Comprendre l'usinabilité :mesures et facteurs clés

Commençons par la principale question à laquelle il faut répondre :qu’est-ce que l’usinabilité ? En termes simples, l’usinabilité est la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé (usiné) pour obtenir la qualité de pièce souhaitée. Ici, la qualité des pièces fait référence à des caractéristiques telles que la précision dimensionnelle, les tolérances et la finition de surface.

Les matériaux à haute usinabilité nécessitent généralement moins de temps et d'énergie à usiner, entraînent moins d'usure des outils et ont une meilleure qualité de surface. Naturellement, du point de vue de la production, les matériaux à haute usinabilité sont toujours préférables. Cependant, cela ne correspond pas toujours au point de vue du concepteur, qui recherche une résistance, des performances et une stabilité thermique élevées, ce qui n'est pas toujours le cas avec des matériaux faciles à usiner.

Cela crée un compromis intéressant entre les différentes exigences techniques, dont nous parlerons davantage dans cet article.

Facteurs affectant l'usinabilité

De nombreux facteurs entrent en jeu lorsqu’on discute de l’usinabilité des matériaux. Ceux-ci proviennent des propriétés fondamentales du matériau, de ses traitements post-production et des conditions de découpe.

1. Propriétés des matériaux

L’ensemble de caractéristiques le plus important affectant l’usinabilité sont les propriétés des matériaux. Chaque matériau possédant un ensemble unique de propriétés, les ingénieurs doivent comprendre l'impact de chaque propriété sur l'usinabilité pour pouvoir prendre des décisions éclairées.

1.1 Dureté

La dureté est un facteur clé pour déterminer l’usinabilité des matériaux, car elle définit la difficulté de « couper » la surface. Étant donné que l'outil d'usinage interagit principalement avec la surface de la pièce, la dureté est une caractéristique importante de l'usinabilité.

Généralement, les matériaux plus durs comme l'Inconel nécessitent plus de puissance pour couper car l'outil doit exercer une force plus élevée. De plus, les outils s’usent plus rapidement lors de l’usinage de matériaux durs. En bref, une dureté élevée signifie une faible usinabilité.

1.2 Robustesse

La ténacité est un autre paramètre critique pour déterminer l'usinabilité. Les matériaux à haute ténacité comme les aciers à haute teneur en carbone absorbent bien les forces de coupe et résistent à la déformation, nécessitant des forces de coupe plus élevées et un outillage plus durable.

De plus, les matériaux résistants produisent des copeaux longs et filandreux en raison de leur grande ductilité. Bien que cela soit utile pour maintenir une action de coupe fluide et un transfert de chaleur efficace, les copeaux longs s'emmêlent souvent dans l'outil, provoquant des retards de coupe et une usure de la surface de la pièce.

1.3 Conductivité thermique

Les processus d'usinage génèrent de la chaleur en raison du cisaillement du matériau. Par conséquent, la gestion thermique à l’interface de découpe est très importante pour des processus de découpe efficaces. En termes de transfert de chaleur, cela dépend fortement de la conductivité thermique du matériau.

Les matériaux difficiles à couper ont généralement une faible conductivité thermique, ce qui signifie que l'énergie thermique générée à l'interface de coupe ne se dissipe pas rapidement. Cela entraîne plusieurs effets négatifs tels que le ramollissement thermique de la pièce et de l'outil, une durée de vie réduite de l'outil et une précision dimensionnelle. Un exemple classique d'un tel matériau est le titane, qui présente tous ces problèmes.

Une faible conductivité thermique empêche également l'utilisation de vitesses de coupe et d'avances élevées, car la chaleur générée n'est pas efficacement transférée.

2. Conditions de coupe

L'usinabilité concerne la façon dont un matériau se comporte lorsqu'il est coupé. Par conséquent, outre les propriétés des matériaux, les conditions de coupe affectent également l'usinabilité des matériaux.

