Réduisez le temps de production avec HPC et HSM :une solution de découpe complète

Résumé :

• La découpe haute performance (HPC) optimise les taux d'enlèvement de métal pour réduire les temps de cycle, tandis que l'usinage à grande vitesse (HSM) repose sur des coupes rapides à des vitesses élevées. Les deux nécessitent des outils, des commandes et des machines suffisamment stables pour prendre en charge leur utilisation.
• Le HPC nécessite des machines capables d'évacuer rapidement les copeaux, généralement des centres d'usinage horizontaux, des machines à cinq axes ou des machines inversées. Les commandes et simulations adaptatives aident également les utilisateurs à éviter les pics de force ou d’autres problèmes susceptibles d’endommager l’outil de coupe, la broche ou la pièce. Les ateliers doivent également utiliser des géométries d'outils de coupe modernes conçues pour la stabilité afin de maximiser la durée de vie et les performances des outils.
• HSM bénéficie de vitesses de broche élevées, mais nécessite réellement une accélération élevée de la broche. La plupart des packages CAM modernes incluent des fonctions qui permettent aux utilisateurs d'appliquer rapidement des techniques HSM aux fonctionnalités des pièces. Les outils de coupe destinés à ces techniques avancées doivent utiliser des revêtements modernes pour mieux résister à la chaleur générée par ces trajectoires d'outils.

La découpe haute performance (HPC) et l'usinage à grande vitesse (HSM) n'ont peut-être pas de normes formelles, mais dans la pratique, ces types d'outils et de trajectoires d'outils apportent des améliorations significatives aux temps de cycle et à la rentabilité. Les méthodes abordent différentes variables, HPC faisant référence à des outils et des trajectoires d'outils qui utilisent des coupes lourdes et agressives pour augmenter le taux d'enlèvement de matière, tandis que HSM fait référence à des outils et des trajectoires d'outils qui nécessitent des mouvements rapides et légers pour maintenir des vitesses d'avance moyennes élevées et réduire les temps sans coupe.

Sandvik Coromant fabrique des outils pour les deux extrémités de cette dichotomie haute performance, et Chris Monroe, spécialiste des solutions de production de masse chez Sandvik, sait comment les ateliers peuvent utiliser ces outils de manière optimale. En fin de compte, il s’agit d’utiliser le bon système de contrôle et de FAO ; tirer pleinement parti des revêtements et des géométries modernes ; et des machines de prélèvement avec la rigidité, la vitesse de broche et le dégagement des copeaux adaptés à votre application.

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Bien que les outils HSM laissent généralement une finition de surface plus lisse que les outils HPC axés sur l'ébauche, Monroe affirme qu'il ne s'agit pas d'une division stricte. Des outils tels que les fraises en bout Plura HD de Sandvik sont considérés comme des outils HPC selon le système de classification des constructeurs OEM, mais laissent néanmoins un état de surface respectable. Images gracieuseté de Sandvik Coromant.

HPC contre HSM

Selon Monroe, le plus grand avantage des parcours d'outils HPC est qu'ils encouragent un engagement continu avec la pièce. Bien que cela nécessite une bien meilleure rigidité et un meilleur montage sur la machine, en particulier lorsque les programmeurs effectuent des coupes plus lourdes qui exercent plus de couple sur la configuration, cela peut augmenter considérablement les taux d'enlèvement de métal.

Selon lui, les trajectoires d'outils HSM montrent leurs atouts grâce à une qualité de mouvement améliorée et une épaisseur de copeau constante. Ils maintiennent un engagement radial faible pendant que la fraise se déplace en continu, réduisant ainsi les forces de coupe et améliorant la cohérence de la durée de vie de l'outil. Avec cette durée de vie d'outil, Monroe affirme que les trajectoires d'outils HSM sont bien adaptées à l'usinage sans effort. Ces trajectoires d'outils s'adaptent bien à des régimes de rotation plus élevés, mais nécessitent avant tout une accélération suffisante de la machine et une prise en charge pour une anticipation significative du contrôle.

