Sélection des outils de coupe : Guide complet pour l'usinage des métaux ferreux et non-ferreux

Est-ce que ça importe si un matériau d'usinage est ferreux ou non-ferreux ? Le facteur le plus important est de comprendre comment n'importe quel matériau fonctionne avec vos outils de coupe dans vos machines — et ça importe, trouvent les fabricants d'outils avec connaissances en métallurgie. Découvrez ce qu'il faut savoir sur les différences majeures dans les types de métaux pour l'usinage.

Demandez à n'importe quel machiniste de définir le mot « ferreux » et vous entendrez probablement la même réponse : Les métaux ferreux sont ceux qui rouillent — acier au carbone, fonte, acier à outils et ainsi de suite. Cette affirmation, bien que vraie, est incomplète, car la définition métallurgique est à la fois plus spécifique et englobe une gamme beaucoup plus large de métaux.

« Simplement mis, les matériaux ferreux contiennent du fer », dit Aaron Schade, responsable programme pour le Centre de Connaissances Amériques de Kennametal. « Donc bien sûr cela inclut la fonte et l'acier, mais vous regardez aussi des métaux qui ne rouillent pas typiquement, comme l'acier inoxydable et la plupart des superalliages. »

Mais regardé sous un autre angle, le groupe de matériaux non-ferreux inclut l'aluminium, le cuivre, le laiton, le plastique, et les composites, et tout ce qui n'est pas dans ce groupe peut être classé comme ferreux. Mais que ce soit ferreux ou non-ferreux, ils contiennent tous les deux une énorme variété de matériaux qui nécessitent une large gamme de différentes caractéristiques de design, vitesses et avances, explique Schade.

Un puriste pourrait argumenter que beaucoup d'alliages d'aluminium et même certains cuivres et bronzes sont donc ferreux parce que ceux-ci contiennent aussi de petites quantités de fer. Mais c'est probablement une oversimplification. Ce n'est pas seulement si le fer est présent : C'est la quantité de fer, note Schade.

Les métaux non-ferreux ne contiennent pas de base fer ou quantités significatives de fer du tout. Par exemple, l'acier inoxydable 316 contient environ 62 à 72 % de fer ; l'Inconel 718 est à base de nickel, mais contient encore 17 % de fer et l'aluminium 6061-T6 ne contient qu'un maximum de 0,7 % de fer. C'est pourquoi Schade dit qu'il est difficile de faire des affirmations générales sur un sujet aussi profondément technique.

« Ce qui est plus pertinent, c'est d'identifier quels outils fonctionnent le mieux pour un matériau donné, indépendamment de sa nomenclature », dit Schade.

Binky Sargent, responsable analyse matériaux chez Kennametal, est d'accord. « Que ce soit ferreux ou non-ferreux, 304 inox ou 6061-T6, la chose la plus importante à considérer est comment l'outil de coupe interagit avec le matériau », dit-elle. « Vous devez savoir comment le copeau se forme et les façons les plus efficaces de l'enlever de la zone de travail, quel effet les propriétés thermiques et chimiques du matériau auront sur l'outil, et la forme de la caractéristique de pièce relative à la forme et géométrie de la fraise. »

Essentiellement, la sélection d'outil appropriée dépend de bien plus que la classification métallurgique du matériau de pièce.

Métaux ferreux vs non-ferreux : Sélectionner le bon outil de coupe

Kennametal et d'autres fabricants d'outils de coupe évitent « ferreux vs non-ferreux », et basent plutôt leurs groupements de matériaux sur des caractéristiques métallurgiques comme la dureté, la résistance, la ductilité, la conductivité thermique et la composition chimique. Ce sont ces attributs qui déterminent quel outil de coupe est le plus efficace pour usiner n'importe quel matériau donné, et comment l'appliquer au mieux. La liste suivante décrit chacune des catégories de Kennametal, avec quelques directives de base sur la sélection d'outil de coupe :

Acier: P1 – P6

Les aciers bas carbone comme 1018 et A36 tombent dans la catégorie P1, tandis que P6 inclut les PH (durcissement par précipitation) et aciers inoxydables série 400 (440C, 15-5, et 17-4, pour n'en nommer que quelques-uns). Entre les deux siègent les aciers à outils (D2, S7), aciers à moules (P20), et divers aciers alliés (4340, 8620, etc.). En général, un outil carbure à rake positif revêtu d'oxyde d'aluminium fonctionne bien sur les métaux P1 et P2 plus tendres, alors qu'un avec plus de préparation de bord (pensez K-lands) et un rake plus négatif est préféré à mesure que la dureté augmente.

