Les outils et les paramètres jouent toujours un rôle clé dans le succès de l'usinage

Présentation

Bien que les pièces, les matériaux des pièces et les processus d'usinage avec lesquels ils travaillent diffèrent considérablement, tous les fabricants partagent l'objectif d'usiner un certain nombre de pièces d'une qualité souhaitée, dans un laps de temps spécifié, à un coût approprié.

Les fabricants atteignent généralement leurs objectifs en suivant un modèle à perspective étroite qui commence par la sélection et l'application des outils et résout les problèmes de manière réactive. Inverser cette approche entraînera des réductions de coûts et une efficacité accrue. Au lieu d'attendre que des problèmes surviennent, puis d'apporter des ajustements aux opérations d'usinage individuelles, les fabricants doivent d'abord se concentrer sur une planification préalable proactive visant à éliminer les pièces rejetées et les temps d'arrêt. Après avoir établi un processus stable et fiable, les concepts d'économie de production peuvent être appliqués pour atteindre un équilibre entre le taux de production et les coûts de fabrication. Ensuite, grâce à une sélection rigoureuse des outils de coupe et des paramètres d'usinage, les fabricants peuvent optimiser pleinement leurs opérations et atteindre leurs objectifs de production.

Sélection des outils et des conditions de coupe

La sélection d'outils de coupe de métaux est généralement orientée vers l'application :un atelier recherche un outil pour usiner un certain matériau de pièce tel que l'acier ou l'aluminium, ou effectuer une opération spécifique telle que l'ébauche ou la finition. Une approche plus avantageuse de la sélection d'outils commence par l'examen de la façon dont l'opération d'usinage s'intègre dans l'activité globale d'un fabricant.

La première priorité d'une telle approche est d'assurer la fiabilité du processus et d'éliminer l'apparition de pièces rejetées et les temps d'arrêt imprévus. La fiabilité, décrite de manière générique, est une question de respect des règles. Si un atelier ne reconnaît pas et ne respecte pas les effets des forces de coupe, thermiques et chimiques sur l'outil, la fiabilité sera remplacée par une défaillance de l'outil.

Après avoir établi un processus stable, les caractéristiques d'outillage et les conditions de coupe doivent être choisies pour correspondre aux objectifs généraux de l'entreprise de travail des métaux. Par exemple, la maximisation de la production à des coûts minimaux peut être la principale considération dans la production de masse de pièces simples. Mais d'un autre côté, dans la fabrication à haut volume et à faible volume de pièces complexes de valeur, il faut mettre l'accent sur la fiabilité et la précision totales avant de s'attaquer aux coûts de fabrication. La flexibilité est une exigence des systèmes d'outillage appliqués dans de tels scénarios de petits lots.

Si la rentabilité est un objectif principal, l'outillage doit être sélectionné sur la base d'un faible coût par arête de coupe, et le choix des conditions de coupe doit être en équilibre avec cette sélection. Les paramètres d'usinage doivent mettre l'accent sur la longue durée de vie de l'outil ainsi que sur la fiabilité du processus. Si, à l'inverse, la qualité de la pièce est la priorité absolue, un outillage de précision haute performance appliqué dans des conditions de coupe appropriées sera la bonne approche. Quelle que soit la cible, chaque ensemble d'objectifs différents conduit à la sélection de conditions de coupe et d'outils différents.

Sélectionner et ajuster les conditions de coupe

Lors de la planification initiale de l'usinage d'une nouvelle pièce, la sélection de l'outillage et des conditions de coupe doit commencer par la prise en compte de la méthode d'usinage, de la géométrie de l'outil et du matériau de l'outil. La pièce usinée déterminera en grande partie ces exigences. Par exemple, un composant aérospatial à base de nickel peut imposer un fraisage de profil avec une fraise en carbure monobloc à géométrie positive. Le choix est guidé par les objectifs de base de l'atelier en termes de cadence de production, de coût et de qualité des pièces, et dépend de la profondeur de coupe, de l'avance et de la vitesse de coupe qui peuvent être appliquées pour atteindre ces objectifs.

