Coupe à grande vitesse expliquée : Améliorer l'efficacité et la précision de fabrication

Le terme « Coupe à Grande Vitesse » (aussi connu sous le nom d'usinage à grande vitesse) a considérablement gagné en popularité dans l'industrie manufacturière au cours des 5 à 10 dernières années. Malgré son statut nouveau de « mot à la mode », la définition de ce processus reste quelque peu insaisissable, ou au mieux définie vaguement comme simplement le fraisage à un RPM suffisamment élevé. La réalité de la coupe à grande vitesse est un peu plus nuancée, mais exige néanmoins l'attention en raison des gains d'efficacité significatifs qu'elle offre. Dans cet article, nous examinerons l'origine et le développement de la coupe à grande vitesse en tant que processus. La recherche et le développement de la méthodologie de coupe à grande vitesse ont été le plus significativement avancés à la fin des années 70 et au début des années 80 par le biais du Programme de Recherche en Fabrication Avancée, financé par la DARPA. L'objectif de ce programme était d'identifier un moyen d'enlèvement de matière plus rapide en utilisant des RPM et des avances significativement plus élevés que ceux traditionnellement employés. Ce programme a testé des vitesses de coupe (Vc) allant de 0,05 pouce/min à 960 000 pouces/min et au-delà. Des recherches similaires étaient menées en Europe au milieu des années 1980 à l'Université Technique de Darmstadt. Les résultats de ces efforts de recherche ont été la réalisation que le « point idéal » d'un processus de coupe à grande vitesse varie selon le matériau fraisé ainsi que la géométrie de l'outil de coupe. En général, ces points idéaux sont définis comme suit :

Une fois le seuil de la gamme HSM atteint, les avantages de cette méthode de coupe commencent à se manifester. Les avantages de la coupe à grande vitesse se réalisent dans quatre domaines majeurs :

1.) Précision d'usinage accrue

À mesure que la vitesse de coupe augmente, la force de coupe diminue en raison d'un phénomène appelé thixotropie – ou la propriété d'un matériau à être « ramolli par le travail » en raison de la contrainte de cisaillement impartie par l'arête de coupe de l'outil, pour ensuite revenir aux propriétés de dureté d'origine une fois le processus de coupe terminé. Cette propriété est particulièrement vraie pour les alliages d'aluminium, ce qui fait de l'aluminium un candidat idéal pour les processus de coupe à grande vitesse.

2.) Amélioration de la finition de surface

Les connaissances générales en usinage nous disent que la chaleur de frottement dans un processus de fraisage est générée de manière égale de chaque côté de l'arête de coupe de l'outil (représentant près de 80% de toute la chaleur de frottement induite) avec 20% supplémentaires générés par la déformation ou le pliage du copeau résultant. Dans un processus de coupe à grande vitesse, la charge de copeau est évacuée à un taux si élevé que la majorité (environ 60%) de cette chaleur basée sur le frottement n'a pas le temps suffisant pour se conduire dans la pièce environnante ou vers l'outil lui-même. En résultat, la finition de surface usinée présente une qualité supérieure avec une réduction appréciable de la dégradation de la pièce induite par la température.

3.) Réduction de la formation de bavures

Basé sur des études axées sur les meilleures pratiques d'usinage à grande vitesse, une diminution notable de la formation de bavures est observée une fois qu'une vitesse de coupe suffisamment élevée a été atteinte. Cette réduction de la formation de bavures est une fonction à la fois de la vitesse de coupe elle-même mais aussi de la conception géométrique appropriée de l'arête de coupe. En bref, un outil de coupe correctement conçu pour convenir au matériau de la pièce, qui est roté à une vitesse suffisante, effectue une coupe assez rapide pour cisailler le matériau complètement et proprement – réduisant ou éliminant ainsi la formation d'une bavure.

4.) Amélioration de l'évacuation des copeaux

Similaire à la réduction de la formation de bavures, l'amélioration de l'évacuation des copeaux dont bénéficient ceux qui emploient des pratiques de coupe à grande vitesse est principalement le résultat de la géométrie de l'outil de coupe combinée à l'état de haute énergie produit par les RPM appliqués. Avec une vitesse de coupe excédant 500 m/min, et un outil de coupe optimisé pour évacuer un grand volume de copeaux en peu de temps, la charge de copeau résultante peut être éjectée de la zone de traitement à haute vitesse, réduisant grandement la possibilité de re-usinage des copeaux ou de dommages à la pièce dus à une abondance de copeaux résiduels. Avec des vitesses de broche dans la gamme de 8 000 à 12 000 RPM devenant très courantes sur le marché des machines-outils, la capacité de tirer parti des avantages de la coupe à grande vitesse dans l'acier, la fonte et les alliages à base de nickel est déjà disponible pour les fabricants prêts à adapter leurs stratégies à celles qui correspondent aux meilleures pratiques HSC. La coupe à grande vitesse de matériaux non ferreux tels que le laiton, l'aluminium et les plastiques techniques exige une capacité RPM significativement plus élevée, et ceux souhaitant profiter des avantages de la coupe à grande vitesse pour ces matériaux doivent se concentrer sur des équipements de fraisage capables de fonctionner à des vitesses de broche à grande vitesse de 25 000 à 50 000 RPM ou plus. Avec le besoin de pièces usinées affichant des niveaux de précision et de qualité toujours croissants, la coupe à grande vitesse offre un moyen de travailler « plus intelligemment, pas plus dur » – en tirant parti d'un système de fraisage CNC où une synergie entre matériau, outil de coupe et vitesse de coupe permet des niveaux de performance inédits dans les pratiques d'usinage traditionnelles.