Stratégies d'outillage et d'usinage pour les pièces automobiles

Alors que le boom des véhicules électriques s'accélère, de nouveaux matériaux sont utilisés pour fabriquer des composants de véhicules, ce qui représente un défi d'usinage pour les équipementiers automobiles. Voici pourquoi les outils de coupe en diamant polycristallin deviennent rapidement les meilleurs amis des constructeurs automobiles.

Depuis qu'il y a des voitures, les constructeurs automobiles utilisent l'aluminium pour les construire. En fait, le pionnier de l'automobile Carl Benz a introduit les premières pièces de moteur en aluminium en 1901, suivi de l'utilisation par Bugatti de composants de châssis et de carrosserie en aluminium en 1908 et du moteur suralimenté d'Alfa Romeo en 1934, également en aluminium.

Depuis lors, l'aluminium et ses nombreux alliages ont continué de gagner en popularité, l'un des exemples les plus récents et les plus notables étant l'introduction par Ford Motor Co. d'une camionnette F-150 à carrosserie en aluminium en 2015. Cette tendance est sur le point de prendre une cependant, étant donné le plan de General Motors d'offrir 30 nouveaux modèles de véhicules électriques (EV) d'ici 2025, suivi de l'élimination totale des moteurs à combustion interne (IC) 10 ans plus tard. D'autres constructeurs automobiles suivront sûrement la voie révolutionnaire de GM.

Qu'est-ce que l'électrification des véhicules a à voir avec l'aluminium ? Abondance. Alors que ce métal solide mais léger était déjà un chouchou de l'industrie automobile pour son rôle utile dans le respect des normes strictes d'efficacité énergétique, une enquête récente de la société de recherche DuckerFrontier suggère que l'aluminium moyen utilisé dans les véhicules électriques et non électriques en Amérique du Nord est attendu augmenter de 24 % d'ici 2030. 
 

Une partie de cette consommation sera due aux roues, corps de pompe, culasses et carters de transmission déjà utilisés, mais s'étendra progressivement aux plateaux de batterie et aux composants des moteurs électriques tels que les stators et les carters. Il n'y a cependant qu'un seul problème :là où la plupart des alliages d'aluminium forgés et corroyés sont relativement faciles à usiner, les matériaux moulés utilisés dans certaines de ces pièces peuvent être très abrasifs, ce qui entraîne une faible durée de vie de l'outil et une augmentation des temps d'arrêt. À la lumière des volumes de production notoirement élevés de l'industrie, cela semblerait constituer une grave préoccupation pour les constructeurs automobiles et leurs fournisseurs de niveau.

Aborder les questions difficiles

Heureusement, il existe un matériau d'outil de coupe à la hauteur de la tâche. C'est ce qu'on appelle le diamant polycristallin (PCD), et comme le souligne Gerald Fitch, spécialiste des applications automobiles chez Kyocera Precision Tools, il existe une large gamme de forets et de fraises PCD brasés disponibles ainsi que des fraises indexables et des solutions personnalisées, qui servent toutes à réduire les coûts et augmenter la productivité de tout atelier qui usine régulièrement l'aluminium.

"Pour un constructeur automobile, le coût par arête est primordial, et même si un outil PCD peut coûter 10 fois son équivalent en carbure, le temps de cycle plus court et la durée de vie considérablement accrue de l'outil qu'il offre font plus que compenser la différence de prix", dit-il.

Fitch désigne les fraises MFAH et MEAS de la société comme deux solutions possibles. On dit que les deux fournissent de faibles forces de coupe qui minimisent les bavures et l'écaillage de la pièce tout en générant une finition de haute qualité, qui sont toutes essentielles dans l'usinage de l'aluminium à grand volume. Des outils indexables comme ceux-ci conviennent également au fraisage des dessus de blocs moteurs où des chemises de cylindre en fonte ou en poudre métallique sont présentes, un événement courant mais difficile sur le marché automobile.

Ennuyeux profond

Rick With voit bon nombre des mêmes défis. Chef de produit et superviseur de l'ingénierie pour la division PCD/PCBN de Guhring Inc., il souligne que les tolérances des pièces automobiles et les finitions de surface sont souvent assez strictes, et dans le cas des alésages de stator de moteur électrique, de longs rapports longueur/diamètre peuvent également être attendu.

