Maximiser l'efficacité de la CNC pour les pièces à cavité profonde et étroite :conseils d'experts

Les pièces à cavité profonde, en particulier celles présentant des géométries internes étroites, font partie des tâches les plus difficiles du fraisage CNC. Les problèmes courants incluent un porte-à-faux excessif de l’outil, une mauvaise évacuation des copeaux et un refroidissement inadéquat. Ces problèmes peuvent réduire la durée de vie des outils, dégrader la qualité des surfaces et diminuer l'efficacité de la production.

Considérations clés pour l'usinage CNC de cavités profondes et étroites

Lors de l'usinage de cavités profondes et étroites, les facteurs suivants nécessitent une attention particulière :

• Déformation de l'outil  :Les outils plus longs sont plus sujets à la flexion, ce qui affecte la précision dimensionnelle et la finition de surface.
• Évacuation des copeaux :Les copeaux ont tendance à s'accumuler au fond des cavités profondes, augmentant le risque de casse d'outil ou d'endommagement des parois.
• Vibrations :Un porte-à-faux excessif de l'outil et un manque de support peuvent entraîner des vibrations, ce qui réduit la précision et raccourcit la durée de vie de l'outil.
• Rapport profondeur/largeur  : Le maintien du rapport profondeur/largeur de la cavité entre 3:1 et 4:1 permet de réduire l'instabilité de l'usinage.
• Rapport profondeur/rayon de congé :Lorsque le rapport entre la profondeur de la cavité et le rayon du congé d'angle atteint 10:1, la structure peut être considérée comme une cavité profonde. Plus le rapport est grand, plus l'outil de coupe requis est long. Il s'agit donc d'un indicateur principal de difficulté d'usinage.

Usinage de cavités profondes en aluminium

Cet article fournira une analyse détaillée des solutions pratiques pour les pièces à cavité profonde. Il est basé sur un véritable projet de cavité en aluminium présentant une structure de cavité ultra-profonde et étroite d'une profondeur de 113 mm, une largeur minimale de 14,5 mm et un rayon de congé interne de 6 mm aux coins.

Aperçu des pièces

• Matériau :AL7075-T6
• Dimensions :175,2 × 103 × 122,65 mm
• Caractéristiques :cavité interne profonde avec des dimensions maximales de 146,2 × 83 mm. La section la plus étroite mesure 14,5 × 14 mm. Tous les rayons d'angle internes sont de 6 mm, avec une profondeur de 113 mm. Le rapport profondeur/rayon qui en résulte de 19 : 1 le classe comme une cavité ultra-profonde.

Principaux défis

• Un outil de ∅12 mm nécessite plus de 115 mm de porte-à-faux, ce qui entraîne une rigidité insuffisante (la profondeur de l'outil dépasse 5 fois le diamètre).
• Les copeaux d'aluminium s'accumulent plus rapidement qu'ils ne peuvent être retirés, s'enroulant autour de l'outil et augmentant le risque de panne.
• Les parois internes doivent répondre à une exigence stricte de rugosité de surface de Ra ≤ 0,8 µm.
• La perpendiculaire de la paroi de la cavité interne est très exigeante (une perpendiculaire de 0,1 mm est requise).

Comment optimiser les stratégies de processus ?

Les stratégies suivantes ont été utilisées pour améliorer la stabilité de l'outil, l'évacuation des copeaux et l'efficacité globale de l'ébauche.

1. Optimiser la stratégie de saisie des outils

Avant l'ébauche, pré-percez des avant-trous pour réduire la charge de coupe lors de l'entrée de l'outil et faciliter l'évacuation des copeaux.

Dans ce cas, deux trous traversants de ∅22 mm ont été percés au fond de la cavité. Ces trous fournissaient des points d'entrée pour les outils d'ébauche et des canaux pour l'évacuation des copeaux. L'outil d'ébauche est entré verticalement le long de l'axe Z à travers les trous, puis a effectué un fraisage dans le plan XY.

Cette approche a évité la forte « force d'impact » généralement rencontrée lorsque l'outil plonge directement dans le matériau de base le long de l'axe Z. Il s'agit d'un problème particulièrement problématique lors de l'ébauche de rainures de cavité.

2. Usinage d'ébauche par étapes

Une stratégie d'ébauche en trois étapes a été utilisée :

Étape 1 :Ébauche dynamique à haute efficacité

Une fraise ondulée à trois cannelures en carbure monobloc de ∅18 mm (longueur totale 100 mm, saillie 70 mm, profondeur 0–65 mm) a été utilisée. Une ébauche dynamique adaptative a été appliquée (S4000/F1800, profondeur 25 mm, largeur 1,8 mm) pour maximiser l'efficacité de l'ébauche.

