Techniques de fraisage pour améliorer le taux d'enlèvement de métal

Les experts partagent des tactiques qui permettent aux machinistes d'utiliser de nouveaux outils et techniques pour augmenter le taux d'enlèvement de métal (MRR).

Les ateliers souhaitant maximiser le taux d'enlèvement de métal (MRR) dans les opérations de fraisage peuvent choisir parmi un certain nombre d'outils et de techniques qui ne cassent pas la banque et n'exigent pas de sacrifices inacceptables en termes de durée de vie de l'outil ou de qualité d'usinage.

Une innovation matérielle récemment introduite vise à augmenter les vitesses et les taux d'alimentation lors du fraisage d'alliages à haute température, un groupe de matériaux à haute résistance qui comprend le titane, l'Inconel et l'acier inoxydable PH. Cette nouvelle nuance de fraisage, KCSM40, améliore la résistance thermique des plaquettes d'outils de coupe utilisées pour usiner les alliages à haute température, selon Kennametal, de Latrobe, Pennsylvanie, qui a développé le matériau de plaquette en carbure.

Présentation de la fraiseuse Ti-6Al-4V

Les utilisateurs de plaquettes en KCSM40 usinent désormais le Ti-6Al-4V à 160 pieds de surface par minute alors qu'ils n'atteignaient que 140 SFM dans le passé, tout en obtenant une durée de vie plus longue, explique Scott Etling, directeur de la gestion mondiale des produits chez Kennametal pour fraisage indexable.

Etling souligne que les corps de fraise ont des "densités" différentes en fonction du nombre d'inserts dans la fraise. Une fraise de 4 pouces de diamètre, par exemple, pourrait avoir 8, 12 ou 15 dents, avec une fraise à 15 dents de cette taille considérée comme très haute densité.

"Si vous êtes capable d'utiliser une fraise à 15 dents, vous améliorez votre productivité car vous aurez plus de dents dans la coupe", dit-il.

Cependant, plus il y a de dents dans la fraise, plus elle nécessitera de puissance de broche, de sorte que certaines fraiseuses peuvent ne pas fournir la puissance nécessaire pour une fraise à haute densité. Et même si c'est le cas, le dispositif de fraisage pourrait ne pas être assez rigide pour supporter la force accrue produite par ces fraises.

"Nous disons à tout le monde de s'assurer qu'ils comprennent leur broche, de faire leurs calculs de force de coupe, puis d'opter pour la fraise la plus dense possible", déclare Etling.

Les propriétaires de machines rigides équipées d'une broche à basse vitesse peuvent utiliser une fraise « hélicoïdale » telle que la nouvelle Harvi Ultra 8X de Kennametal, qui est conçue pour offrir une durée de vie plus longue que les fraises traditionnelles à MMR élevé. Les fraises hélicoïdales comportent plusieurs rangées de plaquettes.

Par exemple, une fraise hélicoïdale de 3 pouces de diamètre pourrait avoir cinq rangées équipées de 11 inserts chacune. "Avec 55 plaquettes à engagement radial, vous usinez à une vitesse d'avance traditionnelle mais en enlevant beaucoup plus de matière", déclare Etling.

Il est également important d'utiliser le bon débit, la bonne pression et la bonne viscosité du liquide de refroidissement pour maximiser le MRR dans les opérations de fraisage. "Les constructeurs de machines-outils ont conçu des machines formidables, et les utilisateurs doivent faire fonctionner leurs outils de coupe aux vitesses et aux vitesses d'alimentation les plus élevées autorisées par leur machine", déclare Etling.

Améliorez la formation des copeaux et le MRR avec les liquides de refroidissement  

La vitesse de production et la qualité des composants peuvent décliner lorsqu'un processus de fraisage a du mal à évacuer les copeaux. Conçue pour fraiser des rainures jusqu'à 6 millimètres de large, la fraise CoroMill QD de Sandvik Coromant, de Fair Lawn, New Jersey, utilise la géométrie et un nouveau système d'arrosage pour résoudre les problèmes liés aux copeaux.

La géométrie de la plaquette QD produit des copeaux plus fins que la rainure usinée. Ces copeaux sont chassés par le liquide de refroidissement délivré à travers le corps de la fraise à chaque arête de coupe. En plus d'augmenter le MRR, ce système augmente considérablement la durée de vie de l'outil et la qualité de surface des composants fraisés, déclare Joseph DeRoss, spécialiste du fraisage de produits chez Sandvik Coromant.

Sandvik Coromant souligne les données des utilisateurs montrant que le QD peut enlever le métal environ 20 fois plus rapidement que les fraises concurrentes. De plus, la société signale que dans un cas, le QD a usiné 75 pièces avant l'usure des inserts, contre seulement 10 pièces pour l'outil d'un concurrent.

