Cintrage de jeux de barres, hydraulique ou servo

Demandez à un constructeur de machines s'il faut acheter hydraulique ou servo et vous recevrez la description de celle qu'il fabrique. Cela ne sert à personne.

Nous fabriquons les deux. L'EMAC-BB-H12 est une tête hydraulique hybride et l'EMAC-BB-S12 une tête tout servo. Elles sont données pour les mêmes valeurs : 400 kN, ±0,1° de précision de cintrage, capacité 200 × 16 mm, compensation électronique du retour élastique, 6,25 kW installés. Même enveloppe, même fiche technique, chaîne cinématique différente. Le choix entre les deux porte donc sur la façon dont vous faites tourner votre atelier plutôt que sur la supériorité de l'une, et nous n'avons aucune raison commerciale de prétendre le contraire.

Trois architectures, pas deux

La comparaison est généralement posée en deux options. Elles sont trois, et c'est dans celle du milieu que vit l'essentiel de la confusion actuelle.

Sur une tête hydraulique conventionnelle, une pompe à cylindrée fixe entraînée par un moteur asynchrone tourne en permanence à pleine vitesse. Le débit dont la machine n'a pas besoin passe par un limiteur de pression et devient de la chaleur dans l'huile. Le mouvement du coulisseau est commandé par des distributeurs et des servovalves proportionnelles, et le groupe comporte un accumulateur, un réservoir de bonne taille et généralement un refroidisseur.

Sur une tête hybride, ou à pompe servo-commandée, un servomoteur entraîne la pompe et la vitesse de pompe est commandée en fonction de la demande. La position du coulisseau est pilotée en faisant tourner la pompe plutôt qu'en étranglant le débit dans une valve : le circuit de décharge cesse donc d'être l'élément de commande principal. Comme les pertes sont bien plus faibles, le réservoir rétrécit et le refroidisseur disparaît souvent. Hydrauliquement, cela reste une machine hydraulique : vérin, huile, joints, filtre.

Sur une tête tout servo, un servomoteur entraîne une vis à billes, une vis à rouleaux ou une crémaillère, et il n'y a aucun fluide de travail. La seule huile de la machine est le lubrifiant de réducteur et de glissières.

Quand on dit « machine à cintrer servo », on désigne tantôt la deuxième, tantôt la troisième, et les deux se comportent très différemment en effort et en maintenance. Demandez laquelle décrit l'offre que vous avez sous les yeux.

L'effort à pleine course

C'est l'avantage structurel de l'hydraulique, et on n'en parle pas assez.

Un vérin hydraulique produit un effort égal à la pression multipliée par la section du piston, et cette relation se moque de la position du coulisseau. L'effort nominal complet est disponible en début de course, en fin de course et partout entre les deux. Il est également disponible statiquement : vous pouvez maintenir en pression, indéfiniment, sans pénalité thermique dans l'actionneur.

Un axe servo à vis produit son effort à partir du couple moteur, via le pas de la vis. Bien que cela soit aussi nominalement constant avec la position, les limites pratiques sont différentes. Maintenir un effort élevé à vitesse nulle fait passer du courant dans les enroulements sans rotation pour les refroidir : l'effort en service continu est donc inférieur à l'effort de crête. La durée de vie de la vis et de son écrou est gouvernée par une intégrale charge × distance : travailler en permanence près de l'effort maximal consomme donc la chaîne cinématique plus vite que travailler à mi-effort. Et toute la chaîne — vis, écrou, roulements et bâti — doit être dimensionnée pour la crête, ce qui explique qu'une machine servo, à effort nominal égal, soit généralement la plus coûteuse à construire.

Pour du cintrage à plat en faible épaisseur, 5 à 10 mm, cela mord rarement. Pour du travail épais sur chant, en haut de la capacité d'une machine, où la barre est à pleine section et l'outillage en prise complète pendant un long maintien, un vérin hydraulique fait ce pour quoi il a été conçu et une vis peine.

Énergie : c'est à vide que se joue la différence

En charge, les deux architectures ne diffèrent pas beaucoup. Un circuit hydraulique perd quelque chose au rendement de la pompe et des valves et aux frottements du fluide ; une vis servo perd quelque chose au rendement du moteur et au frottement de la vis ; aucune de ces pertes ne domine le tableau.

C'est à vide qu'elles divergent, et le cintrage de jeux de barres est un procédé à forte proportion de temps mort. L'opérateur repositionne la barre entre deux plis, vérifie une cote, va au rack chercher la longueur suivante. Sur une machine hydraulique conventionnelle, la pompe tourne à pleine vitesse pendant tout cela, en déchargeant le débit par le limiteur et en chauffant l'huile. Sur une pompe servo, le moteur ralentit ou s'arrête. Sur un axe tout servo, le moteur ne tire qu'un courant de maintien.