Un processus de sélection différent est approprié pour modifier les opérations de fabrication de pièces existantes afin de produire de meilleurs résultats en termes de productivité, d'économie ou de fiabilité. Dans ces cas, une approche par étapes est recommandée, en commençant par les modifications des conditions de coupe, puis des géométries, des matériaux de coupe, des concepts d'outils et enfin des méthodes d'usinage. Notamment, la plupart des ateliers travaillent dans l'ordre inverse et envisagent d'abord de changer d'outils ou de méthodes d'usinage lorsqu'ils tentent d'améliorer les résultats d'usinage.

Une approche initiale beaucoup plus facile et généralement efficace commence par la modification des paramètres de coupe. Les conditions de coupe ont un large éventail d'influences, et la modification de la vitesse de coupe ou de l'avance d'une quantité nominale peut résoudre un problème ou augmenter la productivité sans les dépenses ou le temps nécessaires au changement d'outils.

Si la modification des paramètres de coupe ne produit pas l'effet souhaité, des modifications peuvent être apportées à la géométrie de l'outil de coupe. Cependant, cette étape est plus compliquée que la simple modification des paramètres, nécessitera l'utilisation de nouveaux outils et augmentera les coûts de temps d'outillage et de machine. Un changement de matériaux d'outils de coupe est une autre alternative, mais impliquera également un investissement plus important en temps et en argent. Changer les outils de coupe ou les supports eux-mêmes peut être nécessaire, mais cela soulève la possibilité de passer à des outils sur mesure, ce qui peut encore augmenter les coûts de fabrication.

Si toutes ces étapes ne fournissent pas le résultat souhaité, un changement de méthode d'usinage peut être nécessaire. La clé est d'explorer les changements d'une manière délibérée, étape par étape, qui indiquera clairement quels facteurs produisent réellement le résultat souhaité.

Parce que cela semble être une approche rapide et facile, de nombreux ateliers utilisent des systèmes de FAO pour guider leurs sélections d'outils. Cette méthode est efficace dans de nombreux cas, mais peut ne pas fournir des résultats optimaux. Un système CAM ne prend pas en compte la gamme complète des caractéristiques opérationnelles individuelles. L'application d'une fraise, par exemple, ne consiste pas simplement à brancher la vitesse, l'avance et le DOC. L'application optimale implique des facteurs allant du nombre de dents dans la fraise, à la qualité de l'évacuation des copeaux et à la résistance de l'outil, à la stabilité de la fraiseuse. Il est nécessaire de reconnaître tous ces facteurs pour atteindre pleinement les objectifs d'une opération de fabrication, qu'il s'agisse du taux d'enlèvement de matière, de la durée de vie de l'outil, de la rugosité de surface ou de l'économie.

Vitesse, avance et profondeur de coupe

De nombreux directeurs d'atelier pensent que le simple fait d'augmenter les vitesses de coupe produira plus de pièces par période de temps et réduira ainsi les coûts de fabrication. Cependant, il y a plus d'éléments de coûts de fabrication que le seul volume de production. Un exemple est une opération où le changement d'outil en cours d'opération aurait un effet néfaste sur la qualité de la pièce et le temps d'usinage.

L'augmentation de la vitesse de coupe entraînerait une production plus rapide, mais la durée de vie de l'outil diminuerait. Les coûts d'usinage augmenteraient en raison de remplacements d'outils plus fréquents et d'un plus grand temps d'arrêt de la machine pendant les changements.

L'augmentation de la vitesse de coupe raccourcit la durée de vie de l'outil et peut rendre une opération moins stable, tandis que la modification de la profondeur de coupe ou de la vitesse d'avance a un effet minimal sur la durée de vie de l'outil. Par conséquent, les meilleurs résultats proviennent d'une approche équilibrée qui implique des vitesses de coupe réduites associées à des augmentations proportionnelles de la vitesse d'avance et de la profondeur de coupe. L'utilisation de la plus grande profondeur de coupe possible diminue le nombre de passes de coupe nécessaires et réduit ainsi le temps d'usinage. La vitesse d'alimentation doit également être maximisée, bien que la qualité de la pièce et la finition de surface puissent être affectées par des vitesses d'alimentation excessives.

