Comprendre la vitesse de broche :la clé du succès de l'usinage CNC

La vitesse de broche, par définition, est la vitesse de rotation de la broche de la machine CNC. Son unité de mesure typique est le nombre de tours par minute (RPM).

La vitesse de broche détermine la vitesse de rotation de l'outil de coupe ou de la pièce à usiner, ayant ainsi un impact direct sur des facteurs tels que l'efficacité de l'usinage, l'état de surface et la durée de vie de l'outil.

Vitesse de broche par rapport à la vitesse de coupe

Avant d’entrer dans les détails de la vitesse de broche, discutons brièvement de la question de la vitesse de coupe par rapport à la vitesse de broche. Ces deux concepts d'usinage, bien que pas trop différents l'un de l'autre, ont des rôles distincts dans un atelier d'usinage CNC.

La vitesse de broche, comme nous le savons maintenant, est le nombre de tours que la broche (ou l'outil) effectue par minute. Cela dépend de facteurs tels que le diamètre de l'outil, les capacités de la machine-outil et les exigences de qualité. Les machinistes le sélectionnent souvent dans un tableau de vitesse de broche de référence.

La vitesse de coupe, en revanche, est un sujet légèrement plus technique. Il s’agit de la vitesse à laquelle le tranchant se déplace sur la surface du matériau de la pièce à usiner. Les unités courantes de mesure de la vitesse de coupe sont les mètres par minute (m/min) ou les pieds par minute (ft/min).

La sélection de la vitesse de coupe prend en compte les facteurs qui ont un impact sur l'action de coupe réelle. Ceux-ci incluent les propriétés des matériaux, la génération de chaleur, le liquide de refroidissement et l'usure des outils.

Pourquoi la vitesse de broche est-elle importante dans l'usinage ?

La vitesse de broche a un impact direct sur un certain nombre de mesures de qualité d’usinage CNC. Cette section traite de la relation entre la vitesse de broche et divers facteurs de performances.

Finition de surface

Avant tout, la vitesse de broche joue un rôle essentiel dans l’état de surface de la pièce. Une vitesse de broche élevée conduit à une finition de surface plus fine car l'outil de coupe se déplace de manière plus fluide et plus cohérente sur la surface du matériau, réduisant ainsi les marques d'outil et les pétoncles.

D’un autre côté, une faible vitesse de broche produit des surfaces inégales et éventuellement des vibrations. Ceci n'est généralement acceptable que pour les coupes d'ébauche où l'état de surface n'a pas d'importance et où de grands diamètres d'outils sont utilisés.

Ce sont les raisons pour lesquelles des vitesses de broche élevées sont caractéristiques des passes de finition dans un cycle d'usinage.

Optimisation de la durée de vie des outils

La vitesse de broche détermine le degré d’agressivité de l’action de coupe. Des vitesses de broche plus élevées se traduisent par des vitesses de coupe élevées, qui provoquent une friction excessive et une génération de chaleur, ce qui conduit finalement à l'usure de l'outil et à une défaillance prématurée de l'outil.

Les faibles vitesses de broche nuisent également à la durée de vie des outils. À des vitesses de broche très faibles, l'outil frotte contre la surface de la pièce au lieu de la couper. Cette action de frottement (également connue sous le nom de labour) crée une friction et émousse le tranchant tranchant. Cette détérioration des bords diminue l'efficacité de coupe et peut également entraîner une défaillance de l'outil.

Par conséquent, il est important de sélectionner une vitesse de broche qui optimise la durée de vie de l'outil en minimisant l'usure de l'outil.

Débit

Le débit, ou taux d'enlèvement de matière, est lié à la quantité de matière coupée par unité de temps. Naturellement, les fabricants souhaitent maximiser le débit, car cela signifie moins de temps de cycle et un retour sur investissement plus élevé.

La vitesse de broche a un impact direct sur le débit, car des vitesses de broche plus élevées signifient des taux d'enlèvement de matière plus rapides. L'optimisation de la vitesse de broche est très utile dans les environnements de production à gros volumes, où les améliorations des temps de cycle s'accumulent jusqu'à des heures machine significatives.

Gestion thermique

La vitesse de broche est un facteur majeur dans la gestion thermique des machines CNC. Des vitesses de broche plus élevées entraînent davantage de friction et de génération de chaleur à l’interface outil-pièce. Ces températures élevées provoquent des dilatations thermiques dans la pièce et l'outil, un ramollissement thermique et une détérioration de la surface du tranchant.

De toute évidence, ce type d'accumulation de chaleur dans la zone de coupe nuit à la qualité de l'outil et de la pièce.

Par conséquent, l'optimisation de la vitesse de broche est un élément essentiel d'une gestion thermique efficace, ainsi que des stratégies de refroidissement et de lubrification.

Comment calculer la vitesse de broche ?

Lors de la planification d'une opération d'usinage typique, des décisions telles que la vitesse de coupe et la sélection de l'outil précèdent le calcul de la vitesse de broche. Par conséquent, un calculateur de vitesse de broche standard utilise la formule de vitesse de broche suivante pour calculer le régime de broche :

Faisons un calcul simple pour calculer la vitesse de broche. Supposons que le matériau à couper soit de l'acier doux, pour lequel une vitesse de 30 m/min est appropriée. Si le machiniste choisit d'utiliser un diamètre d'outil de 20 mm, la vitesse de coupe serait :

Sélection de la bonne vitesse de broche

La sélection de la vitesse de broche dépend de divers facteurs, tels que les matériaux des pièces à usiner et des outils, ainsi que les exigences de qualité des pièces. Cette section en parle en détail.