Le quantifier est plus difficile que ne le suggère le discours commercial. Les fournisseurs d'entraînements de pompes à vitesse variable annoncent couramment 30 à 60 % de réduction d'énergie par rapport aux groupes à vitesse fixe, et certains jusqu'à 80 %, la réserve « selon le cycle de service » faisant à chaque fois un travail considérable. Ce sont des valeurs de fournisseurs et elles ne sont pas vérifiées de façon indépendante ici.

Ce qui s'approche le plus de données mesurées indépendamment vient d'une classe de machines voisine. Un programme d'un distributeur d'électricité américain a suivi côte à côte, pendant une semaine et sur des pièces comparables, une presse à injecter hydraulique et une presse tout électrique, et a rapporté 0,278 kWh par livre de plastique pour la machine hydraulique contre 0,073 kWh par livre pour la tout électrique. C'est un autre procédé avec un autre cycle de service et il ne faut pas transposer ce chiffre au cintrage de jeux de barres. Il figure ici uniquement parce que le sens et l'ordre de grandeur résistent à la mesure plutôt qu'au marketing.

Pour votre propre cas, faites l'arithmétique plutôt que de croire un pourcentage. La puissance moteur installée est de 6,25 kW sur nos deux têtes. Prenez la durée de votre poste, retranchez le temps pendant lequel le coulisseau se déplace effectivement en charge, et valorisez le reste à votre tarif industriel. Dans un atelier à un poste et à utilisation modérée, l'écart annuel est en général assez faible pour ne pas décider de l'achat. Dans une usine de canalisations à trois postes, il est assez important pour apparaître dans un calcul de retour sur investissement, et il s'accompagne d'une seconde économie qu'on oublie : l'énergie qui ne part pas dans l'huile est de l'énergie que vous ne payez pas ensuite pour l'évacuer avec un refroidisseur, et de la chaleur que vous n'ajoutez pas à l'atelier en été.

Précision et répétabilité

Les deux têtes sont spécifiées à ±0,1° avec compensation électronique du retour élastique, et ce n'est pas une coïncidence commerciale : sur une machine moderne, la précision de position est fixée par le système de mesure et la boucle de commande, non par ce qui pousse le coulisseau.

Là où les architectures diffèrent, c'est dans ce que la boucle doit combattre.

Une vis servo présente une relation rigide et quasi linéaire entre la position du moteur et celle du coulisseau, le jeu et la torsion de la vis étant les principales erreurs, toutes deux stables et compensables. Un vérin hydraulique interpose une colonne d'huile entre la pompe et la charge, et l'huile est compressible. Sa raideur varie avec la pression, la température et l'air entraîné. Une boucle fermée sur la position du coulisseau gère cela très bien, mais la boucle travaille davantage et la réponse dynamique est plus molle.

La différence pratique se voit sur les mouvements courts et rapides plutôt que sur la précision finale. Un axe servo se stabilise plus vite après un petit incrément commandé, ce qui compte quand un programme enchaîne de nombreuses petites corrections d'angle. Sur un pli unique à 90° contre une butée, vous ne les distinguerez pas au rapporteur.

La compensation du retour élastique est une fonction de commande et réside dans la CNC des deux côtés. Elle travaille à partir d'une correction stockée par combinaison de matériau, d'état métallurgique et d'outil, ce qui relève d'un problème de matière et non d'actionneur, et qui est traité à part dans la compensation du retour élastique au cintrage.

Le bruit

Un groupe hydraulique conventionnel est l'objet le plus bruyant de la plupart des ateliers de jeux de barres. Le bruit est dominé par la pompe, et il est continu, ce qui fatigue davantage qu'un bruit intermittent de même niveau.

L'hydraulique à vitesse variable comme le tout servo réduisent cela sensiblement, et pour la même raison : la pompe ralentit ou n'existe pas. Une machine tout servo à vide est pratiquement silencieuse, et son bruit en charge est mécanique, produit par le contact de l'outillage avec la barre, ce qui est identique sur n'importe quelle machine.

Nous n'annoncerons pas de valeur en décibels, car elle dépend de l'enveloppe, du montage, du réservoir, du local et de l'endroit où vous vous tenez, et toute valeur unique serait dépourvue de sens. Si le bruit est une contrainte pour vous, demandez à tout fournisseur une mesure à une distance indiquée et sous un cycle de service indiqué, et considérez un refus comme une réponse.

L'huile, et ce qu'elle coûte réellement

L'hydraulique apporte un flux de maintenance sans rapport avec le cintrage. Des filtres à échéance. Des analyses d'huile, ou au minimum des vidanges à échéance. Des remplacements de flexibles et de joints, non planifiés et donc toujours inopportuns. Un réservoir à compléter, à maintenir propre et, à terme, à éliminer comme déchet réglementé.

Il y a aussi un problème de propreté propre à ce métier. La barre sera ensuite isolée, revêtue, thermolaquée ou enrobée, et un brouillard d'huile hydraulique sur une surface de cuivre est un problème d'adhérence de revêtement. Les ateliers qui font tourner du cintrage hydraulique à côté d'une ligne de revêtement le savent déjà et disposent d'une étape de dégraissage. Ceux qui supposent que tout ira bien l'apprennent au premier lot de barres cloquées.