2.1 Paramètres de coupe

Les principaux paramètres de coupe en usinage sont la vitesse de coupe, l’avance et la profondeur de coupe. L’optimisation de ces trois éléments est bénéfique du point de vue de la production car elle entraîne un taux d’enlèvement de matière plus élevé. Cependant, cela n'est pas toujours possible.

Des vitesses de coupe plus élevées rendent généralement les matériaux moins usinables en raison de la génération excessive de chaleur et de la friction provoquant l'usure des outils. Cependant, cela améliore la finition de surface dans la plupart des cas. Dans le même temps, l’augmentation de l’avance de coupe entraîne des charges de copeaux et des forces de coupe plus élevées. Cela peut endommager l'outil et provoquer des vibrations excessives.

La profondeur de coupe est également positivement liée aux forces de coupe, à la consommation d'énergie et à la génération de chaleur. Il s'agit d'impacts sur l'outil et la pièce. De plus, une profondeur de coupe plus élevée a également un impact négatif sur l'intégrité de la surface en créant des contraintes mécaniques et thermiques.

De plus, la profondeur de coupe contribue également de manière importante à la stabilité dynamique des processus de coupe. L'augmenter au-delà d'une certaine limite peut provoquer des vibrations qui sont nocives pour l'outil et la machine.

2.2 Outil de coupe

Les fraises CNC présentent des caractéristiques géométriques complexes qui ont un impact significatif sur l'usinabilité. L’exemple le plus évident est celui de l’angle de coupe (angle du tranchant). Un angle de coupe négatif réduit les charges de coupe et améliore la formation de copeaux, signes d'une usinabilité élevée. Cependant, cela affaiblit également l'outil.

De même, un autre facteur est l'angle de dépouille, qui a un impact sur les indicateurs d'usinabilité tels que l'usure de l'outil et la dissipation thermique.

2.3 Refroidissement et lubrification

Les machinistes appliquent souvent des liquides de refroidissement et des lubrifiants à l'interface outil-pièce pour améliorer l'usinabilité des matériaux. Ceux-ci améliorent l'évacuation de la chaleur et les propriétés de friction du matériau, conduisant à une action de coupe plus douce, une meilleure finition de surface et une durée de vie de l'outil plus longue.

2.4 État de la machine-outil

L'état de la machine CNC est un autre facteur qui détermine l'usinabilité. Les machines plus anciennes ont généralement du jeu dans leurs entraînements d’axe et vibrent davantage sous des charges de coupe dynamiques. Cela rend l'usinage difficile, rendant la machine incapable de manipuler des matériaux difficiles à couper.

Qu'est-ce que l'indice d'usinabilité ?

Avec une grande variété de matériaux usinables dans la boîte à outils d’un ingénieur, il peut être difficile de les comparer en termes d’usinabilité. L'une des méthodes populaires pour évaluer l'usinabilité des matériaux consiste à évaluer leur usinabilité.

Une caractéristique standard des évaluations d'usinabilité est d'avoir un matériau de référence pour une comparaison pratique. Par exemple, l'un des matériaux standards est le laiton C36000 avec un indice d'usinabilité de 100 %. À mesure que les matériaux deviennent plus difficiles à couper, leur cote respective diminue. Par exemple, l'AISI 1018 a un indice de 70 %, ce qui indique une usinabilité moyenne.

Pourquoi un tableau d'usinabilité est-il important ?

Généralement, les cotes d'usinabilité sont documentées dans un tableau d'usinabilité, que l'on trouve dans chaque atelier d'usinage CNC. Avec un tableau d'usinabilité facile à parcourir, il est rapide et facile de comparer l'usinabilité sur l'ensemble de la gamme de matériaux d'ingénierie.

L'objectif principal de ce système de notation est de soutenir les décisions d'ingénierie. Pour un ingénieur de conception, il aide à comprendre les complications de production pour un matériau particulier qu'il choisit. Ceci est utile dans des situations pratiques.