FAO et contrôle

Monroe affirme que la CNC est une condition préalable aux parcours d'outils HPC et HSM modernes, car l'opération manuelle ne peut pas tirer parti des fonctionnalités des outils HPC et HSM. Un contrôle avec une grande anticipation est nécessaire pour suivre les mouvements rapides du HSM et contrôler l'accélération afin que les mouvements soient fluides et exempts de marches d'escalier ou de saccades. Les commandes adaptatives, quant à elles, conviennent parfaitement aux trajectoires d'outils HPC, car elles permettent des ajustements de vitesse et d'avance en temps réel pour éviter les problèmes de force soudaine ou de pics de chaleur.

La CNC permet également l'utilisation de logiciels de FAO et de simulation, qui atténuent bon nombre des difficultés liées à la configuration de parcours d'outils avancés. Monroe souligne que les cycles prédéfinis dans le logiciel de FAO sont capables de rationaliser la programmation de fonctionnalités difficiles telles que les virages serrés, qui nécessitent une gestion minutieuse de la vitesse pour empêcher l'outil de heurter la pièce. Il affirme également que le logiciel de FAO peut permettre des trajectoires d'outils adaptatives dans les pièces forgées ou moulées, en s'ajustant légèrement lorsque les pièces pour le même travail présentent des fluctuations dimensionnelles mineures avant l'usinage. Les fonctionnalités de simulation aident les ateliers à contrôler les copeaux et à surveiller la charge, garantissant ainsi qu'ils peuvent approcher les limites supérieures de productivité de leurs outils sans obstruer la zone de travail ni endommager la broche.

Monroe ne recommande pas une marque CAM ou une marque de contrôle plutôt qu'une autre, mais indique simplement que les magasins utilisent des versions à jour dans le cadre de leur flux de travail HPC ou HSM. Même lorsque différents types de logiciels contiennent des fonctionnalités différentes, ils réduisent tous la durée pendant laquelle un magasin doit couper l'air. En maintenant un couple et une consommation d'énergie constants, ils réduisent l'instabilité thermique, améliorent la durée de vie des outils et, à terme, augmentent la productivité.

La surveillance de la charge est vitale lorsque vous travaillez avec des trajectoires d'outils HPC, car des pics de force peuvent se produire lorsque vous poussez trop fort les outils.

Géométrie efficace des outils

Les progrès réalisés dans la géométrie des outils de coupe ont permis d'obtenir des outils plus résilients pour les opérations HPC, Monroe pouvant citer plusieurs exemples dans la gamme Sandvik. L’entreprise a créé des outils avec des noyaux coniques, qui incluent une conicité vers la base de l’outil. Monroe affirme que ces cônes améliorent la rigidité et réduisent les vibrations, prolongeant la durée de vie de l'outil et se révélant utiles pour le fraisage latéral à grande avance et l'usinage de poches profondes. Les équipementiers OEM ont également commencé à commercialiser des outils à hélices inégales, à la fois symétriques et asymétriques. Ce dernier limite la résonance dans la coupe en utilisant des hélices d'angles de pas différents, tandis que le premier associe simplement ses hélices afin qu'aucune hélice adjacente n'utilise le même angle de pas. Dans les deux cas, les ateliers bénéficient d'une meilleure stabilité des outils, ce qui leur permet ensuite de fonctionner à des avances et des vitesses plus agressives pour terminer les travaux plus rapidement.

Monroe a partagé l'exemple d'un client comparant son outillage standard pour l'ébauche et la finition de la surface d'un boîtier de roulement en acier 1030 à l'outillage WhisperKut à hélice inégale de Sandvik. Avec l'ancien outil, l'atelier pouvait usiner quatre pièces avec une avance de table de 214 mm/min. Avec le nouvel outil de Sandvik, l’atelier a pu produire 40 pièces avec un seul outil à une vitesse de table de 835 mm/min. Au-delà de cette augmentation significative de la durée de vie de l'outil, l'outillage de Sandvik a également éliminé une étape supplémentaire de finition de surface manuelle après traitement pour corriger les points en dehors des tolérances.