Dans un exemple général, l'augmentation de la vitesse de coupe de 180 m/min à 200 m/min n'augmentera le taux d'enlèvement de copeaux que d'environ 10 %, mais aura un effet négatif sur la durée de vie de l'outil. L'augmentation de l'avance de 0,2 mm/tour à 0,3 mm/tour augmentera le taux d'enlèvement de copeaux de 50 %, avec un effet minime, voire nul, sur la durée de vie de l'outil.

Dans la plupart des cas, l'augmentation de la vitesse d'avance et de la profondeur de coupe à des vitesses de coupe identiques ou inférieures augmentera le taux d'enlèvement de métal d'une opération jusqu'à celui obtenu uniquement avec des vitesses de coupe plus élevées. L'un des avantages de travailler avec une combinaison de vitesses de coupe plus faibles avec des vitesses d'avance plus élevées et une profondeur de coupe plus petite est la réduction de la consommation d'énergie.

La dernière étape de l'optimisation des conditions de coupe consiste à sélectionner un critère approprié en termes de coût minimum ou de productivité maximale et à utiliser la vitesse de coupe pour affiner la réalisation de ce critère. Un modèle développé au début du 20ème siècle par l'ingénieur mécanique américain F.W. Taylor peut guider ce choix.

Le modèle démontre que pour une combinaison donnée de profondeur de coupe et d'avance, il existe une certaine fenêtre pour les vitesses de coupe où la détérioration de l'outil est sûre, prévisible et contrôlable. En travaillant dans cette fenêtre, il est possible de qualifier et de quantifier la relation entre la vitesse de coupe, l'usure de l'outil et la durée de vie de l'outil. L'objectif est une vitesse de coupe plus élevée qui réduit les coûts de temps machine mais n'augmente pas excessivement les coûts d'outils de coupe via une usure accélérée des outils.

Substrat et géométrie de l'outil

Des étapes supplémentaires dans l'optimisation de l'application de l'outil peuvent inclure un réglage fin des caractéristiques du substrat et de la géométrie de l'outil. Tout comme l'ajustement des conditions de coupe implique de faire des compromis en fonction des résultats souhaités, maximiser la productivité en modifiant le substrat de l'outil nécessite un équilibre des compromis entre les propriétés du substrat.

Parce que le tranchant d'un outil doit être plus dur que le matériau qu'il coupe, la dureté est une caractéristique clé de l'outil. Une dureté élevée, en particulier à des températures élevées générées dans l'usinage à grande vitesse, prolongera la durée de vie de l'outil. Un outil plus dur, cependant, est également plus fragile. Les forces de coupe inégales rencontrées lors de l'ébauche, en particulier dans les coupes interrompues impliquant des écailles ou des profondeurs de coupe variables, peuvent provoquer la rupture d'un outil de coupe dur. L'instabilité de la machine-outil, de la fixation ou de la pièce à usiner peut également précipiter la défaillance.

À l'inverse, augmenter la ténacité d'un outil en incluant un pourcentage plus élevé de liant au cobalt, par exemple, permettra à un outil de résister aux chocs. Mais en même temps, une dureté réduite rend un outil sujet à une usure et/ou une déformation rapide dans les opérations à grande vitesse ou lors de l'usinage de pièces abrasives. La clé est d'équilibrer les propriétés de l'outil en fonction du matériau de la pièce à usiner.

Le choix des géométries d'outils implique également des compromis. Une géométrie de coupe positive et une arête de coupe vive réduisent les efforts de coupe et maximisent le flux de copeaux. Cependant, une arête vive n'est pas aussi solide qu'une arête arrondie. Les caractéristiques géométriques telles que les reliefs en T et les chanfreins peuvent être manipulées pour renforcer l'arête de coupe.

