L'outil de coupe joue un rôle fondamental dans les opérations d'usinage. Il existe sur le marché plusieurs types d'instruments pour en contrôler la qualité. Parmi eux, des systèmes optiques basés sur la variation focale, qui mesurent à la fois la forme et les états de surface des outils.

C'est le tout premier projet initié par le consortium Intercut Network. Ce groupement, né en 2009, rassemble plusieurs acteurs reconnus pour leurs travaux de recherche et de transfert de technologie dans le domaine de l'usinage: le Cetim (Centre technique des industries mécaniques), le CTDEC (Centre technique du décolletage), l'Enise (Ecole nationale d'ingénieurs de Saint-Étienne) et les Arts et Métiers ParisTech de Cluny. En lançant le projet Edge, ces partenaires ont souhaité proposer aux fabricants d'outils des solutions concrètes pour optimiser leur production et en accroître la qualité. L'idée est née de plusieurs constats. Tout d'abord, la nécessité de s'intéresser aux outils de coupe spéciaux. «Au début des années 2000, les fabricants français produisaient environ 80 % d'outils standard, et 20 % d'outils spéciaux à forte valeur ajoutée, destinés à répondre à des besoins d'usinage spécifiques. Aujourd'hui, cette proportion s'est inversée » , explique François Laforce, ingénieur en charge du projet au Cetim. En cause, la délocalisation vers les pays à bas coûts et la croissance du marché asiatique dans la fabrication d'outils standard… Dans un contexte de crise, et devant la nécessité de faire face à une concurrence de plus en plus rude, les fabricants français n'ont d'autres choix que montrer leurs différences et apporter leur savoir-faire dans la production d'outils de coupe spéciaux. Or cette fabrication offre de nombreuses pistes d'amélioration. «Aujourd'hui le délai moyen d'obtention d'un outil spécial est supérieur à 3 semaines. Il peut même se prolonger à 6 ou 8 semaines si l'on considère les outils spéciaux en carbure monobloc à forte valeur ajoutée » , indique Christophe Claudin, ingénieur de recherche à l'Enise. Pourtant la production de l'outil proprement dite ne nécessite pas plus d'une heure. Les raisons expliquant de tels délais sont multiples. Il y a d'abord de nombreux temps morts inexploités entre le moment où l'industriel exprime son besoin, et celui où il obtient l'outil. Par ailleurs, la conception d'un outil spécial (à la géométrie parfois complexe) nécessite le plus souvent une programmation particulière des machines, avec des gammes de fabrication quasiment sur mesure, et des contrôles spécifiques.

L'autre constat dressé par les membres du projet est lié à la qualité des outils produits. Il est très difficile, à l'heure actuelle, d'obtenir des qualités constantes au sein d'un même lot, parmi des outils semblables. « Il y a des problèmes de stabilité dans le process conduisant à l'obtention d'outils spéciaux , souligne Christophe Claudin (Enise). En utilisant deux outils apparemment identiques, les performances peuvent être très différentes : dans certains cas, l'un d'entre eux pourra usiner jusqu'à 3 000 pièces,alors que l'autre cassera au bout de 600 pièces » . Des durées de vie très différentes que l'on n'explique pas forcément, et qui sont quasiment impossibles à prévoir. Les conséquences, en revanche, sont bien connues: la casse d'un outil de coupe entraîne l'arrêt de la chaîne de production, et la pièce produite doit être réusinée voire mise au rebut (avec la perte de temps et les coûts que tout cela engendre). Bref, une machine de production ne peut être utilisée au mieux de ses capacités qu'avec un outil de coupe performant.

10 outils en un jour

Forts de ces constats, les partenaires du projet Edge ont articulé celui-ci autour de deux objectifs principaux: réduire de façon drastique le délai moyen d'obtention d'un outil spécial, et assurer une production de qualité constante. Le projet devrait aboutir cet automne à la mise en place d'un démonstrateur industriel constituant en quelque sorte la “chaîne de production idéale”. Celle-ci rassemblera en un seul lieu les moyens nécessaires de conception, réalisation et contrôle, afin de fabriquer des outils spéciaux en un temps très bref. A travers cette réalisation, les acteurs du projet comptent montrer qu'il est possible de produire dix outils haut de gamme en une journée (contrôle compris), et donner aux industriels les clés pour y parvenir.