Revêtements résistants à la chaleur

Les outils HSM, quant à eux, ont bénéficié des progrès de la technologie de revêtement, capables de résister à la chaleur plus élevée lors de la coupe à mesure que la vitesse de l'outil augmente. Dans le cas de Sandvik, ces améliorations ne se concentrent pas tant sur de nouvelles formulations de revêtements que sur de nouvelles façons d’appliquer et de superposer des revêtements éprouvés pour de meilleures performances. Monroe indique que l'équipementier a récemment développé plusieurs procédés de revêtement PVD qui aident les revêtements à adhérer à leurs substrats et à générer des structures cristallines dans les revêtements pour mieux résister à l'usure et à l'écaillage.

Pour un client, le revêtement d'un outil Sandvik DURA était suffisamment résistant à la chaleur pour que l'atelier puisse l'utiliser sur un travail en acier inoxydable 304 à une vitesse de table de 43,45 ipm, contre 25,12 ipm pour un concurrent. Même avec une avance par dent légèrement inférieure, l'outil Sandvik a produit 50 pièces en 7,4 heures avant de devoir être remplacé, tandis que l'outil du concurrent a produit 20 pièces en 5,1 heures avant de devoir être remplacé. Sandvik a calculé une augmentation de productivité de 73 % pour le client avec une réduction du temps de cycle de 42 % et une réduction des coûts de 48 %.

L'un des plus grands avantages des outils avancés est un engagement contrôlé et constant, explique Monroe. En restant dans la coupe, les ateliers passent plus de temps à fabriquer des copeaux, ce qui réduit les temps de cycle et augmente le débit.

Les outils avancés nécessitent des machines-outils avancées

Monroe affirme que les machines verticales et horizontales à trois et quatre axes conviennent parfaitement aux parcours d'outils HSM, mais prévient que le HPC fonctionne mieux avec les machines horizontales en raison des besoins d'évacuation des copeaux. Même dans ce cas, il recommande de s'assurer que la machine dispose de systèmes de refroidissement et d'air haute pression prêts à aider avec les copeaux. Les machines à cinq axes sont généralement compatibles avec les parcours d'outils HPC et HSM, bien que Monroe conseille de prêter attention au taux d'accélération de l'axe rotatif, car cela peut être un facteur limitant si les ateliers ne peuvent pas réorienter la pièce assez rapidement pour suivre le taux d'avance. La gravité facilite également l'évacuation des copeaux sur les machines à cinq axes, aidant ainsi les ateliers à exécuter des vitesses d'avance plus agressives car les copeaux peuvent être libérés des poches. Ce même principe s'applique aux fraiseuses et aux tours inversés, qui, selon Monroe, ont généralement la stabilité nécessaire pour gérer les trajectoires d'outils HPC et HSM.

Les débuts de machines dotées de broches à haut régime (40 000 tr/min) et de constructions suffisamment stables pour utiliser les cannelures complètes des outils sous une charge soutenue sans vibration rendent les trajectoires d'outils HPC et HSM plus viables, explique Monroe, avec une durée de vie améliorée de l'outil, même à des vitesses et des avances agressives. De nombreuses machines modernes offrent des vitesses de broche 20 à 40 % supérieures à celles couramment disponibles il y a cinq ans, explique Monroe, avec des taux d'enlèvement de matière 100 à 300 % plus élevés. Associés à des géométries et des revêtements d'outils modernes, ceux-ci permettent l'utilisation de trajectoires d'outils qui montrent des améliorations spectaculaires des temps de cycle tout en prolongeant le temps entre les changements d'outils.