Soudage haute performance des pignons d'engrenage

23/02/2018 - Markus Isgro

Chaque boîte de vitesses manuelle ou à double embrayage contient des fameux pignons fous, qui transfèrent le couple du moteur à l'arbre d'entraînement par l'intermédiaire d'un corps d'embrayage (synchroniseur) et d'un pignon baladeur. Un pignon fou est requis par niveau de vitesse, donc une boîte à 7 rapports compte 7 + 1 pignons fous.

Le concept pignon/corps d'embrayage a fait ses preuves : les deux éléments sont assemblés et soudés.

L'ELC 160 HP est une solution de fabrication EMAG spécialement développée pour l'assemblage du pignon et du corps d'embrayage. Au sein d'une ligne de production, l'ELC 160 HP couvre les sous-opérations d’assemblage (à la presse), de préchauffage pour le soudage (si nécessaire) et de soudage laser proprement dit. Afin d'obtenir des temps de cycle les plus courts possibles, ces sous-processus se déroulent en parallèle : l'ELC 160 HP est une machine à transfert rotatif, elle est ainsi idéale pour une productivité élevée. Ceci explique donc son nom, car l'acronyme HP signifie « High Performance » ou encore « Haute Productivité ». Les pignons fous typiques pour les boîtes de vitesses automobiles sont produits avec un temps de cycle de 10 secondes (!).Il est vrai que le principe de la machine à transfert rotatif est loin d'être nouveau : au contraire, les machines à transfert rotatif, jugées trop rigides, ont été remplacées dans de nombreux domaines par d'autres concepts.

C'est là que la véritable innovation de l'ELC 160 HP joue son véritable atout : Grâce à un procédé breveté par EMAG permettant la conversion automatique de la technique de serrage de la pièce à usiner, l'ELC 160 HP est en mesure de produire avec une grande souplesse différentes pièces jusqu'à une taille de lot 1.

Quatre processus simultanés - Haute performance grâce à un cadencement intelligent

Architecture centralisée, voici le terme qui décrit parfaitement la structure de la machine, autour du pilier central qui accueille tous les composants. Autour de ce pilier, une table d'indexation rotative assure le transport des pièces vers les 4 postes d'usinage. Plusieurs particularités constructives garantissent la précision du positionnement de la pièce à usiner dans le poste d'usinage, alors que la table d’indexation fonctionne à une vitesse de commutation élevée. Combinée avec la technique de serrage EMAG et grâce à sa haute précision, l'ELC 160 HP est aussi parfaitement apte à réaliser des cordons de soudure les plus fins et les plus exigeants.L'usinage commence dès le poste de chargement et de déchargement. Les deux unités Pick&Place équipées de préhenseurs pneumatiques transportent les pièces de la bande transporteuse à la table tournante et vice-versa. Puis les pièces arrivent au poste d'assemblage. Il peut être doté et équipé sans délai de jusqu'à trois poinçons d'assemblage différents sélectionnés par une instruction CN. Une flexibilité et une liberté d'équipement totales sont indispensables dans les applications devant produire, par exemple, l'ensemble des pignons d'une boîte de vitesses.L'assemblage proprement dit est réalisé avec précision et rapidité au moyen d’une presse asservie ; une surveillance force/course sert de surveillance processus.Lors du cycle suivant, la pièce arrive au troisième poste d'usinage, qui réalise le préchauffage par induction est réalisé. L'opérateur dispose ici aussi d'une unité chariot à 2 inducteurs au maximum, qui permet elle aussi la conversion automatique de l'équipement. Une courte rotation de la table d'indexation plus tard, la pièce à usiner se trouve enfin au cœur du système, au poste de soudage laser. Ici aussi, nous avons une solution particulière : chez EMAG, par principe, le serrage des pièces à souder est axial ; les distorsions sont ainsi évitées, alors que les pièces sont protégées des projections de soudure. Cette technique de serrage et de fixation peut être adaptée automatiquement à différentes géométries de pièces, à la cadence de la machine. Jusqu'à trois dispositifs sont à disposition, ce qui est généralement suffisant. La flexibilité maximum et une grande liberté d'équipement sont donc assurées.Ce principe du rééquipement automatisé (brevet EMAG) assure l’efficacité maximum de l'ELC 160 HP car il évite non seulement un rééquipement manuel, mais également le temps d'attente requis pour l'essai destructif de la première pièce soudée après un rééquipement manuel.Grâce à la mise en parallèle des sous-processus chargement/déchargement, d’assemblage, de préchauffage et de soudage par faisceau laser, l'ELC 160 HP atteint un summum de productivité : les pignons fous destinés aux boîtes de vitesses automobiles sont fabriqués normalement à une cadence de seulement 10 secondes. La conversion automatique élimine l'inconvénient majeur des machines à transfert rotatif, à savoir leur manque de flexibilité, et réalise ainsi la quadrature du cercle.Comme les deux postes précédents, ce poste dispose également d'une unité de chariot avec jusqu'à 3 contre-paliers, qui assurent la conversion automatique. La tête de soudage comporte un axe X, pour la position du cordon et un axe Z pour régler la focale. En option, ce poste peut être équipé d'une caméra avec réticule. 

