Comprendre l'usinabilité : mesures et facteurs clés

Commençons par la question principale : 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. La qualité de la pièce fait référence ici 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 de puissance pour être usinés, provoquent moins d'usure d'outil et offrent une meilleure qualité de surface. Compréhensiblement, du point de vue de la production, les matériaux à haute usinabilité sont toujours préférables. Cependant, cela ne correspond pas toujours à la perspective du concepteur, qui recherche une résistance élevée, des performances et une stabilité thermique, ce qui n'est pas toujours le cas des matériaux faciles à usiner.

Cela crée un compromis intéressant entre différentes exigences d'ingénierie, dont nous parlerons davantage dans cet article.

Facteurs influençant l'usinabilité

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

1. Propriétés du matériau

Le groupe de caractéristiques le plus important affectant l'usinabilité est constitué des propriétés du matériau. Chaque matériau ayant un ensemble unique de propriétés, les ingénieurs doivent comprendre l'impact de chacune sur l'usinabilité pour pouvoir prendre des décisions éclairées.

1.1 Dureté

La dureté est un facteur clé dans la détermination de l'usinabilité des matériaux car elle définit la difficulté de « couper » la surface. Puisque 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 être coupés car l'outil doit exercer une force plus élevée. De plus, les s'usent plus rapidement lors de l'usinage de matériaux durs. En bref, une dureté élevée signifie une faible usinabilité.

1.2 Tenacité

La ténacité est un autre paramètre critique dans la détermination de 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 des outils plus durables.

De plus, les matériaux tenaces produisent des copeaux longs et filandreux en raison de leur grande ductilité. Bien que cela soit bon pour maintenir une action de coupe lisse et un transfert de chaleur efficace, les copeaux longs s'emmêlent fréquemment avec l'outil, provoquant des retards de coupe et une usure de 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 coupe est très importante pour des processus de coupe 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 cause plusieurs effets négatifs comme le ramollissement thermique de la pièce et de l'outil, une durée de vie de l'outil réduite et une précision dimensionnelle moindre. Un exemple classique est le titane, qui présente tous ces problèmes.

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

2. Conditions de coupe

L'usinabilité concerne le comportement d'un matériau lors de la coupe. Par conséquent, en plus des propriétés du matériau, les conditions de coupe affectent également l'usinabilité des matériaux.

2.1 Paramètres de coupe

Les paramètres de coupe primaires en usinage sont la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de passe. L'optimisation de ces trois paramètres 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 frottement causant l'usure de l'outil. Elles améliorent toutefois la finition de surface dans la plupart des cas. Parallèlement, 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 passe est également positivement liée aux forces de coupe, à la consommation d'énergie et à la génération de chaleur. Ce sont des impacts sur l'outil et la pièce. De plus, une profondeur de passe plus élevée affecte également négativement l'intégrité de surface en créant des contraintes mécaniques et thermiques.

En outre, la profondeur de passe est un contributeur principal à la stabilité dynamique des processus de coupe. L'augmenter au-delà d'une certaine limite peut provoquer des vibrations de grattage, nuisibles à l'outil et à la machine.

2.2 Outil de coupe

Les fraises CNC ont des caractéristiques géométriques complexes qui influencent significativement l'usinabilité. L'exemple le plus évident est l'angle de dépouille (angle du bord de coupe). Un angle de dépouille négatif réduit les charges de coupe et améliore la formation de copeaux, ce qui sont des signes de haute usinabilité. Cependant, il rend également l'outil plus faible.

De même, un autre facteur est l'angle de dégage, qui impacte les indicateurs d'usinabilité comme l'usure de l'outil et la dissipation de chaleur.

2.3 Refroidissement et lubrification

Les machinistes appliquent souvent des fluides de coupe 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 frottement du matériau, conduisant à une action de coupe plus fluide, 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'axes et vibrent davantage sous des charges de coupe dynamiques. Cela rend l'usinage difficile, rendant la machine incapable de gérer les 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 délicat de les comparer en termes d'usinabilité. L'une des méthodes populaires pour évaluer l'usinabilité des matériaux est leur indice d'usinabilité.

Une caractéristique standard des indices d'usinabilité est d'avoir un matériau de référence pour une comparaison commode. Par exemple, l'un des matériaux standards est le laiton C36000 à usinage libre avec un indice d'usinabilité de 100 %. À mesure que les matériaux deviennent plus difficiles à couper, leur indice respectif diminue. Par exemple, l'AISI 1018 a un indice de 70 %, indiquant une usinabilité moyenne.

Pourquoi un tableau d'usinabilité est-il important ?