Par exemple, s'ils choisissent un matériau difficile à couper, ils peuvent l'indiquer dans le dessin technique via une note spéciale ou inclure spécifiquement une exigence de finition de surface pour garantir que le machiniste comprend parfaitement l'intention de conception. Pour un machiniste, cela aide à sélectionner les outils, les paramètres de coupe et les conditions de lubrification/refroidissement.

Différentes méthodes pour améliorer l'usinabilité

Les ateliers d'usinage adoptent plusieurs stratégies pour rendre les matériaux plus usinables. Cela présente plusieurs avantages tels qu'un usinage plus productif, des coûts réduits et une qualité globale des produits supérieure.

Traitement thermique

La dépendance des propriétés des matériaux sur l'usinabilité a été abordée en détail dans les sections précédentes. Par conséquent, lorsque nous parlons d'améliorer l'usinabilité, la modification des propriétés du matériau est l'idée principale de la liste des actions.

Le traitement thermique est une méthode efficace pour améliorer l’usinabilité des matériaux. Par exemple, les matériaux CNC courants comme l'acier et l'aluminium sont souvent recuits pour réduire leur dureté, affiner la structure de leurs grains et soulager les contraintes internes.

Additifs de matériaux

L'utilisation d'additifs de matériaux est une autre méthode pour améliorer l'usinabilité. Le thème principal est d'incorporer des additifs de matériaux dans la structure en treillis du matériau de base afin de rendre ses propriétés mécaniques faciles à usiner.

Par exemple, l’ajout de zinc pour former des alliages de cuivre comme le laiton améliore considérablement l’usinabilité du cuivre pur, permettant ainsi de réduire les forces, la friction et une meilleure formation de copeaux. En fait, de nombreuses normes d'évaluation de l'usinabilité utilisent l'alliage de cuivre porteur de zinc C36000 comme matériau de référence en raison de sa haute usinabilité.

Liquide de refroidissement/lubrifiant

L'optimisation des conditions de coupe, en particulier l'application de liquides de refroidissement/lubrifiants, peut améliorer considérablement l'usinabilité. L'utilisation de tels agents améliore les propriétés tribologiques à l'interface outil-pièce, rendant le matériau de la pièce plus facile à couper.

Les lubrifiants diminuent la friction et la génération de chaleur qui en résulte, réduisant ainsi les facteurs tels que l'usure des outils et les contraintes induites par la chaleur. De plus, cela permet également aux machinistes d'utiliser des paramètres de coupe plus agressifs, conduisant à un taux d'enlèvement de matière plus élevé.

Les liquides de refroidissement améliorent les propriétés de dissipation thermique à l'interface de coupe. Grâce à un transfert efficace de chaleur depuis la zone de coupe, les contraintes thermiques, les imprécisions dimensionnelles et les cassures d'outils sont moindres.

Optimisation des paramètres de coupe

Enfin, une sélection éclairée des paramètres de coupe peut également influencer positivement l’usinabilité des matériaux. La plupart du temps, l’équation est simple. Des vitesses, des avances et des profondeurs de coupe plus élevées diminuent l'usinabilité, et vice versa.

Il existe cependant également certains cas contre-intuitifs, qui exigent que les fabricants aient une solide compréhension des principes de base de la découpe des métaux. Le cas du bord bâti, par exemple. Si les machinistes observent un taux élevé d'adhérence du matériau sur leurs plaquettes d'outils, ce qui est mauvais pour la durée de vie de l'outil, augmenter un peu la vitesse de coupe ou l'avance peut être bénéfique en termes de réduction des accumulations d'arêtes et d'usure de l'outil.

Comment l'usinabilité est-elle mesurée ?

