Débloquer une performance supérieure : Avantages des broches haute vitesse pour le micro-usinage

Les forets et fraises miniatures sont souvent affamés en tr/min de broche, menant à une mauvaise finition de surface, une faible productivité et des outils de coupe cassés. Voici quelques options et recommandations pour adresser ce problème trop commun.

Comment « miniature » et « micro-usinage » sont-ils définis ?

Il n'y a pas de réponse officielle, bien que de nombreux experts suggèrent que tout foret ou fraise plus petit que 3 mm ou environ en diamètre qualifie comme un micro-outil.

Ce qui est plus important, c'est que ces fraises ont souvent besoin de vitesses de broche plus élevées que la plupart des machines-outils CNC ne peuvent fournir — et sans elles, les résultats sont généralement indésirables.

Considérez les vitesses de coupe recommandées pour certains matériaux de tous les jours.

Sandvik Coromant conseille aux machinistes de commencer à 150 m/min (492 pieds/min) pour les aciers inoxydables austénitiques et duplex. Guhring dit que 189 m/min (620 pieds/min) est une bonne vitesse pour l'ébauche de la plupart des fontes. Harvey Tool suggère 183 m/min (600 pieds/min) pour les aciers à faible teneur en carbone et 305 m/min (1 000 pieds/min) pour l'aluminium forgé. D'autres fabricants d'outils de coupe offrent des recommandations similaires.

Dans le premier exemple, une fraise de 4,76 mm (3/16") de diamètre nécessite une vitesse de broche d'au moins 10 000 tr/min pour atteindre les paramètres de fonctionnement appropriés ; dans le dernier, la même fraise a besoin d'atteindre au moins le double de ce tr/min pour rencontrer la vitesse de surface recommandée. La situation empire exponentiellement à mesure que les outils deviennent plus petits. L'outil conseiller d'Iscar, par exemple, calcule plus de 56 000 tr/min nécessaires pour une fraise de 0,79 mm (1/32") lors de l'usinage d'acier allié.

Avant que tout le monde ne sorte ses calculatrices pour vérifier ces chiffres, le message est clair : Même un centre d'usinage haut de gamme conçu pour la fabrication de moules ou le travail d'optique viendra à court lors du fraisage et perçage dans ce domaine micro, avec les tours à outil vivant et l'équipement CNC de base accusant encore plus de retard. Ce simple fait de physique d'usinage, plus que toute autre chose, détermine quand les outils de coupe sont considérés comme miniatures, nécessitant ainsi une attention spéciale.

La bonne nouvelle, c'est qu'il y a un moyen facile de guérir le blues de la vitesse de broche insuffisante, peu importe la machine-outil, le matériau ou la taille de la fraise. Les têtes de vitesse, comme on les appelle, sont conçues pour augmenter les tr/min de n'importe quelle broche de machine. Elles font cela tout en assurant une fiabilité et une précision maximales dans le perçage CNC et le fraisage léger, particulièrement dans les opérations de finition. Plusieurs configurations sont disponibles, parmi elles des unités alimentées par air ou électricité, par fluide de coupe traversant la broche ou un train d'engrenages interne qui multiplie la rotation de la broche existante.

Surmonter le blues

Mike Gabris est prudent quand il utilise le terme « accélérateur de broche ». Le responsable des ventes industrielles pour NSK America Corporation dit que « speeder » fait souvent référence à l'arrangement à engrenages mentionné juste avant.

« Chaque fois que vous ajoutez des engrenages à l'équation, vous introduisez des propriétés telles que la vibration, la chaleur et la distorsion thermique », dit-il. « Aucune de ces propriétés n'est acceptable pour une broche haute vitesse. »

En comparaison, la solution préférée de l'entreprise utilise une broche à moteur électrique sans balais qui fonctionne indépendamment de la broche de la machine, générant des vitesses bien plus élevées que celles possibles avec un dispositif purement mécanique et offrant un micro et nano-usinage réussis.

« Nous offrons une variété de broches haute vitesse à air et électriques, mais notre dernier modèle est l'iSpeed5, qui fonctionne à 60 000 à 80 000 tr/min sans avoir à connecter manuellement de lignes ou de cordons », dit Gabris. « Il s'incorpore dans un bloc d'arrêt monté sur la face de la broche et fournit l'électricité, l'air de refroidissement et les signaux de contrôle depuis un contrôleur externe. Cela en fait une broche électrique entièrement changeable par l'outil — une considération de plus en plus importante, étant donné que de plus en plus d'ateliers cherchent à tourner en lights-out. »

En plus du désir pour l'usinage sans surveillance, Gabris dit que le public cible pour l'iSpeed5 est n'importe qui utilisant de l'outillage de petit diamètre, qu'il définit comme des fraises de moins de 1,6 mm (1/16") de diamètre. La fabrication de moules est un grand marché, dit-il, tout comme l'aérospatiale et la fabrication médicale. « Beaucoup de ces clients sont déjà familiers avec nos autres solutions de broche haute vitesse, certaines pouvant atteindre des vitesses de 160 000 tr/min. L'iSpeed5 sera un ajout bienvenu. »

Se concentrer sur les roulements

Andy Jones, spécialiste produit broches haute vitesse chez WTO USA, dit qu'il offre une alternative plus simple, moins chère. Le CoolSpeed mini est une broche à turbine alimentée par fluide de coupe, huile ou brouillard d'air du système de fluide de coupe de la machine-outil. « Plus la pression est grande, plus la vitesse de broche est haute », dit Jones.