Étape 2 :Ébauche profonde stable avec fraise à plaquettes

Fraise à plaquettes anti-vibration étendue de ∅20 mm (longueur totale 200 mm, longueur de porte-à-faux 130 mm, profondeur d'usinage 65-113 mm) utilisée pour l'ébauche par étapes (S2800/F2000, profondeur de passe 0,5 mm, largeur de coupe 14 mm), visant une ébauche stable et sûre jusqu'au fond de la cavité.

Étape 3 : Affinement des coins pour une tolérance de finition uniforme

Ébauche secondaire à l'aide d'une fraise en bout monobloc en carbure de tungstène rallongée de ∅12 mm (longueur totale :200 mm; porte-à-faux :125 mm; profondeur d'usinage :0–113 mm) sur S3000/F1500 avec une profondeur de passe de 0,35 mm. Le but est de supprimer le grand rayon de coin laissé par l'outil d'ébauche de grand diamètre précédent, de sorte que toutes les surfaces internes des parois de la cavité aient une surépaisseur de finition uniforme de 0,2 mm.

3. Sélectionnez un matériau et une géométrie d'outil appropriés

La sélection des outils et la stratégie d'ébauche sont cruciales pour un usinage stable des cavités profondes. Dans ce cas, les plaquettes en carbure de type YW ont surpassé les plaquettes de type YG et YT en termes de dissipation thermique et de performances anti-adhérence.

Optimisation des parcours d'outils de finition

Le tableau ci-dessous présente deux types de parcours d'outils de finition :

Gauche :finition couche par couche

Sur la gauche se trouve la méthode de finition couche par couche, où après avoir terminé chaque couche, l'outil passe au niveau suivant via des chemins d'entrée et de sortie auxiliaires. L'avantage de cette méthode est sa « grande efficacité », mais l'inconvénient réside dans les marques d'entrée et de sortie visibles sur la pièce.

En raison du porte-à-faux important de l’outil, la déflexion au niveau de la pointe et de la racine de l’outil est incohérente, ce qui donne une forme conique après rotation. Cela entraîne des marques de couche visibles sur la paroi intérieure après la finition, ainsi qu'une conicité qui ne répond pas à l'exigence de perpendiculaire de 0,1.

À droite :trajectoire d'outil optimisée (usinage en spirale en une seule passe)

À droite, la trajectoire d'outil optimisée utilise la technique de coupe continue en un seul passage (entrée et sortie uniques tout au long du processus). Le parcours de l'outil descend en spirale du début à la fin. Même si le problème de déviation de l'outil demeure, la technique en un seul passage en spirale garantit que la pointe de l'outil maintient des conditions de coupe constantes, à faible charge et à vitesse uniforme.

En conséquence, l’impact de la déflexion de l’outil ne varie pas avec la profondeur d’usinage. Cela permet à la paroi intérieure de la pièce d'obtenir une finition de surface uniforme de haut en bas, tout en répondant également aux exigences de circularité du dessin.

Système de refroidissement haute pression à double canal

Même avec des trous d'évacuation des copeaux pré-percés, des copeaux d'aluminium sont générés rapidement lors de l'ébauche. Un liquide de refroidissement continu est essentiel. Non seulement pour refroidir l'outil mais aussi pour éliminer les copeaux en temps réel.

Un système de refroidissement haute pression à double canal, avec sorties verticales et latérales, a été utilisé pour garantir une élimination fiable des copeaux.

(Remarque :sur la photo, le liquide de refroidissement haute pression de la sortie verticale n'a pas été activé.)

Résultats finaux et résumé

Grâce à l'utilisation d'équipements standards hautes performances et à l'optimisation des processus, nous avons obtenu :

• Réduction de 42 % du temps de cycle nominal par pièce
• Augmentation de 125 % de la durée de vie de l'outil
• Rugosité de surface constante (Ra ≤ 0,8 µm)
• Verticalité (≤ 0,1 mm)

Principaux points à retenir

• La stratégie de trajectoire d'outil est aussi importante que la sélection des outils.
• L'ébauche segmentée réduit les vibrations pour les longs porte-à-faux d'outils.
• La finition en spirale en un seul passage évite l'instabilité causée par un porte-à-faux excessif de l'outil.

Ce projet a expliqué que l'usinage de cavités profondes ne nécessite pas d'outils ou de machines spéciaux. Avec une planification minutieuse, un séquençage approprié et un contrôle strict du processus, des résultats de haute qualité sont obtenus à l'aide de configurations standard.

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