"Un exemple serait l'alésage du stator dans un moteur électrique, qui peut généralement mesurer bien plus de 200 millimètres de diamètre (7,87 pouces) et peut-être 1 à 1,5 fois cette profondeur", explique With. "L'approche d'usinage est assez similaire à celle d'un carter de transmission conventionnel, qui peut en fait nécessiter beaucoup plus de portée. Cela nécessite un processus d'usinage en trois étapes avec des opérations d'alésage d'ébauche, de semi-finition et de finition. La différence ici est le matériau du corps de l'outil et le système de réglage.”

La solution de Guhring pour cette pièce particulière était un cutter personnalisé dont le corps est, un peu ironiquement, lui-même en aluminium. L'outil d'alésage a une interface de broche HSK et est équipé de six inserts PCD ou plus, chacun monté dans une cartouche réglable pour le contrôle de la taille. "Comme c'est souvent le cas avec de nombreux outils de coupe automobiles, il s'agissait d'une offre spéciale à part entière dans laquelle vous pouvez usiner plusieurs diamètres et caractéristiques de pièces avec un seul outil", déclare With.

Alimentation plus rapide avec PCD

Chad Hefflinger est le chef de produit PCD/PCBN pour Kennametal Inc. Il explique que, alors que les constructeurs automobiles utilisent des outils PCD depuis des décennies pour améliorer leurs opérations d'usinage de l'aluminium, leurs fournisseurs Tier ont pris du retard pendant une grande partie de cette période. Tout cela a changé au cours des dernières années étant donné la disponibilité généralisée de machines CNC relativement peu coûteuses qui offrent les vitesses de broche et les vitesses d'alimentation plus élevées nécessaires pour le PCD, mettant sa plus grande productivité à la portée même des plus petits ateliers.

Une autre chose qui a changé est le développement d'outils PCD dits "veinés". "Le PCD de la plupart des outils de coupe est produit à partir d'une rondelle plate qui est découpée et brasée sur un substrat en carbure", explique Hefflinger. "L'inconvénient ici est que vous ne pouvez pas créer une forme incurvée comme avec les outils de coupe au carbure. Avec l'outillage veiné, cependant, le PCD est fritté dans des fentes courbes à l'intérieur d'une ébauche en carbure préparée, ce qui lui permet d'être utilisé dans des forets hélicoïdaux et des fraises en bout. »

Hefflinger suggère également que l'aluminium n'est pas le seul jeu dans la ville automobile. Un nombre croissant de fabricants se tournent vers le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP) et d'autres composites pour les panneaux de carrosserie, les composants de châssis, les pare-chocs et, dans le cas des véhicules électriques, les plateaux de batterie. Là encore, l'outillage PCD est le premier et parfois le seul choix pour l'usinage de ces matériaux de qualité aérospatiale.

"Le CFRP est non seulement assez abrasif, mais aussi sujet à l'écaillage et au délaminage", dit-il. « C'est en partie la raison pour laquelle l'outillage PCD veiné est souvent préféré pour ces matériaux, en particulier dans l'industrie aérospatiale, mais aussi dans l'automobile dans une certaine mesure. Vous obtenez l'extrême résistance à l'usure du PCD ainsi que des options de géométrie plus flexibles, ce qui permet d'éliminer certains des problèmes rencontrés lors de l'usinage des composites ainsi que de certains alliages d'aluminium. »

Quelles mesures prenez-vous pour accélérer vos capacités de production de véhicules électriques ? Partagez vos pensées et vos idées dans les commentaires ci-dessous.

Utilisation des meilleures stratégies d'outillage et d'usinage pour les pièces automobiles

Alors que le boom des véhicules électriques (VE) s'accélère, de nouveaux matériaux sont utilisés pour fabriquer des composants de véhicules, ce qui représente un défi d'usinage pour les équipementiers automobiles. Heureusement, il existe un matériau d'outil de coupe à la hauteur de la tâche :le diamant polycristallin ou PCD. Quelles mesures prenez-vous pour accélérer vos capacités de production de véhicules électriques ? Répondez à notre sondage pour partager vos idées sur ce sujet.

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