« Le fluide de coupe ou l'huile à 10 bar (145 psi) délivrera 40 000 tr/min, tandis que 60 bar (870 psi) porte cela à 75 000 tr/min », dit-il. « Et un système de brouillard fonctionnant aux pressions d'air normales d'atelier (environ 5 bar, ou 72 psi) vous donne 50 000 tr/min. C'est une excellente façon d'équiper n'importe quel centre d'usinage ou tour avec des vitesses de broche très élevées à une fraction du coût des accélérateurs traditionnels. »

Le CoolSpeed mini a une conception unique, dit Jones. Quand l'outil de coupe s'use, l'opérateur le retire avec les roulements pressés et la turbine de l'unité, puis presse un nouveau jeu de roulements et de turbine sur l'outil de remplacement et réinstalle ce qui est essentiellement un assemblage rotatif de retour dans la tête. Il explique que les roulements sont conçus pour être jetables mais offrent encore un faux-rond dynamique de 4 microns (0,0001") ou mieux et un coût inférieur à de nombreux outils de coupe.

Le kit de démarrage vient avec un CoolSpeed mini de 25 mm, un dispositif d'assemblage, un manomètre, un adaptateur de jauge de 25 mm et trois jeux de remplacement qui incluent chacun une paire de roulements et une turbine. « Le prix pour tout ce dont vous avez besoin pour démarrer est une fraction du coût d'un accélérateur de broche conventionnel », dit Jones.

« Les queues d'outil de 3, 4 et 6 mm sont supportées, et l'unité entière est assez petite pour s'insérer dans des porte-outils hydrauliques ou mécaniques standard. Il n'y a pas de maintenance, pas de matériel à monter sur la broche de la machine, pas de boîtiers de contrôle à installer ou de lignes à faire passer, juste un retour sur investissement vraiment rapide », dit-il.

Continuez d'accélérer

Quelle que soit la solution de broche haute vitesse, il y a quelques meilleures pratiques à considérer pendant l'opération. Peut-être la plus importante est celle-ci : Ne vous contentez pas d'une vitesse de broche insuffisante. Comme discuté au début, les outils de coupe modernes nécessitent des vitesses bien plus élevées que celles du passé, et la durée de vie de l'outil et la qualité de la pièce en souffrent sans elles.

En plus, l'opportunité pour des taux d'avance commensurés avec des vitesses de broche plus rapides est perdue — rappelez-vous, une augmentation de cinq fois ici signifie un enlèvement de métal cinq fois ou plus. Voici d'autres choses à garder à l'esprit sur la route vers un usinage plus rapide :

• Sur les broches à air, assurez-vous d'utiliser un régulateur de pression et de l'air d'atelier propre et filtré. Aussi, maintenez la pression dans les recommandations du fabricant.
• De même, les broches alimentées par fluide de coupe ont besoin de fluide de coupe exempt de contaminants tels que l'huile de glissière et les fines métalliques. Si vous utilisez un système de fluide de coupe haute pression, assurez-vous de ne pas dépasser les capacités de la broche.
• Gardez à l'esprit que les broches haute vitesse sont incapables d'enlèvement de métal lourd, comme le sont les minuscules outils discutés plus tôt. Faibles profondeurs de passe à des taux d'avance accélérés est la règle empirique ici.
• Malgré des taux d'avance plus élevés, il y a un inconvénient potentiel : Le système de commande et servo de votre machine-outil peut-il suivre les mouvements fins et les petites longueurs de bloc associés au micro-usinage haute vitesse ? Sinon, quelques mises à jour matérielles et logicielles pourraient être nécessaires. Vérifiez auprès de votre constructeur de machine pour les options disponibles.

Enfin, rappelez-vous que le faux-rond d'outil est critique pour toute opération de fraisage ou perçage, mais doublement quand les vitesses de broche sont hautes.

Utilisez toujours les porte-outils et outils de coupe de la plus haute qualité disponibles, gardez-les propres et bien entretenus, et revérifiez l'outil après installation (de préférence dans la machine).

Utilisez-vous des broches haute vitesse dans votre atelier ? Quelles techniques et astuces pouvez-vous partager ? Faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous.

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