Bien que des copeaux plus fins soient souhaitables dans ce cas, des copeaux trop fins indiquent que l'action de coupe et la chaleur qui en résulte sont limitées à une partie relativement petite du bord de la plaquette, ce qui peut entraîner des cratères, une usure des flancs et des fissures thermiques. En fait, les copeaux fins sont une cause fréquente de faible productivité de fraisage et de durée de vie réduite de l'outil.

D'autre part, des copeaux trop épais indiquent des efforts de coupe très élevés qui pourraient provoquer la rupture de la plaquette. La clé est de déterminer la vitesse d'alimentation qui produit l'épaisseur de copeau maximale sans surcharger les plaquettes.

« Si vous épaississez les copeaux, vous les poserez plus rapidement sur le sol; de plus, la durée de vie de l'outil est plus longue », déclare DeRoss. L'obtention de la bonne épaisseur de copeau peut augmenter la productivité de fraisage de 20 % ou plus, ajoute-t-il.

Les copeaux doivent toujours être épais lorsqu'une fraise entre dans le matériau de la pièce et fins à la sortie. Lorsqu'une fraise est programmée pour entrer directement dans le matériau, cependant, des copeaux épais seront produits à la sortie jusqu'à ce que la fraise soit complètement engagée dans le matériau. Les résultats indésirables de ceci incluent une mauvaise finition de surface à l'entrée et une durée de vie réduite de l'outil, ainsi que des bruits de secousse et des vibrations excessives.

Selon DeRoss, il existe deux façons d'éviter les conséquences de la coupe à entrée droite . L'une consiste à réduire le taux d'alimentation de 50 % jusqu'à ce que la fraise soit complètement engagée. L'autre consiste à programmer un « roulis » dans le mouvement de la fraise. Cette technique arque la fraise dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui facilite les inserts dans la coupe, explique DeRoss. L'épaisseur de copeau qui en résulte à la sortie est toujours nulle, explique-t-il, éliminant les problèmes d'entrée directe sans réduire considérablement la vitesse d'alimentation.

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Passer aux techniques à grande avance

L'une des techniques les plus populaires pour augmenter le MRR est le fraisage à grande avance, qui combine le fraisage à des vitesses d'avance rapides avec des profondeurs de coupe relativement faibles. Un petit angle d'attaque au bas des plaquettes utilisées pour le fraisage à grande avance réduit l'épaisseur moyenne des copeaux, ce qui à son tour augmente les vitesses d'avance, explique Tim Aydt, chef de produit de fraisage indexable pour le fournisseur d'outils de coupe Seco Tools, de Troy, Michigan.

"Maintenant, vous envisagez peut-être de nourrir à 200 à 300 pouces par minute au lieu de 30 à 60 pouces par minute", explique Aydt.

En revanche, l'alimentation à ces vitesses élevées fait du fraisage à grande avance une technique d'ébauche, de sorte que les utilisateurs devront peut-être effectuer une opération secondaire pour obtenir la finition de pièce requise.

Envisagez d'adopter l'ébauche optimisée

Une autre opération d'ébauche populaire, souvent appelée ébauche optimisée, enlève de la matière encore plus rapidement que le fraisage à grande avance pour produire des géométries de pièces proches des formes souhaitées. Ensuite, une opération de suivi peut produire la géométrie finale et la finition de surface.

L'ébauche optimisée combine des profondeurs de coupe profondes avec un léger engagement radial. Les faibles forces de coupe radiales réduisent les contraintes et l'usure des broches de la machine. De plus, la durée de vie de l'outil augmente car moins de chaleur est produite lors de la coupe. Dans de bonnes conditions, en fait, les outils de coupe utilisés pour l'ébauche optimisée peuvent durer jusqu'à huit heures lors de l'usinage du titane, contre 30 minutes lorsque les méthodes de coupe conventionnelles sont utilisées, explique Aydt.

La chaleur réduite et la profondeur de coupe radiale sont également responsables de l'augmentation spectaculaire des vitesses d'usinage. Les poches, par exemple, peuvent être usinées jusqu'à quatre fois plus vite qu'avec les méthodes conventionnelles. L'ébauche optimisée est également bien adaptée à l'usinage de parois droites qui nécessitent de grandes profondeurs de passe axiale.

La technique peut être utilisée sur n'importe quel matériau, explique Jay Ball, responsable des produits de fraisage solides chez Seco. « Nous avons constaté que l'ébauche optimisée des alliages à haute teneur en nickel est très bénéfique », rapporte-t-il. "Nous voyons également des clients utiliser la stratégie sur l'acier inoxydable, la fonte, les aciers à outils modèles et même l'aluminium."

Ball affirme que le passage à l'ébauche optimisée est probablement la principale tendance qu'il constate parmi ceux qui tentent d'augmenter leurs taux d'enlèvement de matière. "C'est la plus grande chose depuis le pain tranché en ce moment."

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