Le projet Edge concerne aussi bien les utilisateurs que les fabricants d'outils coupants. Côté utilisateurs, il y a tout d'abord les grands comptes de l'automobile ou de l'aéronautique, qui cherchent à réduire leurs temps de production. Ces contraintes de temps de cycle les poussent à privilégier l'outil spécial (qui remplace à lui seul plusieurs outils standard). Ils souhaitent obtenir celui-ci rapidement, et bénéficier de produits de qualité identique. Autres types d'utilisateurs, les PME de la mécanique. « Ces dernières sont souvent amenées à utiliser des outils spéciaux pour réaliser des prototypes. Dans ce cas, ce n'est pas le temps de cycle qui importe, mais surtout le temps nécessaire pour répondre aux appels d'offres. Les délais d'approvisionnement en outils spéciaux doivent donc être très courts » , explique Christophe Claudin (Enise).

L'une des machines utilisées dans le projet Edge vise à réaliser une analyse géométrique de la forme globale des outils spéciaux. Le contrôle s'effectue à l'aide d'une caméra numérique et d'un éclairage spécifique.

L'objectif du projet Edge consiste à former une chaîne numérique complète dans le processus de fabrication des outils spéciaux. Elle s'étend de la conception de l'outil au rapport de contrôle, en passant par la génération des trajectoires sur les machines d'affûtage et les opérations de mesure à plusieurs échelles.

Les fabricants d'outils spéciaux ont eux aussi tout à gagner s'ils assurent une production haut de gamme de manière rapide, avec un process stable. Parmi eux, il y a bien sûr les professionnels du décolletage. « Les décolleteurs sont particulièrement intéressés car ils fabriquent en interne leurs propres outils coupants, et sont en quelque sorte garants du résultat » , note Ephraïm Goldschmidt, ingénieur R&D au CTDEC . Le projet étant financé essentiellement par des organismes rhônalpins, il s'adresse en priorité aux industriels de la région Rhône-Alpes. (En ne comptant que les fabricants d'outils, ce secteur représente à lui seul près de 3 500 emplois dans la région). Mais rien n'empêche d'autres utilisateurs ou fabricants d'outils de profiter également des travaux qui auront été réalisés.

Une chaîne numérique complète

Le projet Edge comporte trois volets. Un premier axe deR&D fondamentale a pour objectif de valider les paramètres géométriques des outils, ainsi que les gammes de fabrication, les méthodes de préparation d'arête, et les conditions d'affûtage. Un second axe, plus applicatif, vise à déterminer les moyens de contrôler efficacement les outils à plusieurs échelles (macro et microgéométrique).Enfin viendront la mise en place et l'utilisation du démonstrateur industriel.

Les différents partenaires se sont réparti les tâches. Le Cetim, de son côté, est le chef du projet. Il assure la coordination entre les différents acteurs, l'interface avec les industriels, et participe à la mise en place du démonstrateur. Les Arts et Métiers sont chargés de la validation des paramètres géométriques. L'Enise, quant à lui, gère les tâches liées à l'optimisation des gammes de fabrication, à la préparation d'arêtes et aux conditions d'affûtage. Enfin le contrôle des outils est placé sous la responsabilité du CTDEC.

A travers le démonstrateur qui sera mis en place, les experts souhaitent valider le fonctionnement d'une chaîne numérique complète du processus de fabrication des outils. Cette chaîne s'étend de leur conception au rapport de contrôle, en passant par la génération des trajectoires sur les machines d'affûtage. Elle devrait permettre de lancer directement la production d'un outil à partir d'une programmation logicielle en amont, un peu comme si celui-ci était standard… En établissant un lien entre les différents moyens matériels et logiciels, la chaîne numérique participera aussi à la structuration d'une profession relativement morcelée. « Pour le fabricant d'outils coupants,il y a plusieurs étapes incontournables : l'approvisionnement en barreau de carbure, le taillage, la préparation de l'arête et le revêtement de l'outil.Le plus souvent,ce ne sont pas les mêmes entreprises qui s'en chargent, et il n'y a pas de relation entre elles… Avec le projet Edge, nous travaillons sur le taillage des barreaux de carbure et la préparation d'arête. Sur le plan technique, l'objectif est de voir comment relier ces procédés pour que l'outil obtenu au final ait la qualité attendue » , précise François Laforce (Cetim). « Nous souhaitons rassembler des forces et fédérer une profession autour d'un projet commun.La tâche n'est pas aisée, car certains fabricants hésitent à franchir le pas, craignant la perte de connaissances » , constate Chrisophe Claudin (Enise).

Certains moyens de mesure sont utilisés à la fois pour contrôler la forme de l'outil à l'échelle macrogéométrique et l'état de surface dans des endroits difficilement accessibles (arêtes, goujures, etc.).