Généralement, les indices d'usinabilité sont documentés dans un tableau d'usinabilité, présent dans chaque atelier d'usinage CNC. Avec un tableau d'usinabilité facile à naviguer en main, il est rapide et facile de comparer l'usinabilité sur l'ensemble du spectre des matériaux d'ingénierie.

Le but principal de ce système d'évaluation est de soutenir les décisions d'ingénierie. Pour un ingénieur concepteur, il aide à comprendre les complications de production pour un matériau particulier qu'il choisit. Cela 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 s'assurer que le machiniste comprend pleinement 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 apporte plusieurs avantages comme un usinage plus productif, des coûts plus bas et une qualité globale plus élevée des produits.

Traitement thermique

La dépendance des propriétés du matériau vis-à-vis de l'usinabilité a été détaillée dans les sections précédentes. Par conséquent, lorsque nous parlons d'améliorer l'usinabilité, modifier les propriétés du matériau est la première idée de la liste d'actions.

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

Additifs de matériau

L'utilisation d'additifs de matériau est une autre méthode pour améliorer l'usinabilité. Le thème central consiste à incorporer des additifs dans la structure cristalline du matériau de base pour rendre ses propriétés mécaniques favorables à l'usinage.

Par exemple, l'ajout de zinc pour former des alliages de cuivre comme le laiton améliore considérablement l'usinabilité du cuivre pur, permettant des forces et frottements moindres et une meilleure formation de copeaux. En fait, de nombreuses normes d'indices d'usinabilité utilisent l'alliage cuivre-zinc C36000 comme matériau de référence en raison de sa haute usinabilité.

Fluide de coupe / Lubrifiant

L'optimisation des conditions de coupe, en particulier l'application de fluides de coupe/lubrifiants, peut améliorer remarquablement 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 le frottement et la génération de chaleur qui en résulte, réduisant des facteurs comme l'usure de l'outil et les contraintes thermiques. De plus, cela permet aux machinistes d'utiliser des paramètres de coupe plus agressifs, conduisant à un taux d'enlèvement de matière plus élevé.

Les fluides de coupe améliorent les propriétés de dissipation de chaleur à l'interface de coupe. Avec plus de chaleur efficacement transférée hors de la zone de coupe, il y a moins de contraintes thermiques, d'imprécisions dimensionnelles et de casses d'outil.

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, avances et profondeurs de passe plus élevées diminuent l'usinabilité, et vice versa.

Il existe cependant des cas contre-intuitifs, qui exigent des fabricants une solide compréhension des principes de base de la coupe des métaux. Le cas du bord rapporté, par exemple. Si les machinistes observent un taux élevé d'adhérence du matériau sur leurs plaquettes d'outil, ce qui est mauvais pour la durée de vie de l'outil, augmenter légèrement la vitesse de coupe ou l'avance peut être bénéfique en termes de réduction du bord rapporté et de l'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 reposent sur deux composants majeurs : avoir un ensemble de critères pour estimer l'usinabilité des matériaux et un matériau de référence pour classer les autres matériaux par commodité de comparaison.

Durée de vie de l'outil de coupe

La durée de vie de l'outil 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 fonction de la durée pendant laquelle un outil de coupe reste utilisable sur un matériau avant d'avoir besoin d'être remplacé ou réaffûté. Ceci, bien sûr, en considérant tous les autres facteurs comme la géométrie de l'outil constants.

Compréhensiblement, les matériaux à haute usinabilité ne provoquent pas une usure élevée de l'outil ni de dommages thermiques, donc la durée de vie de l'outil est longue. À l'inverse, 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 le matériau de l'outil, qui restent fixes pour les analyses d'usinabilité. Les matériaux qui permettent des vitesses de coupe plus élevées tout en maintenant une durée de vie d'outil similaire au matériau de référence sont considérés comme plus usinables.

Finition de surface

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

De plus, mesurer la finition de surface est également assez pratique. Elle est mostly visible pour les machinistes. De plus, les ingénieurs peuvent également utiliser des testeurs de surface faciles à utiliser pour cartographier rapidement la finition de surface d'une surface usinée.

Consommation d'énergie

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

En raison de cette relation très directe entre l'usinabilité et la consommation d'énergie, c'est 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 que moins scientifique que les autres méthodes, c'est une méthode très pratique largement utilisée dans les environnements d'atelier d'usinage.

Matériaux CNC courants et leur usinabilité

L'ensemble du pool de matériaux d'usinage CNC est trop vaste pour être listé exhaustivement. Par conséquent, dans cette section, nous partageons un échantillon représentatif de matériaux CNC et leurs indices d'usinabilité relatifs pour donner un aperçu général de l'usinabilité des matériaux.