Optimisation de la sélection d'outils et paramètres : la pierre angulaire de l'excellence en usinage

Introduction

Bien que les pièces, matériaux de pièce et processus d'usinage qu'ils utilisent diffèrent largement, tous les fabricants partagent l'objectif d'usiner un certain nombre de pièces d'une qualité désirée, dans un 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 d'outils et résout les problèmes sur une base réactive. Inverser cette approche produira des réductions de coûts et une efficacité accrue. Au lieu d'attendre que des problèmes surviennent et de faire ensuite des ajustements aux opérations d'usinage individuelles, les fabricants devraient d'abord se concentrer sur une planification proactive visant à éliminer les pièces rebutées 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 taux de production et coûts de fabrication. Ensuite, par une sélection soignée 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 conditions de coupe

La sélection d'outils de coupe de métal est généralement orientée application : un atelier cherche un outil pour usiner un certain matériau de pièce tel que l'acier ou l'aluminium, ou effectuer une opération spécifique telle que le dégrossissage ou la finition. Une approche plus bénéfique de la sélection d'outils commence par la considération de la façon dont l'opération d'usinage s'inscrit dans l'entreprise globale du fabricant.

La première priorité d'une telle approche est d'assurer la fiabilité du processus et d'éliminer l'occurrence de pièces rebutées et de temps d'arrêt non planifiés. La fiabilité, décrite génériquement, 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 la défaillance d'outil.

Après avoir établi un processus stable, les caractéristiques d'outillage et les conditions de coupe devraient être choisies pour correspondre aux objectifs globaux de l'entreprise de travail des métaux. Par exemple, maximiser la production à coûts minimaux peut être la considération principale dans la production de masse de pièces simples. Mais d'un autre côté, dans la fabrication de pièces complexes à haute variété, bas volume, la fiabilité et la précision totales doivent être soulignées avant d'aborder les coûts de fabrication. La flexibilité est une exigence des systèmes d'outillage appliqués dans de tels scénarios de petits lots.

Si l'efficacité coût est une cible principale, 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 devraient mettre l'accent sur une longue durée de vie d'outil ainsi que la fiabilité du processus. Si, inversement, la qualité de la pièce est la priorité absolue, un outillage de précision haute performance appliqué à des conditions de coupe appropriées sera la bonne approche. Quel que soit l'objectif, chaque ensemble différent d'objectifs mène à la sélection de différentes conditions de coupe et outils.

Sélection et ajustement des conditions de coupe

Dans la planification initiale de l'usinage d'une nouvelle pièce, la sélection de l'outillage et des conditions de coupe devrait commencer par la considération de la méthode d'usinage, de la géométrie d'outil et du matériau d'outil. La pièce à usiner déterminera largement ces exigences. Par exemple, un composant aérospatial à base de nickel peut dicter le fraisage de profil avec une fraise à bout en carbure monobloc à géométrie positive. Le choix est guidé par les objectifs de base de l'atelier en termes de taux de production, coût et qualité des pièces, et il dépend de la profondeur de coupe, du débit d'avance et de la vitesse de coupe qui peuvent être appliqués pour atteindre ces objectifs.

Un processus de sélection différent est approprié pour modifier des opérations de fabrication de pièces existantes pour produire de meilleurs résultats en termes de productivité, économie ou fiabilité. Dans ces cas, une approche étape par étape est recommandée, commençant par des changements dans les conditions de coupe, puis les géométries, les matériaux de coupe, les concepts d'outils et enfin les méthodes d'usinage. Notamment, la plupart des ateliers travaillent dans la séquence opposée et considèrent d'abord le changement 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 une large gamme d'influence, et changer la vitesse de coupe ou le débit d'avance d'un montant nominal peut résoudre un problème ou augmenter la productivité sans la dépense ou le temps consommé dans le changement d'outils.

Si la modification des paramètres de coupe ne produit pas l'effet désiré, des changements peuvent être faits dans la géométrie de l'outil de coupe. Cependant, cette étape est plus compliquée que le simple changement de paramètres, nécessitera l'application de nouveaux outils, et augmentera les coûts de temps d'outil et de machine. Un changement de matériaux d'outil de coupe est une autre alternative, mais impliquera aussi un plus grand investissement en temps et argent. Changer les outils de coupe ou porte-outils 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 désiré, alors un changement de méthode d'usinage peut être nécessaire. La clé est d'explorer les changements de manière délibérée, étape par étape, ce qui rendra clair quels facteurs produisent réellement le résultat désiré.