Bien qu’il n’existe pas de méthode standard pour calculer l’usinabilité d’un matériau, il existe quelques systèmes généralement acceptés. La plupart d'entre eux reposent sur deux éléments principaux :disposer d'un ensemble de critères pour estimer l'usinabilité des matériaux et d'un matériau de référence permettant de classer d'autres matériaux à des fins de comparaison.

Durée de vie de l'outil de coupe

La durée de vie des outils de coupe est l’une des mesures les plus pratiques de l’usinabilité car elle a un impact direct sur la productivité, la qualité et les finances. Le principe est d'évaluer l'usinabilité des matériaux en termes de durée d'utilisation d'un outil de coupe sur un matériau avant qu'il ne soit nécessaire de le remplacer ou de le réaffûter. Ceci, bien sûr, en tenant compte de tous les autres facteurs tels que la constante de géométrie de l'outil.

Naturellement, les matériaux à haute usinabilité ne provoquent pas d’usure importante des outils ni de dommages thermiques, la durée de vie de l’outil est donc longue. D'un autre côté, les matériaux difficiles à couper comme l'acier usent rapidement l'outil.

L'une des méthodes pour mesurer mathématiquement cela consiste à utiliser l'équation de durée de vie de l'outil de Taylor :

Ici, Vc et T correspondent respectivement à la vitesse de coupe et à la durée de vie de l'outil. Les autres paramètres concernent les conditions de coupe et la matière de l'outil, qui restent fixes pour les analyses d'usinabilité. Les matériaux qui permettent des vitesses de coupe plus élevées tout en conservant une durée de vie d'outil similaire à celle du matériau de référence sont considérés comme plus usinables.

Finition de surface

La finition de surface est un autre paramètre courant pour mesurer l’usinabilité. Il s’agit d’un paramètre viable car tout changement d’usinabilité se traduit la plupart du temps directement par un changement dans la qualité de surface. Par exemple, les matériaux durs ont une faible usinabilité et ont une finition de surface rugueuse en raison de l'écaillage et du frottement.

De plus, mesurer l’état de surface lui-même est également très pratique. La plupart du temps, c'est visiblement observable par les machinistes. De plus, les ingénieurs peuvent également utiliser des testeurs de surface faciles à utiliser pour cartographier rapidement l'état de surface d'une surface usinée.

Consommation électrique

L'usinage consomme de l'énergie en raison des forces de coupe. Les matériaux difficiles à couper nécessitent plus de force pour être coupés. Ils consomment donc plus d’énergie. Pour les matériaux faciles à découper, c'est le cas inverse.

En raison de cette relation très simple entre l'usinabilité et la consommation d'énergie, il s'agit d'une mesure populaire de l'usinabilité des matériaux.

Indice d'usinabilité

L'indice d'usinabilité est une autre façon de mesurer l'usinabilité des matériaux. Bien qu'elle ne soit pas aussi scientifique que les autres méthodes, il s'agit d'une méthode très pratique qui est largement utilisée dans les environnements d'ateliers d'usinage.

Matériaux CNC courants et leur usinabilité

L’ensemble du pool de matériaux d’usinage CNC est trop important pour être exploité. Par conséquent, dans cette section, nous partageons un échantillon représentatif de matériaux CNC et leurs notes d'usinabilité relatives pour donner un aperçu général de l'usinabilité des matériaux.

Catégorie de matériauMatériauUsinabilité (%)MétauxLaiton décolleté (C36000)100Aluminium (6061-T6)90-95Acier inoxydable austénitique (AISI 304)30-40Titane (grade 5, Ti-6Al-4V)20-25PlastiquePolyéthylène (HDPE)90Polycarbonate80Polychlorure de vinyle (PVC)70CompositesPolymère renforcé de fibres de carbone40-50Polymère renforcé de fibres de verre30-40CéramiqueAlumine (oxyde d'aluminium)30Zircone (dioxyde de zirconium)15Matériaux organiquesBois résineux (par exemple, pin)90Bois dur (par exemple, chêne)70