Qu'est-ce que « l'usinabilité » et comment est-elle mesurée ?

Le processus de fabrication de l'usinage est un moyen polyvalent et efficace de couper le métal et le plastique. Il peut créer des détails très fins avec des tolérances serrées, et il est très rentable pour la fabrication de prototypes et de petits lots de pièces.

Cependant, l'usinage ne fonctionne pas aussi bien pour tous les matériaux. Parce que le processus utilise un puissant outil de coupe rotatif pour enlever des sections de matériau, le matériau doit être suffisamment mou pour permettre à l'outil de coupe de le pénétrer, sinon l'outil lui-même sera endommagé et la qualité de la pièce en souffrira. Trop mou, cependant, et le matériau se déformera de manière indésirable au contact de l'outil de coupe, entraînant des pièces déformées et inefficaces.

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, la caractéristique est difficile à quantifier. Cet article passe en revue les bases de l'usinabilité :qu'est-ce que c'est, quels matériaux sont les plus usinables, comment l'usinabilité peut être augmentée et comment l'usinabilité est mesurée.

Qu'est-ce que l'usinabilité ?

L'usinabilité est une mesure de la facilité ou difficulté avec lequel un matériau peut être coupé avec un outil de coupe . Un matériau qui peut être coupé avec une puissance minimale, sans provoquer de déformation des zones environnantes, est plus usinable qu'un matériau qui nécessite plus d'efforts et provoque plus de déformations.

En pratique, l'utilisation de matériaux avec une bonne usinabilité offre des avantages à court et à long terme . À court terme, l'utilisation de matériaux usinables peut conduire à de meilleures pièces avec des tolérances serrées, une déformation minimale et une bonne finition de surface. Ils peuvent également être fabriqués plus rapidement que les pièces fabriquées à partir de matériaux difficiles à usiner. À long terme, l'utilisation de matériaux usinables réduit l'usure de l'outil et allonge la durée de vie de l'outil , permettant ainsi aux ateliers d'usinage d'économiser de l'argent.

Alors pourquoi les machinistes n'utilisent-ils pas uniquement les matériaux les plus usinables ? Le problème est que l'usinabilité se fait souvent au dépens des performances matérielles , et vice versa. Les matériaux résistants sont généralement plus difficiles à découper que les matériaux fragiles. Les ingénieurs doivent donc souvent faire un compromis entre usinabilité et performances.

L'usinabilité d'un matériau donné dépend à la fois des propriétés physiques scientifiques du groupe de matériaux (de quels éléments il se compose) et la condition du matériel de travail spécifique (comment il a été fabriqué). Les propriétés physiques d'un matériau sont fixes, mais l'état d'une pièce peut varier considérablement.

Les propriétés physiques incluent :

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

Les facteurs de condition incluent :

• Microstructure
• Taille des grains
• Traitement thermique
• Dureté
• Résistance à la traction

Matériaux usinables

Aluminium

L'un des matériaux les plus appropriés pour l'usinage, l'aluminium est relativement peu coûteux et fabriqué dans un certain nombre d'alliages courants. 6061 est la nuance standard pour l'usinage, bien que les alliages moins courants comme l'aluminium 2011 et 8280 sont encore plus usinables, produisant de très petits copeaux et un excellent état 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 303 les aciers inoxydables sont les plus usinables (trop de carbone rend l'acier trop dur; trop peu et il devient gommeux). L'utilisation du plomb comme additif peut rendre l'acier plus usinable, améliorant ainsi le dégagement des copeaux. Le soufre peut également augmenter l'usinabilité de l'acier.

Autres métaux

Les autres métaux usinables comprennent divers laitons alliages, qui sont assez mous mais ont une bonne résistance à la traction. De même, le cuivre a un bon niveau d'usinabilité ainsi que des caractéristiques telles que 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 coller à l'outil. Dans cet esprit, certains des meilleurs plastiques d'usinage incluent l'ABS , nylon , acrylique , et Delrin .

Améliorer l'usinabilité des matériaux

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

• Additifs : Une façon d'améliorer l'usinabilité d'un matériau donné consiste à incorporer des éléments d'autres matériaux qui le rendront plus apte à la découpe. Lors de l'usinage de l'acier, par exemple, l'ajout de plomb et de soufre peut faciliter la découpe de la pièce.
• Traitement thermique : Les métaux subissent souvent un chauffage et un refroidissement pour modifier leurs propriétés, et 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 réellement changer le matériau de la pièce. Par exemple, le réglage du matériau de l'outil de coupe, de la vitesse de coupe, de l'angle de coupe, des conditions de fonctionnement et d'autres paramètres peut faciliter la découpe d'un matériau difficile à usiner.

Comment l'usinabilité est mesurée

Parce que tant de facteurs différents affectent l'usinabilité d'un matériau, l'usinabilité peut être considérée comme un concept vague et difficilement quantifiable.

Cependant, les ingénieurs et les spécialistes des matériaux ont tenté de mesurer l'usinabilité via des mesures telles que la consommation d'énergie (combien d'énergie est nécessaire pour couper le matériau), durée de vie de l'outil de coupe (à quelle vitesse l'outil s'use lors de la coupe du matériau) et la finition de surface (lissage résultant du matériau coupé).

• Consommation électrique  :L'usinabilité peut être évaluée par les forces nécessaires pour couper le matériau, mesurées à l'aide de mesures d'énergie standard.
• Durée de vie de l'outil de coupe  :L'usinabilité peut être évaluée en chronométrant la durée de vie d'un outil lorsqu'il coupe un matériau donné.
• Finition de surface :L'usinabilité peut être évaluée en notant le degré d'arête rapportée produite pendant l'usinage; les matériaux hautement usinables ne produisent pas d'arête rapportée.

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

L'American Iron and Steel Institute (AISI) a également créé un système d'évaluation de l'usinabilité sur la base d'essais de virage. Ces cotes, exprimées en pourcentage, sont relatives à l'usinabilité de l'acier 160 Brinell B1112 (choisi arbitrairement), qui a une cote d'usinabilité de 100 %. Les métaux avec un niveau d'usinabilité supérieur à B1112 ont une cote supérieure à 100 %, tandis que ceux dont l'usinabilité est inférieure ont une cote inférieure à 100 %.