Parce qu'il semble être une approche rapide et facile, de nombreux ateliers utilisent les systèmes 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 FAO ne prend pas en compte la gamme complète des caractéristiques opérationnelles individuelles. Appliquer une fraise de fraisage, par exemple, n'est pas simplement un cas de brancher vitesse, avance et profondeur de coupe. L'application optimale implique des facteurs allant du nombre de dents dans la fraise, à la façon dont les copeaux sont évacués et la force 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'ils soient taux d'enlèvement de matière, durée de vie d'outil, rugosité de surface ou économie.

Vitesse, avance et profondeur de coupe

De nombreux gestionnaires d'atelier croient qu'augmenter simplement 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 volume de production seul. Un exemple est une opération où changer un outil en cours d'opération aurait un effet préjudiciable sur la qualité de la pièce et le temps d'usinage.

Augmenter la vitesse de coupe résulterait en 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 de plus grands temps d'arrêt machine pendant les changements.

Augmenter la vitesse de coupe raccourcit la durée de vie de l'outil et peut rendre une opération moins stable, tandis que changer la profondeur de coupe ou le débit d'avance a un effet minimal sur la durée de vie de l'outil. En conséquence, les meilleurs résultats viennent d'une approche équilibrée qui implique des vitesses de coupe réduites associées à des augmentations proportionnelles du débit d'avance et de la profondeur de coupe. Utiliser la plus grande profondeur de coupe possible diminue le nombre de passes de coupe requises et réduit ainsi le temps d'usinage. Le débit d'avance devrait être maximisé également, bien que la qualité de la pièce et la finition de surface puissent être affectées par des débits d'avance excessifs.

Dans un exemple généralisé, augmenter la vitesse de coupe de 180 m/min à 200 m/min augmentera le taux d'enlèvement de matière d'environ 10 %, mais aura un effet négatif sur la durée de vie de l'outil. Augmenter le débit d'avance de 0,2 mm/tr à 0,3 mm/tr augmentera le taux d'enlèvement de matière de 50 %, avec un effet minimal, sinon nul, sur la durée de vie de l'outil.

Dans la plupart des cas, les augmentations de débit d'avance et de profondeur de coupe aux mêmes ou plus basses vitesses de coupe élèveront le taux d'enlèvement de matière d'une opération à celui atteint par des vitesses de coupe plus élevées seules. Parmi les avantages de travailler avec une combinaison de vitesses de coupe plus basses avec des débits d'avance plus grands et des profondeurs de coupe plus petites se trouve une consommation d'énergie réduite.

L'étape finale dans l'optimisation des conditions de coupe est la sélection d'un critère approprié en termes de coût minimum ou de productivité maximale et l'utilisation de la vitesse de coupe pour affiner l'atteinte de ce critère. Un modèle développé au début du 20e 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 y a une certaine fenêtre pour les vitesses de coupe où la détérioration de l'outil est sûre, prévisible et contrôlable. Quand on travaille dans cette fenêtre, il est possible de qualifier et quantifier la relation entre vitesse de coupe, usure d'outil et durée de vie d'outil. La cible est une vitesse de coupe plus élevée qui réduit les coûts de temps machine mais n'augmente pas excessivement les coûts d'outil de coupe via une usure d'outil accélérée.

Substrat et géométrie d'outil

Des étapes supplémentaires dans l'optimisation de l'application d'outil peuvent inclure l'affinage des caractéristiques du substrat et de la géométrie de l'outil. Tout comme l'ajustement des conditions de coupe implique de gérer des compromis dépendants des résultats désirés, maximiser la productivité par des changements dans le substrat d'outil nécessite un équilibre de compromis parmi les propriétés du substrat.

Parce que le bord de coupe d'un outil doit être plus dur que le matériau qu'il coupe, la dureté est une caractéristique clé d'outil. Une dureté élevée, surtout aux températures élevées générées dans l'usinage à grande vitesse, prolongera la durée de vie de l'outil. Un outil plus dur, cependant, est aussi plus fragile. Des forces de coupe inégales rencontrées dans le dégrossissage, surtout dans les coupes interrompues impliquant de la calamine ou des profondeurs de coupe variables, peuvent causer la fracture d'un outil de coupe dur. L'instabilité dans la machine-outil, le bridage ou la pièce peut aussi précipiter la défaillance.

