécanique. »

L’un des plus grands postes de dépenses dans l’usinage du titane concerne les outils, qui sont soumis à une forte usure.

Les tests effectués jusqu’à présent montrent clairement que le facteur limitant n’est actuellement pas la machine, mais l’outil.

Les vraies valeurs se révèlent sur le terrain

Les premiers tests réalisés avec la machine de série se sont révélés très prometteurs. Markus Ess, directeur Technologie de la division HPS de Starrag, revient sur un test effectué à Rorschacherberg en présence des spécialistes de l’usinage du titane du site Airbus de Varel : « Nous avons réalisé ce que l’on appelle une coupe de performance, dans des conditions de serrage et d’outillage idéales. Un usinage de dégrossissage avec une fraise hérisson courte de 80 mm, une profondeur de 68 mm en coupe complète, une avance de 80 mm/min et 160 tours. L’outil a alors atteint sa capacité maximale. La machine a fonctionné tout à fait normalement et sans bruit, la puissance absorbée par la broche n’étant que d’environ 60 à 70 %. »

D’autres coupes de performance dans le titane (Ti6Al4V) réalisées sur la nouvelle machine Starrag S1250 HD ont donné des résultats qui, selon les spécialistes du fraisage de Starrag, constituent un record mondial dans l’usinage du titane : la fraise en carbure d’un diamètre de 40 à 18 dents développée par Starrag et conçue pour l’usinage haute performance (HPC) a permis d’ébaucher un bloc de titane avec les valeurs de coupe suivantes : vitesse de coupe vc = 120 m/min, avance par dent fz = 0,45 mm, profondeur de coupe axiale ap = 98 mm et profondeur de coupe radiale ae = 2 mm. La vitesse de rotation atteignait 955 tr/min, la vitesse d’avance vf s’élevait à 7 735 mm/min et l’épaisseur moyenne des copeaux hm était de 0,101 mm. Résultat : un volume d’enlèvement de copeaux Q extraordinaire de 1 516 cm3/min qui promet une productivité considérable et illustre les avantages offerts au client par des systèmes parfaitement coordonnés associant le centre d’usinage, l’outil et la technologie. Les tests réalisés jusqu’à présent montrent également que le facteur contraignant n’est à l’heure actuelle pas la machine, mais bien l’outil. D’autres tests sont par conséquent prévus, à la fois avec les outils de l’entreprise et ceux des principaux fabricants d’outils, le but étant de permettre au centre d’usinage Starrag S1250 HD d’établir de nouveaux records mondiaux.

Des outils longs pour des cavités profondes

Le développement du centre d’usinage Starrag S1250 HD anticipe déjà les besoins futurs. Il est en effet probable que l’usinage de dégrossissage connaisse un déclin au cours des prochaines années, compte tenu de l’apparition de procédés modernes permettant de fabriquer des ébauches proches du contour final de la pièce. Le principal défi consistera dès lors à plonger des outils d’une longueur pouvant atteindre 500 mm dans des cavités complexes et profondes et d’atteindre des performances élevées à cet endroit. Mais là encore, tout dépend en grande partie de l’outil et, à cet égard, la grande face d’appui plane du porte-outil HSK-B160 constitue un excellent support. Les premiers tests montrent que les versions équipées d’un système d’amortissement des vibrations sont nettement supérieures aux outils monolithiques. « La structure de notre machine HD est en tout cas parfaitement adaptée à ces usinages », affirme Markus Ess sans hésiter. « Nous avons construit une machine pour l’usinage du titane extrêmement rigide et de grande qualité qui nous permet d’effectuer des opérations de dégrossissage optimales et de travailler dans des cavités complexes, même avec des outils très longs. Voilà une combinaison qui a de l’avenir ! »

Forte réduction de l’usure des outils

L’un des plus grands postes de dépenses dans l’usinage du titane concerne les outils, qui sont soumis à une forte usure. Le bon amortissement procure des améliorations considérables à cet égard, à savoir une durée de vie nettement plus longue, même si les vitesses de rotation sont augmentées. Un potentiel d’économies absolument remarquable selon Rolando Senn : « En cas d’utilisation intensive de la machine, les économies réalisées relativisent le surcoût de l’hydrostatique. »

Markus Ess évoque un autre avantage dont peuvent bénéficier les entreprises qui optent pour le centre d’usinage Starrag S1250 HD : « Même si la consommation énergétique de la machine est plus élevée que celle d’autres machines, en termes de rendement, l’utilisateur réalise d’importantes économies d’énergie grâce à la réduction considérable du temps d’usinage et diminue en outre son empreinte de CO2. Au niveau des composants, il a besoin d’une puissance d’entraînement globalement moins élevée et réalise également des économies sur la charge de base, qui correspond à la consommation électrique du système d’alimentation en liquide de refroidissement, de l’hydraulique, de la pneumatique, du dispositif de refroidissement, etc.