Chacune des étapes du projet Edge met en jeu des problématiques spécifiques. C'est le cas notamment de la validation des paramètres géométriques définissant l'outil. Avant de déterminer les paramètres fonctionnels pour la coupe, encore faut-il trouver un langage commun. Il existe bien une norme (ISO 3002) définissant le vocabulaire à employer, mais elle est très peu utilisée par les industriels. Résultat, « il peut y avoir de nombreuses ambiguïtés dans le langage des usineurs au niveau des paramètres géométriques de l'outil coupant.Mais lorsqu'on s'intéresse à un angle de coupe ou à un angle de dépouille, par exemple, il faut être bien sûr que chacun parle de la même chose » , indique François Laforce (Cetim). Une fois les différents angles définis, il faut les transposer dans les logiciels pour la préparation des outils. Et là encore « d'une machine à l'autre, l'orientation des plans de mesure n'est pas forcément identique , ajoute Christophe Claudin (Enise). Or les industriels préfèrent travailler avec leurs procédures, ainsi qu'avec les repères de leur propre machine » . Pour trouver un langage commun et harmoniser les procédures, les acteurs du projet songent notamment à préparer des guides à destination des industriels.

Une fois ces paramètres déterminés, il faut optimiser les gammes de fabrication. Pour cela, il est nécessaire d'identifier les entités composant un outil coupant (arête, goujure, première dépouille, deuxième dépouille, etc.) et de définir pour chaque entité une gamme optimale.Vient ensuite la phase importante de la préparation d'arête (par brossage et tribofinition) afin de s'assurer que l'on obtient un outil correctement acéré avec une méthode répétable. Puis la détermination des conditions d'affûtage. Pour cela, il faut chercher à optimiser les conditions d'utilisation des meules, afin de maîtriser la répétabilité de la fabrication.

Deux types de contrôle

La phase de contrôle des outils a elle aussi nécessité une étude approfondie. Les acteurs du projet ont souhaité valider la mise en place de deux types de contrôle, à différentes échelles : une analyse géométrique de la forme globale de l'outil à l'aide de la machine Genius 3 conçue par Zoller, et une mesure plus fine des paramètres critiques d'un outil de coupe (rayons d'arête et rugosités) grâce au système InfiniteFocus d'Alicona. Le choix des deux fournisseurs n'a pas fait l'objet d'appel d'offres, mais il ne doit rien au hasard. « Zoller est un fabricant reconnu dans le domaine du contrôle d'outils. D'autre part, il existe déjà une passerelle entre sa solution et la machine d'affûtage de SMP (également utilisée dans le cadre de ce projet). Il était donc pratique, pour nous, de profiter de ce lien. Enfin Zoller est aussi présent chez les fabricants d'outils rhônalpins » , explique Christophe Claudin (Enise). Dans la machine Genius 3, l'outil est mis en rotation devant une caméra numérique dotée d'un éclairage spécifique. Le système numérise la forme de l'outil en 3D, afin de détecter d'éventuels défauts.

Alicona est lui aussi connu pour son savoir-faire dans la mesure de forme et d'états de surface des outils de coupe. Sa participation au projet passe par la mise à disposition, durant le temps nécessaire, de l'instrument InfiniteFocus équipé du système de rotation de l'outil Real3D. « Le système de mesure qui nous a été fourni est très efficace pour cette application. Il nous est indispensable pour mesurer les rayons d'arête, et surtout pour connaître la rugosité dans des endroits difficilement accessibles (arêtes,faces de découpe et de dépouille, goujures) » , souligne François Laforce (Cetim). Aces contrôles s'ajoutent également des mesures dimensionnelles qui conduisent à une numérisation en 3D de la surface mesurée. Celle-ci peut être comparée au fichier CAO afin de valider sa conformité (ou de mesurer les écarts avec la forme théorique). « La capacité de l'InfiniteFocus à mesurer la forme et l'état de surface des arêtes de coupe réside dans son principe de mesure optique. Grâce à la variation focale, il est possible de mesurer des pentes importantes (jusqu'à 85°) sur une grande profondeur. Or un outil présente par nature une topographie qui, quel que soit l'angle de vue choisi, présentera des pentes importantes situées à des distances de plusieurs millimètres ou centimètres » , précise Pierre Rolland, gérant d'Alicona France. « Si l'on utilisait un moyen de contrôle par contact, il serait impossible de réaliser des mesures correctes sur des pentes aussi élevées, confirme Christophe Claudin (Enise). En revanche, un principe optique tel que la variation focale rend possible l'évaluation locale de la qualité de la partie acérée de l'outil » .

Avant de déterminer les solutions pour mesurer la qualité des outils de coupe, les acteurs du projet Edge ont dû définir les paramètres décrivant les outils et sélectionner les plus pertinents. Parmi eux, les angles de coupe et de dépouille.