Les 4 processus décrits ici se déroulent en parallèle et permettent d’obtenir des temps de cycle très court, avec un record de 10 secondes seulement. 

Design compact - Ergonomie parfaite

En dépit du design compact de la machine, aucune concession n'a été faite à l'ergonomie et à l'accessibilité pour les opérations d’entretien. Grâce à l'agencement à angle droit des postes d'usinage, chaque espace de travail est accessible séparément et donc de manière optimale. En théorie, un entretien simultané des quatre espaces de travail ne pose aucun problème. La technique nécessaire au fonctionnement de l'installation est elle aussi compacte, mais demeure cependant facilement accessible, installée dans une armoire de commande proche de la machine. Les installations électrique et pneumatique complètes, ainsi que le générateur d'induction, les capteurs, l'installation d’aspiration et de filtrage de fumées de soudage, le système d'extinction à gaz carbonique sont accessibles de manière centralisée. Le guidage de faisceau et l'optique de soudage fixes facilitent également les travaux d'entretien. Ils sont en effet non seulement un gage d'extrême fiabilité, mais ils permettent aussi d’effectuer les travaux de réglage et d’entretien avec une grande commodité. L'optique de soudage fixe garantit pour sa part que le rayon laser est toujours dirigé vers l'intérieur de la machine, ce qui est un gage de sécurité supplémentaire. Un agencement à la fois ergonomique et très sûr pour l'opérateur.

Technologie laser - Lasers à solides uniquement 

Seuls des lasers à solides de type lasers à sortie fibres optiques TruDisk de TRUMPF utilisant le principe de laser à disque, ou bien des systèmes de laser à diode directe d'IPG sont utilisés sur l'ELC 160 HP. EMAG est un pionnier dans l'utilisation des lasers à solides pour le soudage des composants de groupe motopropulseur et est convaincu des avantages qu’ils présentent. « Les lasers à solides pompés par diode ont un rendement d'environ 30 %. Cela signifie qu'un groupe de 4kW fonctionnant à pleine charge ne consomme que 25 kW, unité de refroidissement comprise. Pour le client, cela représente d'importantes économies en termes de coûts d'exploitation de l'installation par rapport aux systèmes laser classiques.» explique Nikolas Meyer, Directeur commercial chez EMAG Automation. En outre, l'utilisation de lasers à solides permet d’effectuer un soudage sans gaz inerte, qui représente des économies supplémentaires. Les processus de soudage réalisés avec des lasers à solide sont souvent bien plus rapides dans beaucoup d’autres applications. En termes de qualité des pièces, cela signifie que l'apport de chaleur dans le composant est réduit grâce à l'énergie d'arc moindre, avec pour conséquence une réduction des retraits de soudage, rendant superflues des retouche importantes. L’installation de soudage ELC 160 HP mérite donc son qualificatif « High Performance ». Tout le concept de l'ELC 160 HP, de la séquence de processus au design ergonomique et compact, en passant par la technologie utilisée - s’articule autour des performances et de la productivité. Avec des cycles de traitement extrêmement courts, EMAG propose un système de soudage au laser très intéressant pour la production de composants de groupes motopropulseurs, système qui aura sans aucun doute une grande résonance sur le marché.

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