Outillage et stratégies d'usinage optimisés pour pièces de véhicules électriques

Alors que le boom des véhicules électriques s'accélère, de nouveaux matériaux sont utilisés pour fabriquer les composants de véhicules, présentant un défi d'usinage pour les fournisseurs automobiles. Voici pourquoi les outils de coupe en diamant polycristallin deviennent rapidement le meilleur ami 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 par l'utilisation par Bugatti de châssis et composants de carrosserie en aluminium en 1908 et le moteur suralimenté d'Alfa Romeo en 1934, également en aluminium.

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

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

Une partie de cette consommation sera due aux roues, corps de pompes, culasses et carters de transmission déjà en usage mais s'étendra progressivement pour inclure les plateaux de batteries et les composants de moteurs électriques tels que les stators et carters. Il y a juste un problème, cependant : là où la plupart des alliages d'aluminium forgés et laminés sont relativement faciles à usiner, les matériaux coulés utilisés dans certaines de ces pièces peuvent être très abrasifs, menant à une mauvaise durée de vie d'outil et à une augmentation des temps d'arrêt. Compte tenu des volumes de production notoirement élevés de l'industrie, cela semblerait présenter une préoccupation sérieuse pour les constructeurs automobiles et leurs fournisseurs de rang 1.

Aborder les questions difficiles

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

« Pour un constructeur automobile, le coût par arête est tout, 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 d'outil grandement augmentée qu'il fournit compensent plus que la différence de prix », dit-il.

Fitch pointe vers les fraises de fraisage MFAH et MEAS de la compagnie comme deux solutions possibles. Les deux sont censées fournir de faibles forces de coupe qui minimisent les bavures et l'ébréchage de la pièce tout en générant une finition de haute qualité, tous critiques dans l'usinage d'aluminium à haut volume. Les outils à plaquettes comme ceux-ci sont aussi appropriés pour fraiser le haut des blocs moteurs où des chemises de cylindre en fonte ou métal pulvérisé sont présentes, une occurrence courante mais difficile sur le marché automobile.

Alésage profond

Rick With voit beaucoup des mêmes défis. Le responsable produit et superviseur ingénierie pour la division PCD/PCBN de Guhring Inc., il souligne que les tolérances et finitions de surface des pièces automobiles sont souvent assez strictes, et dans le cas des alésages de stator de moteur électrique, de longs rapports longueur/diamètre peuvent aussi être attendus.

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

La solution de Guhring pour cette pièce particulière était un outil personnalisé dont le corps est, quelque peu ironiquement, lui-même fait d'aluminium. L'outil d'alésage a une interface de broche HSK et est équipé de six ou plus d'inserts PCD, chacun monté dans une cartouche ajustable pour le contrôle de la taille. « Comme c'est courant avec de nombreux outils de coupe automobiles, c'était un outil spécial complet où vous pouvez usiner plusieurs diamètres et caractéristiques de pièce avec un seul outil », dit With.

Avancer plus vite avec le PCD

Chad Hefflinger est le responsable produit PCD/PCBN pour Kennametal Inc. Il explique que, bien que les constructeurs automobiles utilisent l'outillage PCD depuis des décennies pour améliorer leurs opérations d'usinage d'aluminium, leurs fournisseurs de rang 1 sont restés à la traîne pendant une grande partie de ce temps. Tout cela a changé au cours des dernières années étant donné la disponibilité généralisée de machines CNC à coût relativement bas qui vantent les vitesses de broche et avances plus élevées nécessaires pour le PCD, apportant sa plus grande productivité à la portée même des plus petits ateliers.

Une autre chose qui a changé est le développement de l'outillage PCD dit « veiné » (veined). « Le PCD dans la plupart des outils de coupe est produit à partir d'un palet plat qui est découpé et brasé sur un substrat en carbure », dit Hefflinger. « L'inconvénient ici est que vous ne pouvez pas faire une forme courbée comme avec les outils de coupe en carbure. Avec l'outillage veiné, cependant, le PCD est fritté dans des rainures courbées dans un blanc de carbure préparé, permettant son utilisation dans des forets hélicoïdaux et fraises à bout. »

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

« Le CFRP n'est pas seulement assez abrasif mais aussi sujet à l'ébréchage et au délaminage », dit-il. « C'est en partie la raison pour laquelle l'outillage PCD veiné est souvent préféré pour ces matériaux, particulièrement dans l'industrie aérospatiale mais aussi dans l'automobile dans une certaine mesure. Vous obtenez la résistance extrême à l'usure du PCD ensemble avec des options de géométrie plus flexibles, ce qui aide à éliminer certains des problèmes rencontrés lors de l'usinage de 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 idées dans les commentaires ci-dessous.

Utiliser le meilleur outillage et stratégies d'usinage pour pièces automobiles

Alors que le boom des véhicules électriques (VE) s'accélère, de nouveaux matériaux sont utilisés pour fabriquer les composants de véhicules, présentant un défi d'usinage pour les fournisseurs automobiles. Heureusement, il y a 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 VE ? Participez à notre sondage pour partager vos idées sur ce sujet.

Comment gérez-vous l'usinage des alliages d'aluminium ?