Certains fabricants disposent déjà d'équipements de contrôle, mais cela reste relativement confidentiel. « Dans le décolletage, par exemple, beaucoup d'industriels produisent leurs propres outils. Ceux-là mesurent davantage la pièce finie que l'outil proprement dit. Les autres font fabriquer et revêtir les outils. Dans ce cas, ils n'ont que très peu de moyens pour vérifier que l'outil qui leur est fourni est conforme au besoin » , souligne Ephraïm Goldschmidt (CTDEC).

Quant aux équipements de mesure actuellement employés (micromètres, projecteurs de profil, etc.), ils ne réalisent le plus souvent que des contrôles relativement succincts, à l'échelle macrogéométrique. Pour obtenir une analyse plus fine, il existe les microscopes classiques ou à balayage. « Mais dans le premier cas, la profondeur de champ n'est pas suffisante pour voir la totalité de l'arête. Dans l'autre, le coût est prohibitif et la solution ne peut convenir au milieu industriel » , explique Christophe Claudin (Enise).

Vers une méthode de fabrication “idéale”

Outre le défi technique, les acteurs du projet Edge doivent aussi faire face à un certain nombre de difficultés liées au domaine d'activité concerné. La qualité des arêtes de coupe et la stabilité du process sont en effet des sujets très sensibles pour la plupart des fabricants d'outils. Chacun essayant de garder son savoir-faire en interne, il est relativement difficile de rassembler les besoins des uns et des autres autour d'un projet commun. Par ailleurs, « nous dépendons aussi de l'implication et de la volonté des fournisseurs qui acceptent, ou pas, de nous prêter une de leurs machines durant le déroulement du projet » , ajoute Ephraïm Goldschmidt (CTDEC).

Le démonstrateur sera mis gratuitement à la disposition des industriels pendant une durée de six mois dans les locaux de SMP à Bron (69). Il comportera toutes les étapes clés de la fabrication: réalisation de l'outil, préparation d'arête, contrôle de forme, puis mesure de rayons, angles d'arêtes et rugosité. Pour cela, il comprendra une machine d'affûtage, un outil de tribofinition, l'instrument de Zoller, et le système de mesure d'Alicona. Du côté des visiteurs, une douzaine de fabricants sont attendus pour l'instant. « Le but n'est pas de proposer une démonstration, mais de faire en sorte qu'ils utilisent eux-mêmes les machines, avec leurs problématiques. C'est pourquoi il est prévu qu'ils aient sur place les moyens de tailler les barreaux, réaliser des préparations d'arête, et contrôler les outils produits » , explique François Laforce (Cetim). L'utilisation du démonstrateur se fera de manière séquentielle, afin de protéger la confidentialité des essais. Bien sûr, il n'est pas possible de réaliser une chaîne de production “universelle”, alors qu'il s'agit de fabriquer des outils par définition spécifiques. Impossible, on le comprend, d'adapter les moyens utilisés à tous les carbures ou à toutes les formes d'outils. « Pour la démonstration, nous allons donc restreindre l'application aux outils de rotation (forets, fraises, etc.), ainsi qu'à un carbure défini » , précise Ephraïm Goldschmidt (CTDEC). De même, les capacités des machines utilisées se limiteront à la fabrication d'outils de 6 à 12 mm de diamètre, qui concernent la plus grosse part du marché.

Pour la suite, les acteurs du projet espèrent que cette méthode de fabrication “idéale” essaimera dans les différents sites des fabricants d'outils rhônalpins. Mais ils sont aussi conscients de l'investissement que cela représenterait. Pour Christophe Claudin (Enise), « peu de fabricants seront prêts à installer de tels équipements chez eux. Mais le projet pourra peut-être aboutir à l'apparition de plates-formes mutualisées,dans lesquelles ces moyens seront mis en commun. Si de telles structures sont implantées en Rhône-Alpes, les industriels français pourront résister davantage à la concurrence de l'Allemagne et des pays asiatiques » .

Une fois que le projet Edge sera arrivé à son terme, il y a de fortes chances pour que le consortium Intercut Network lance d'autres travaux semblables dans le même domaine. La préparation d'arête,enparticulier,pour-rait faire l'objet d'un nouveau projet. « En rencontrant les industriels au cours du projet Edge, nous avons constaté qu'il y avait de nombreuses questions sur ce sujet. Il faut dire que c'est un point critique de l'outil de coupe.Suivant la façon dont on définit la préparation d'arête, la longévité de l'outil est plus ou moins importante. C'est pourquoi nous approfondirons certainement ce sujet par la suite » , annonce François Laforce (Cetim).