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Des aubes de turbine à usinage adaptatif

Starrag développe un système de fabrication flexible destiné à l’usinage personnalisé en série d’aubes de turbine

Pour la finition d’aubes de turbine en titane forgées de précision, Starrag utilise un système de fabrication flexible ultra-moderne. Pour pouvoir produire jusqu’à 40 000 aubes fiables par an, le fabricant de machines et d’installation suisse a mis à profit son savoir-faire de longue date en insistant sur la conception et sur les détails pertinents. À cet effet, un programme de fraisage personnalisé pour chaque aube a par exemple été généré en raison de petites différences d’ordre procédural qui existent entre les composants.

Depuis plus de vingt années déjà, Starrag AG de Rorschacherberg réalise des projets clés en main relatifs à la fabrication d’aubes de turbine et de composants de tructure. A ce jour, 60 installations multi-machines ont été mises sur pied, apportant une précieuse et riche expérience technologique. Bon nombre de clients en tirent actuellement profit, car également connus sous les abréviations FFS ou FMS (Flexible Manufacturing System), ces systèmes de fabrication flexibles ont le vent en poupe à l’échelle mondiale. Rainer Hungerbühler, directeur des ventes, déclare : « Dans le passé, nous ne pouvions travailler que sur deux projets de ce type en parallèle. Actuellement, le nombre est passé à quatre, lesquels doivent être livrés en Asie et en Amérique. L’industrie de l’aéronautique et de l’énergie utilise de plus en plus les avantages qualitatifs et économiques qu’offre une telle production en série automatisée de composants essentiels, les aubes de turbine par exemple ».

La finition des aubes de compresseurs utilisées dans les moteurs d’avions est un projet spécial et impressionnant. Les ébauches en titane à usiner sont forgées avec précision. Alors que les deux surfaces de l’aube (côté aspiration et refoulement) ne requièrent aucun post-traitement, les bords quant à eux nécessitent un certain rayon. En outre, les différentes transitions vers la pale doivent être exemptes de toute marque de fraisage apparente. Quand bien même il est de haute précision, le forgeage est actuellement un procédé au cours duquel les composants présentent des différences individuelles. Alors que les différences mineures au niveau des surfaces d’aubes n’ont aucun impact sur l’utilisation finale, les différences au niveau du contour quant à elles exigent de grands efforts pour le fraisage des bords et des transitions.

La sécurité de production comme objectif principa

Le fraisage adaptatif comme point fort

Pour exécuter cette tâche, les constructeurs d’installations suisses ont décidé d’utiliser des machines de type LX 051, série conçue par Starrag pour l’usinage ultra-précis et simultané d’aubes de turbine sur un centre 5 axes. Afin d’obtenir une transition optimale pour chaque aube, ils ont opté pour le fraisage adaptatif. Dans ce contexte, cela signifie que le fraisage de chaque ébauche est personnalisé. Pour cela, un processus de mesure préalable au cours duquel le contour de chaque ébauche est défini a lieu dans la machine. Les données obtenues permettent d’estimer, pour chaque ébauche, un programme de fraisage NC individuel qui est immédiatement exécuté. Il en résulte une transition précise, du rayon d’arête à la surface de la pale.

Günter Leitold, responsable de la mécanisation des systèmes de fabrication flexibles chez Starrag, explique : « Le fraisage adaptatif est l’un des points forts de l’installation. Il est primordial que le processus de mesure se fasse très rapidement afin de maintenir une productivité élevée. Nous avons relevé ce défi grâce à technique de balayage la plus récente disponible sur le marché ». L’ingénieur souligne par ailleurs que Starrag est une entreprise générale spécialisée dans de telles installations de fabrication et qu’elle en assume l’entière responsabilité : « Les machines-outils, les outils, les dispositifs, tout comme le système CAM, constituent notre cœur de métier. En plus, nous disposons d’un grand savoir-faire dans le domaine de la configuration de ces installations. En ce qui concerne les composants complémentaires, il convient également de rappeler que nous ne collaborons qu’avec des entreprises leaders capables de se hisser à notre plus haut niveau en termes de capacité et de disponibilité.

 

A six-axis robot transports the components and also supplies the machines of the second line if needed.

Une production totalement automatique avec un ordinateur central comme base des objectifs de croissance

Une structure redondante pour une meilleure disponibilité

La fiabilité de l’installation a joué un rôle décisif dans la planification. Au cours de la phase finale, près de 40 000 aubes de turbine devraient enfin être produites chaque année. Les planificateurs ont donc opté pour une configuration toujours redondante. Le système FMS est ainsi constitué de deux lignes  onfigurées de manière identique, chacune comprenant deux stations de chargement, deux centres d’usinage LX 051 avec dispositif de balayage, une installation de lavage, une machine de marquage par micro-percussion et une cellule de mesure. Les composants sont transportés chacun par un robot à six axes qui alimente également les machines de la deuxième ligne en cas de nécessité.

L’installation complète est commandée par un ordinateur central avec système PPS qui dispose également de plusieurs modes de fonctionnement en cas d’urgence. L’installation peut ainsi être utilisée en trois postes, assurant un fonctionnement continu pendant six jours sur sept. Günter Leitold ajoute : « La maintenance peut aussi être exécutée pendant le fonctionnement. À ce titre, certains composants de la cellule sont mis hors service et les composants redondants utilisés. D’un clic de la souris, l’unité concernée est désactivée au niveau de l’ordinateur central, puis mise à disposition pour les travaux de maintenance ou les tests du programme ».