L'architecture hybride réduit cela sans le supprimer. Moins de chaleur dans l'huile signifie une durée de vie de fluide plus longue et un réservoir plus petit à vidanger, mais les joints, les flexibles et le filtre sont toujours là.

Une machine tout servo échange cela contre une liste différente et plus courte : lubrification de la vis et des glissières, jeu contrôlé périodiquement, et une chaîne cinématique dont la reconstruction éventuelle est un événement unique plus lourd que n'importe quelle intervention hydraulique, mais bien plus rare.

Le démarrage à froid

Une différence sous-estimée dans les ateliers non chauffés.

La viscosité de l'huile hydraulique dépend fortement de la température. Une huile froide circule lentement, et une machine démarrée à 5 °C un matin d'hiver ne se comporte pas comme la même machine à sa température d'équilibre : les temps de cycle sont plus longs et, tant que la colonne d'huile et le bâti n'ont pas atteint l'équilibre, les premières pièces du poste peuvent dériver en angle. La réponse habituelle est un cycle de mise en chauffe, qui coûte du temps de poste et de l'énergie, et c'est l'une des raisons pour lesquelles un atelier hydraulique tend à laisser les machines tourner pendant les pauses.

Un axe servo n'a pas d'équivalent. La viscosité de la graisse change légèrement et le bâti se déplace thermiquement comme toute machine-outil, mais aucun fluide de travail dont le module de compressibilité et la viscosité entrent dans la boucle de commande. La première pièce sortie est plus proche du bon.

L'hybride se place entre les deux et, sur ce point, plus près de l'hydraulique conventionnelle, car il a toujours de l'huile — en volume plus faible et passant moins de temps chaude.

Le coût

Nous ne publierons pas de prix, et tout article qui vous donne un rapport de prix devine votre spécification, votre pays et votre année. Ce que nous pouvons vous donner, c'est la forme du coût.

Le prix d'achat, à effort nominal donné, va généralement du tout servo au-dessus de l'hydraulique hybride, elle-même au-dessus de l'hydraulique conventionnelle, car une chaîne à vis dimensionnée pour l'effort complet coûte cher en métal.

Le coût de l'énergie va dans l'autre sens et croît avec le taux d'utilisation et avec votre tarif. À faible utilisation, c'est du bruit dans les comptes ; à trois postes et aux prix de l'électricité européens ou japonais, ce ne l'est plus.

Le coût de maintenance est une somme planifiée, faible et récurrente sur l'hydraulique, contre une somme non planifiée, plus élevée et plus rare sur le servo. Laquelle vous préférez est en partie une question financière et en partie une question de savoir si vous avez un service maintenance.

L'indisponibilité est en général là que se trouve l'argent, et elle ne favorise aucune architecture de façon constante. Une machine hydraulique compte plus d'éléments qui défaillent progressivement et que l'on peut détecter. Une machine servo compte moins de modes de défaillance mais des délais d'approvisionnement plus longs quand un variateur ou une vis lâche.

La règle de décision

Achetez la tête tout servo si l'une de ces descriptions vous correspond : vous travaillez à forte utilisation sur deux ou trois postes ; votre mix produit est dominé par des plis répétitifs de petite et moyenne taille où le temps de cycle et le temps de stabilisation comptent ; vous êtes dans un environnement propre ou voisin d'une ligne de revêtement où l'huile est une nuisance ; le bruit est une contrainte ; ou vous travaillez dans le bas de la plage de capacité et n'approcherez jamais la limite d'effort de la machine.

Achetez la tête hydraulique hybride si : vous travaillez régulièrement en haut de la capacité, en particulier des plis épais sur chant et de longs maintiens ; votre cycle de service est irrégulier, avec des périodes de travail lourd séparées de temps morts, ce pour quoi la pompe servo est précisément conçue ; vous avez déjà une équipe de maintenance compétente en hydraulique ; ou vous voulez le comportement en effort de l'hydraulique sans la facture d'énergie permanente d'un groupe conventionnel.

Achetez de l'hydraulique conventionnelle si la machine sera peu utilisée, si le budget d'investissement est la contrainte décisive, et si rien de ce qui précède ne s'applique.

Le mode d'échec que nous voyons le plus souvent n'est pas un mauvais choix d'architecture. C'est un choix fondé sur le seul effort nominal, suivi de la découverte que la dispersion de matière était plus large que prévu : la machine confortable sur du cuivre recuit est à sa limite sur de l'état dur. EN 13601 situe le cuivre dur à 290-360 N/mm² en traction contre 220-260 pour le doux recuit, ce qui constitue une variation substantielle de l'effort qu'un pli exige. Déterminez ce qu'exigeront le matériau le plus dur et la section la plus épaisse que vous achetez réellement avant de comparer les chaînes cinématiques, à l'aide du calculateur d'effort de cintrage et de votre propre barre la plus défavorable plutôt que d'une barre nominale.