Un plat en T – une zone de renforcement derrière le bord de coupe – placé à un angle positif peut fournir une résistance suffisante pour gérer des opérations et des matériaux de pièce spécifiques et minimiser autant que possible les forces de coupe. Un chanfrein équarrit la partie la plus faible d'une arête tranchante, au prix d'efforts de coupe accrus. Les géométries de contrôle des copeaux « durs » guident les copeaux à travers un angle relativement aigu pour les courber et les casser immédiatement. Ces géométries peuvent être efficaces avec des matériaux à copeaux longs mais imposent une charge supplémentaire sur l'arête de coupe. Les géométries de contrôle des copeaux "soft" mettent moins de charge sur l'arête de coupe, mais génèrent des copeaux plus longs. Différentes caractéristiques géométriques, ainsi que des traitements d'arêtes d'outils tels que des rodages, peuvent être combinés pour optimiser les performances de coupe dans des matériaux de pièces spécifiques.

Conclusion

Il convient de noter que si le personnel de l'atelier et peut-être les ingénieurs de production sont très préoccupés par les conditions de coupe et la productivité qu'elles représentent, les responsables de niveau supérieur ne sont pas aussi préoccupés par ces chiffres que par les objectifs commerciaux des opérations de fabrication dans leur ensemble. Ceux qui choisissent les conditions de coupe et les outils de coupe doivent d'abord réfléchir aux objectifs plus larges des opérations d'usinage de leur entreprise et les utiliser pour orienter la sélection des conditions de coupe et des outils qui offrent des performances qui permettront d'atteindre ces objectifs.

Polyvalence des outils pour les scénarios de production modernes

La fabrication passe d'une production de masse à volume élevé à des scénarios d'usinage à haut volume et à faible volume en raison de l'utilisation accrue de stratégies de production juste à temps et de la croissance de l'externalisation. Les sous-traitants produisent de plus en plus des lots de plus petite taille de manière intermittente mais répétitive. Équilibrer les considérations de productivité et de coût des outils nécessite un outillage qui offre polyvalence et flexibilité sur une large fenêtre d'application. Minimiser le nombre d'outils différents dans l'atelier réduit le temps de manipulation des outils et augmente le temps disponible pour les opérations d'usinage.

La manière traditionnelle d'augmenter la productivité d'une opération individuelle impliquant de longues séries de pièces identiques consiste à appliquer un outillage spécialement conçu pour ce processus spécifique. La conception et la mise en œuvre d'outils spéciaux valent la peine lorsque la dépense peut être amortie sur une longue période de production.

Cependant, il est plus facile d'équilibrer les considérations de productivité et de coût des outils dans des situations de lots variables et plus petits avec des outils « universels » polyvalents qui offrent une flexibilité sur une large fenêtre d'application. Ces outils réduisent les temps d'arrêt en minimisant le temps nécessaire pour changer d'outil lorsque la pièce change. Ils éliminent également le besoin de configurer et de tester de nouveaux outils.

Un exemple d'un tel outillage est la gamme de fraises Seco Turbo. Ces outils offrent une polyvalence dans une large gamme d'applications pour fournir une combinaison de rentabilité et de hautes performances. La géométrie de coupe positive des fraises réduit la consommation d'énergie, ce qui prolonge la durée de vie de l'outil et la possibilité d'augmenter les profondeurs de coupe et les avances.

Une autre approche de l'outillage universel consiste à assembler un ensemble d'outils qui convient à une variété d'applications. Les outils Seco Selection sont conçus pour offrir de la flexibilité. Le groupe sélectionné comprend un nombre limité d'outils qui ne fournissent pas nécessairement une productivité ou une rentabilité maximale absolue dans chaque application. Les outils seront cependant le choix le meilleur et le plus économique lorsqu'une flexibilité maximale est souhaitée pour usiner une variété de matériaux et de composants de pièces en évolution rapide.

Précédemment présenté sur SecoTools.com.