The Swiss plant developers opted to use LX 051 machines for this purpose. This series of machines has been developed by Starrag for the highly precise, simultaneous five-axis machining of turbine blades.

Une conversion adaptative pour des aubes d’une qualité toujours élevée

Pour une disponibilité optimale, la conversion de l’installation a également été prévue. À cet égard, Starrag ne s’est pas passé de l’assistance humaine compte tenu des différences mineures précitées que présentent les contours des ébauches en raison du forgeage. « Cette décision n’a pas été facile à prendre à cause de l’automatisation complète presque continue », affirme Patrik Rutishauser, responsable des applications d’ingénierie. « Les calculs ont toutefois montré que notre processus de conversion assistée par l’opérateur est la solution la plus rentable pour cette installation », ajoute-t-il.

La raison : le fraisage productif exige un serrage fixe à des forces de serrage prédéterminées. Même si les divergences d’une aube à l’autre ne sont que minimes, certaines ébauches peuvent toutefois ne pas se trouver exactement sur les points d’appui lors du chargement automatique du dispositif. Lors de la fixation, le composant peut subir des serrages qui, après le fraisage, peuvent causer une déformation au moment du desserrage et rendre l’aube inutilisable. Starrag a donc conçu un dispositif adaptatif capable de s’adapter à chaque ébauche d’aube. La limitation des tolérances autorisées pour le composant a été une autre solution. Toutes les ébauches d’aubes ne respectant pas celles-ci devraient tout d’abord être éliminées. Une mécanisation pratique surviendrait ensuite grâce à un dispositif solide et efficace. Pour les ébauches moulées en titane, les rebuts seraient cependant trop importants pour obtenir un résultat acceptable.

 

Un processus entièrement automatisé : double fraisage, ébavurage, lavage, marquage et contrôle

L’installation dispose d’environ quatre postes de préparation. Chaque poste de préparation est équipé d’un PC de commande qui communique avec l’ordinateur central. À la livraison, les ébauches contiennent déjà un code 2D qui permet de les identifier de manière unique. Lors de la préparation, ce code est lu par un lecteur et transmis à l’ordinateur central. Rainer Hungerbühler, responsable des ventes, présente la polyvalence du système FMS en ces termes : « L’installation est conçue pour sept variantes différentes d’aubes de turbine. L’ordre de production des aubes est déterminé par l’ordinateur central en fonction des différentes priorités ».

Pour la finition d’aubes de turbine en titane forgées de précision, Starrag utilise un système de fabrication flexible ultra-moderne.

L’installation dispose d’environ quatre postes de préparation. Chaque poste de préparation est équipé d’un PC de commande qui communique avec l’ordinateur central. À la livraison, les ébauches contiennent déjà un code 2D qui permet de les identifier de manière unique. Lors de la préparation, ce code est lu par un lecteur et transmis à l’ordinateur central. Rainer Hungerbühler, responsable des ventes, présente la polyvalence du système FMS en ces termes : « L’installation est conçue pour sept variantes différentes d’aubes de turbine. L’ordre de production des aubes est déterminé par l’ordinateur central en fonction des différentes priorités ».

La procédure théorique est identique pour toutes les aubes. Le fraisage de chaque aube se fait en deux opérations de serrage. Par conséquent, deux dispositifs différents sont nécessaires. Dans le premier dispositif, l’ébauche est serrée selon un principe de serrage défini par Starrag. Les bords et les zones de transition sont ainsi prêts pour un usinage des deux côtés.

Le deuxième dispositif contient un système de serrage de pale qui garantit le fraisage du pied et de la tête de l’aube. L’ébavurage requis a lieu dans la machine après le processus de fraisage. Après que le marquage initial ait été supprimé lors du deuxième fraisage, chaque aube reçoit par la suite un nouveau code 2D inscrit par une machine de marquage par micro-percussion. Un autre dispositif est nécessaire pour le processus de mesure optique final au cours duquel plus de 50 caractéristiques sont contrôlées pour chaque aube.

Afin de rendre la préparation la plus efficace possible, tous les trois dispositifs d’un type d’aube sont prêts pour la conversion au niveau du poste de préparation, lorsque l’installation est en plein régime. L’opérateur sort l’aube entièrement usinée du dispositif de mesure, convertit ensuite les deux autres et introduit une nouvelle ébauche dans le premier dispositif.

Un savoir-faire en matière d’usinage

Rutishauser, responsable des applications d’ingénierie, souligne de nouveau d’autres particularités de l’installation :
« Le savoir-faire de Starrag ne se limite pas aux machines, il s’étend également au processus d’usinage. Pour créer les programmes de fraisage adaptatifs, nous utilisons donc aussi bien notre logiciel CAM que d’autres outils de fraisage VHM pour un usinage optimal ». Afin de répondre aux besoins importants en matière d’outils pour les quatre centres d’usinage qui tournent vingt-quatre heures sur vingt-quatre, Starrag a ajouté à la chaîne d’installation deux affûteuses d’outils avec équipements auxiliaires, dont le fonctionnement est commandé par l’ordinateur central. Elles permettent d’affûter certains outils directement sur le site. Comme tous les autres outils nécessaires, ceux-ci sont alors mesurés sur place, insérés dans les supports et mis à la disposition des machines en fonction des besoins.

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