Comprendre l'usinabilité : définition, importance et techniques de mesure

Le procédé de fabrication par usinage est un moyen polyvalent et efficace de couper le métal et le plastique. Il permet de créer des détails très fins avec des tolérances serrées, et est très rentable pour le prototypage et les petites séries.

Cependant, l'usinage ne fonctionne pas également bien pour tous les matériaux. Comme le processus utilise un outil de coupe rotatif puissant pour enlever de la matière, le matériau doit être assez tendre pour laisser l'outil pénétrer — sinon l'outil s'endommage et la qualité de la pièce en pâtit. Trop tendre, en revanche, et le matériau se déformera de manière indésirable au contact de l'outil, entraînant des pièces déformées et inutilisables.

La facilité avec laquelle un métal peut être coupé avec un outil de coupe est appelée usinabilité. Mais comme de nombreux facteurs déterminent l'usinabilité d'un métal, cette caractéristique est difficile à quantifier. Cet article couvre les bases de l'usinabilité : ce qu'elle est, quels matériaux sont les plus usinables, comment l'améliorer et comment la mesurer.

Qu'est-ce que l'usinabilité ?

L'usinabilité est une mesure de la facilité ou de la difficulté avec laquelle un matériau peut être coupé avec un outil de coupe. Un matériau qui peut être coupé avec une puissance minimale, sans déformer les zones environnantes, est plus usinable qu'un matériau qui demande plus d'efforts et cause plus de déformation.

En pratique, utiliser des matériaux à bonne usinabilité apporte des avantages à court et long terme. À court terme, cela permet d'obtenir de meilleures pièces avec tolérances serrées, déformation minimale et bonne finition de surface. Elles peuvent aussi être produites plus rapidement que des pièces en matériaux difficiles à usiner. À long terme, l'utilisation de matériaux usinables réduit l'usure des outils et prolonge leur durée de vie, économisant ainsi de l'argent aux ateliers.

Alors pourquoi les usineurs n'utilisent-ils pas uniquement les matériaux les plus usinables ? Le problème est que l'usinabilité va souvent au détriment de la performance du matériau, et vice versa. Les matériaux résistants sont généralement plus durs à couper que les matériaux fragiles, obligeant les ingénieurs à faire un compromis entre usinabilité et performance.

L'usinabilité d'un matériau dépend à la fois de ses propriétés physiques intrinsèques (sa composition élémentaire) et de la condition de la pièce spécifique (son élaboration). Les propriétés physiques sont fixes, mais la condition d'une pièce peut varier considérablement.

Propriétés physiques incluent :

• Écrouissage
• Dilatation thermique
• Conductivité thermique
• Module d'élasticité

Facteurs de condition incluent :

• Microstructure
• Taille de grain
• Traitement thermique
• Dureté
• Résistance à la traction

Matériaux usinables

Aluminium

L'un des matériaux les plus adaptés à l'usinage, l'aluminium est relativement peu coûteux et existe en de nombreux alliages courants. Le 6061 est la nuance standard pour l'usinage, bien que des alliages moins courants comme l'aluminium 2011 et 8280 soient encore plus usinables, produisant de très petits copeaux et une excellente finition de surface.

Acier

Les aciers sont généralement plus difficiles à usiner que les alliages d'aluminium, mais les nuances à teneur modérée en carbone comme l'acier inoxydable 303 sont les plus usinables (trop de carbone rend l'acier trop dur ; trop peu le rend collant). L'ajout de plomb comme additif peut améliorer l'usinabilité de l'acier, favorisant l'évacuation des copeaux. Le soufre peut aussi augmenter l'usinabilité de l'acier.

Autres métaux

D'autres métaux usinables incluent divers alliages de laiton, assez tendres mais avec une bonne résistance à la traction. De même, le cuivre offre une bonne usinabilité avec des propriétés comme la conductivité électrique.

Plastiques

Les thermoplastiques peuvent être difficiles à usiner, car la chaleur générée par l'outil de coupe peut faire fondre le plastique et le faire coller à l'outil. Parmi les meilleurs plastiques pour l'usinage, on trouve ABS, nylon, acrylique et Delrin.

Améliorer l'usinabilité des matériaux

Bien que les métaux aient des propriétés physiques fixes, la condition d'une pièce peut être modifiée pour la rendre plus usinable. Des additifs peuvent aussi être introduits dans les alliages pour améliorer l'usinabilité.

• Additifs : Une façon d'améliorer l'usinabilité est d'incorporer des éléments d'autres matériaux qui la rendront plus apte à la coupe. Pour l'usinage de l'acier, par exemple, l'ajout de plomb et de soufre facilite la coupe.
• Traitement thermique : Les métaux subissent souvent des chauffages et refroidissements pour modifier leurs propriétés ; le traitement thermique peut réduire la dureté d'un métal pour le rendre plus facile à usiner. Le recuit d'alliages à base de nickel, par exemple, peut améliorer l'usinabilité.
• Facteurs externes : L'usinage peut être facilité sans changer le matériau de la pièce. Par exemple, ajuster le matériau de l'outil de coupe, la vitesse de coupe, l'angle de coupe, les conditions d'exploitation et d'autres paramètres peut faciliter la coupe d'un matériau difficile à usiner.

Comment l'usinabilité est mesurée

Comme de nombreux facteurs affectent l'usinabilité d'un matériau, elle peut être considérée comme un concept vague, difficile à quantifier.

Cependant, ingénieurs et scientifiques des matériaux ont tenté de la mesurer via des indicateurs comme la consommation d'énergie (énergie requise pour couper le matériau), la durée de vie de l'outil de coupe (vitesse d'usure de l'outil), et la finition de surface (lisseur résultant de la coupe).

• Consommation d'énergie : L'usinabilité peut être évaluée par les forces nécessaires pour couper le matériau, mesurées avec des indicateurs énergétiques standard.
• Durée de vie de l'outil : L'usinabilité peut être évaluée en chronométrant la durée de vie d'un outil coupant un matériau donné.
• Finition de surface : L'usinabilité peut être évaluée en notant le degré de bordure rapportée pendant l'usinage ; les matériaux très usinables ne produisent pas de bordure rapportée.

Malheureusement, aucune de ces méthodes n'est pleinement fiable, car des facteurs indépendants peuvent affecter la consommation d'énergie, l'usure de l'outil et la finition de surface.

L'American Iron and Steel Institute (AISI) a également créé un système de notation d'usinabilité basé sur des essais de tournage. Ces notes, exprimées en pourcentage, sont relatives à l'usinabilité de l'acier B1112 à 160 Brinell (choisi arbitrairement), qui a une note de 100 %. Les métaux plus usinables que le B1112 ont une note supérieure à 100 %, ceux moins usinables une note inférieure.