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

Choisir les géométries d'outils implique aussi des compromis. Une géométrie de coupe positive et un bord de coupe aigu réduisent les forces de coupe et maximisent l'écoulement des copeaux. Cependant, un bord aigu n'est pas aussi fort qu'un bord arrondi. Des caractéristiques géométriques telles que les T-land et chanfreins peuvent être manipulées pour renforcer le bord de coupe.

Un T-land — une zone de renforcement derrière le bord de coupe — réglé à un angle positif peut fournir une force suffisante pour gérer des opérations spécifiques et matériaux de pièce et minimiser les forces de coupe autant que possible. Un chanfrein carrés le point le plus faible d'un bord de coupe aigu, au prix de forces de coupe accrues. Les géométries de contrôle de copeau « dures » guident les copeaux à travers un angle relativement aigu pour les boucler et les casser immédiatement. Ces géométries peuvent être efficaces avec des matériaux à copeaux longs mais placent une charge supplémentaire sur le bord de coupe. Les géométries de contrôle de copeau « douces » mettent moins de charge sur le bord de coupe, mais génèrent des copeaux plus longs. Différentes caractéristiques géométriques — ainsi que des traitements de bord d'outil tels que les morfilages (hones) — peuvent être combinées pour optimiser la performance de coupe dans des matériaux de pièce spécifiques.

Conclusion

Il doit être noté que tandis que le personnel d'atelier et peut-être les ingénieurs de production sont assez préoccupés par les conditions de coupe et la productivité qu'elles représentent, les gestionnaires de niveau supérieur ne sont pas aussi préoccupés par ces chiffres qu'ils le sont par les objectifs commerciaux des opérations de fabrication dans leur ensemble. Ceux qui font les choix de conditions de coupe et d'outils de coupe devraient penser d'abord aux cibles plus larges des opérations d'usinage de leur entreprise et les utiliser pour guider la sélection de conditions de coupe et d'outils qui fournissent une performance qui rendra l'atteinte de ces objectifs possible.

Polyvalence d'outil pour scénarios de production modernes

La fabrication passe de la production de masse à haut volume à des scénarios d'usinage à haute variété, volume plus bas à la suite de l'utilisation accrue de stratégies de production juste-à-temps et de la croissance de la sous-traitance. Les sous-traitants produisent de plus en plus de petites tailles de lots sur une base intermittente mais répétitive. Équilibrer les considérations de productivité et de coût d'outil nécessite un outillage qui offre polyvalence et flexibilité sur une large fenêtre d'application. Minimiser le nombre de différents outils dans l'atelier réduit le temps de manipulation d'outils et augmente le temps disponible pour les opérations d'usinage.

La façon traditionnelle d'augmenter la productivité dans une opération individuelle impliquant de longues séries de pièces identiques est d'appliquer un outillage spécialement conçu pour ce processus spécifique. Concevoir et implémenter un outillage spécial vaut la peine quand la dépense peut être amortie sur une longue série de production.

Cependant, équilibrer les considérations de productivité et de coût d'outil dans des situations de lots plus petits et variables est mieux accompli avec un outillage « universel » polyvalent qui offre de la flexibilité sur une large fenêtre d'application. Ces outils réduisent les temps d'arrêt en minimisant le temps nécessaire pour changer d'outil quand la pièce change. Ils éliminent aussi le besoin de mettre en place et tester de nouveaux outils.

Un exemple de tel outillage est la gamme de fraises de fraisage Seco Turbo. Ces outils offrent de la polyvalence dans une large gamme d'applications pour fournir une combinaison de rentabilité et de haute performance. La géométrie de coupe positive des fraises réduit la consommation d'énergie, menant à une plus longue durée de vie d'outil et la possibilité d'augmenter les profondeurs de coupe et avances.

Une autre approche de l'outillage universel implique l'assemblage d'un ensemble d'outils qui convient à une variété d'applications. Les outils Seco Selection sont conçus pour fournir de la flexibilité. Le groupe sélectionné inclut un nombre limité d'outils qui peuvent ne pas nécessairement fournir la productivité absolue maximale ou l'efficacité coût dans chaque application. Les outils seront, cependant, le meilleur choix et le plus économique quand la flexibilité maximale est désirée pour usiner une variété rapidement changeante de matériaux de pièce et composants.

Précédemment présenté sur SecoTools.com.