Propriétés des matériaux

La réponse des différents matériaux à la vitesse de coupe varie considérablement en fonction des propriétés du matériau. Les matériaux difficiles à couper comme le titane et l'acier avec une dureté et une ténacité élevées limitent les vitesses de broche à des valeurs faibles à moyennes pour éviter l'usure des outils, la surchauffe et les dommages de surface.

Les matériaux usinables comme l'aluminium, au contraire, sont compatibles avec des vitesses de coupe plus élevées.

La dépendance directe de la vitesse de coupe sur les propriétés du matériau ressort clairement d'un tableau de vitesse de broche, où la recommandation de vitesse de broche est souvent donnée par groupes de matériaux.

Propriétés de l'outil de coupe

Le matériau et la géométrie de l'outil de coupe influencent également la sélection de la vitesse de broche. Les outils de coupe en carbure, capables de résister à des forces et à des frottements plus élevés, constituent un choix évident pour les opérations d'usinage à grande vitesse. D'autres matériaux d'outils comme l'acier rapide (HSS) ne conviennent que pour les processus à vitesse moyenne.

Le revêtement de surface de l'outil de coupe est également important dans ce contexte. Les revêtements comme TiN ou TiAlN améliorent les propriétés de friction du tranchant, permettant des vitesses de coupe plus élevées sans risques de surchauffe.

La géométrie de l'outil de coupe est importante à prendre en compte lors du réglage de la vitesse de broche. Les petits diamètres d'outils nécessitent des vitesses de coupe élevées pour maintenir des vitesses de coupe adéquates au niveau des arêtes de coupe (voir formule ci-dessus).

De même, la qualité de l’étalonnage des outils joue un rôle dans la détermination des vitesses de broche. Les outils avec un faux-rond élevé, par exemple, peuvent se briser à des vitesses de broche élevées en raison de forces de coupe irrégulières et d'une coupe interrompue.

Opération d'usinage

Une machine CNC effectue différents types d’opérations CNC. Étant donné que ces opérations diffèrent par la mécanique de coupe et l'application, la plage de vitesse de broche optimale varie également entre elles.

Les opérations d'ébauche, par exemple, donnent la priorité à un enlèvement de matière maximal et n'utilisent donc pas de vitesses élevées pour éviter les pannes d'outils. La finition nécessite une qualité de surface élevée, une vitesse de broche élevée est donc plus adaptée.

En ce qui concerne les processus d'usinage, les opérations de base comme le dressage ou le perçage de poches sont compatibles avec des vitesses de broche élevées grâce à leurs géométries simples. Les opérations sujettes aux pannes, comme l'alésage ou la plongée, utilisent cependant des vitesses plus lentes pour permettre un meilleur contrôle du processus de coupe.

Techniques avancées de vitesse de broche

La planification et l'optimisation de la vitesse de broche sont un vaste sujet. En raison de la diversité des opérations et des capacités d'usinage CNC, la sélection de la vitesse de broche devient un sujet complexe.

Vitesses de broche variables

Les machinistes CNC sont confrontés à des formes géométriques de plus en plus complexes, avec un nombre et des types de matériaux croissants, en utilisant des technologies en constante évolution.

Ces évolutions signifient que lors d'un processus d'usinage, la vitesse de broche optimale n'est jamais constante. Il s'agit d'une valeur dynamique qui change avec les charges de coupe, les propriétés non uniformes des matériaux et l'engagement de l'outil.

Les machines-outils CNC modernes et les systèmes CAD/CAM permettent l'utilisation de vitesses de broche variables, où la vitesse de broche est réglable dynamiquement en fonction des exigences de qualité sur la base d'un retour en temps réel.

Usinage à grande vitesse

L'usinage à grande vitesse dans les machines CNC modernes repousse la définition de ce qu'est la vitesse de broche. L'usinage à grande vitesse fait généralement référence à l'usinage avec des vitesses de broche supérieures à 15 000 tr/min, qui se caractérise par une efficacité, une productivité et une qualité de pièce élevées.

Une application particulière de l'usinage à grande vitesse concerne les centres de micro-usinage, où les outils de coupe peuvent avoir un diamètre inférieur à 1 mm et où les géométries des pièces sont incroyablement petites. À l'échelle micrométrique, une vitesse de coupe élevée est nécessaire pour couper le matériau au lieu de labourer sa surface.

Atténuation des discussions

Le broutage est un problème sérieux en usinage, qui endommage la pièce et l'outil au point de rejeter la pièce ou de casser l'outil. Bien que l'atténuation du broutage soit un sujet en soi, une méthode bien connue pour éviter le broutage consiste à régler la vitesse de broche.

Les vibrations de broutage peuvent être évitées en diminuant, ou en augmentant de manière contre-intuitive dans certains cas, la vitesse de broche.

La vitesse de broche est un paramètre d'usinage fondamental qui affecte les paramètres de qualité tels que l'état de surface, le débit et la durée de vie de l'outil. Ces considérations poussent les ingénieurs à optimiser la vitesse de broche en fonction de leurs matériaux et de leurs opérations.