Acier inoxydable : M1 – M3

Contrairement aux aciers inoxydables ferritiques et martensitiques trouvés dans le groupe P, les aciers inoxydables type M1 et M2 sont austénitiques (signifiant qu'ils ont une structure cristalline cubique à faces centrées), tandis que les aciers duplex M3 (Nitronic en est un) ont une microstructure à deux phases qui inclut des ferrites, les rendant très durs. Les aciers inoxydables et duplex contiennent aussi au moins 10,5 % de chrome, ainsi que du nickel et d'autres éléments difficiles. En règle, utilisez un outil CVD revêtu à rake positif avec préparation de bord minimale, avances modérées, et profondeurs de coupe plus faibles.

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Fonte : K1 – K3

Le fer se trouve dans tout, des couvercles de regard, qui utilisent la fonte grise K1, aux disques de frein, qui utilisent la CGI, ou fonte à graphite compacté, qui est un métal K2, aux étaux trouvés sur les centres d'usinage de l'atelier. Les étaux utilisent une fonte ductile grade K3, aussi connue sous son nom commercial « Dura-Bar. » Toutes les fontes sont à copeaux courts et abrasives, ce qui fait des outils en céramique et PCBN à rake plat (zéro à négatif) le premier choix. Le carbure CVD revêtu fait un bon travail sur toutes sauf les plus dures des fontes.

Non-ferreux : N1 – N7

Comme le souligne Schade de Kennametal, non-ferreux est tout matériau qui ne contient pas de fer — majoritairement. La désignation N1 à N3 inclut tous les aluminums de l'ubiquitaire 6061-T6 à l'eutectique, et très abrasif, Al-12Si.

N4 signifie le cuivre, le laiton et les alliages à base de zinc, qui est une liste importante de métaux largement à usinage libre. N5 à N7 contient tout, du plastique et caoutchouc au graphite et PRFC.

D'un point de vue outil de coupe, la plupart de ces matériaux s'usinent bien avec un carbure à rake haut positif, généralement non revêtu ou insert PCD, ou diamant polycristallin, bien que les plastiques et caoutchoucs mous puissent couper mieux avec un outil HSS très affûté.

Superalliages : S1 – S4

Comme le nom l'implique, la série S d'alliages haute température sont parmi les plus difficiles de tous les matériaux à usiner et incluent :

• S1 : A286, qui est à base de fer ou alliage S1
• S2 : Stellite qui contient du cobalt
• S3 : Inconel 625 et Monel sont des superalliages riches en nickel
• S4 : Titane comme Ti6Al-4V est le matériau le plus commun

De longs copeaux filamenteux sont la règle, tout comme l'encochage à la profondeur de coupe, l'écrouissage et le built-up edge. Des outils de coupe à rake positif affûtés sont nécessaires, avec des vitesses de coupe plus lentes et une mise en place rigide. Pour une plus grande productivité, envisagez des outils de coupe en céramique, avec l'exception unique du titane, dû à sa réactivité chimique.

Matériaux durcis : H1 – H4

Une fois que l'acier à outils, l'inox PH et les aciers haut carbone ont été durcis par traitement thermique, il est souvent nécessaire de passer d'un outil de coupe en carbure à un en céramique ou « PCBN », qui signifie nitrure de bore cubique polycristallin.

Les profondeurs de coupe et vitesses de coupe doivent aussi être réduites, pour atténuer la résistance extrême à l'usure et l'abrasivité des matériaux H1 durcis (jusqu'à 48 HRC) à H4 (plus de 60 HRC). Comme pour les superalliages, plus la mise en place est rigide, mieux c'est.

Critères de sélection d'outil de coupe similaires chez les fabricants d'outillage

Brian Hoefler, ingénieur d'application corporate pour Seco Tools et Sandvik Machining Solutions, utilise des descriptions de matériaux légèrement différentes que Kennametal, mais les critères de base pour la sélection d'outil de coupe sont les mêmes.

« L'usinabilité de n'importe quel matériau est largement dépendante de sa microstructure, conductivité thermique, teneur en carbone, la présence d'éléments d'alliage comme le molybdène et le tungstène, et une foule d'autres variables », dit Hoefler.

Au bout du compte, choisir le bon outil se résume généralement à quel matériau d'outil de coupe, géométrie et revêtement est le plus efficace pour briser les liaisons métallurgiques du matériau de pièce tout en résistant à la chaleur et l'abrasivité générées pendant l'usinage.

« En cas de doute, communiquez avec un fournisseur d'outils de coupe connaisseur pour de l'aide », dit Hoefler. « Peu importe ce que vous coupez, les chances sont excellentes qu'il y a une solution productive et rentable disponible. »

À quel point connaissez-vous la composition métallique des matériaux que vous coupez ? Partagez avec vos pairs.