Maximisez votre succès en usinage haute performance : pourquoi les porte-outils sont déterminants

Entre matériaux durs, vitesses et avances élevées — et l'équilibrage des outils — les porte-outils sont bien plus importants pour la réussite de vos pièces sur machine haute performance que vous ne le pensez. Découvrez pourquoi.

Votre atelier vient d'acquérir un nouveau centre d'usinage haute performance. Il affiche des spécifications impressionnantes : broche à 20 000 tr/min, vitesse de déplacement rapide de 2 400 ipm et avances assorties. Il est bien plus rapide que tout ce qui est sur le parc. Tout le monde apprécie le crépitement staccato des copeaux contre la tôle et le bourdonnement grave du moteur de broche en pleine coupe.

Il n'y a qu'un problème : à ces nouvelles vitesses de broche plus élevées, les vibrations font que tout le monde cherche des bouchons d'oreilles. La durée de vie des outils se dégrade. Lors de l'usinage des pièces aéronautiques en 17-4 PH et titane Triple 5 que le patron a commencé à faire rentrer récemment, l'arrachement d'outil est un gros problème. Résultat ? Les piles de pièces qui étaient censées être produites chaque jour grâce à l'investissement dans un centre HPMC ne se matérialisent pas.

En toute équité, vous pourriez avoir ces mêmes plaintes sur les centres d'usinage plus anciens et moins performants. En fait, cela a peut-être été l'un des moteurs pour l'achat d'une nouvelle machine. Désolé de vous le dire, mais le problème vient très probablement des porte-fraise à vis de pression et mandrins ER que vous utilisez depuis des décennies, qui ne sont pas adaptés à la technologie d'usinage moderne.

« Vous avez la machine-outil capable de hautes vitesses et avances, l'outil de coupe avec les dernières géométries et revêtements, et avec le porte-outil comme interface entre les deux, pourquoi faire des économies ? » déclare Ronald West, responsable produit mondial senior chez Kennametal. « Avec les machines-outils d'aujourd'hui capables de vitesses et avances plus élevées, le porte-outil est devenu plus critique que jamais pour tirer parti des capacités des outils de coupe haute performance. »

Certains fabricants placent leurs investissements dans la machine et la dernière technologie d'outillage et de coupe, mais il n'est pas rare de voir de nombreuses entreprises utiliser un porte-outil bas de gamme qui n'est pas adapté au travail. Pourtant, c'est l'un des éléments les plus importants dans les environnements haute performance d'aujourd'hui — surtout dans les applications aéronautiques où l'on travaille avec des matériaux avancés, explique West.

« Les porte-outils à vis de pression sont encore prédominants dans l'industrie, mais ils font vraiment un tort à l'investissement dans les outils carbure haute performance que les entreprises achètent maintenant, » dit West. « Le porte-outil doit correspondre au type de machine haute performance utilisée aujourd'hui. »

Stopper le mouvement d'outil, éviter la rebut supplémentaire, sauver la durée de vie d'outil

Considérez l'arrachement d'outil. L'usinage de titane et d'autres superalliages réfractaires génère des forces de coupe élevées non seulement dans les directions axiale et radiale, mais aussi dans la direction axiale — ce qui peut entraîner l'arrachement de l'outil. Il est d'autant plus important d'utiliser le bon type de porte-outil pour prévenir la rupture d'outil et la pièce rebutée. Ce n'est peut-être que quelques centièmes de millimètre à la fois, mais il y a de fortes chances que ce soit suffisant pour mettre au rebut des pièces très coûteuses. Quelles que soient les rainures et plats que vous fassiez sur la queue d'outil, il bougera quand même, très probablement au moment où vous vous y attendez le moins.

La meilleure solution est un porte-outil spécifiquement conçu pour éliminer l'arrachement. De nombreux fournisseurs licenciencent la technologie Safe-Lock brevetée de Haimer. Tous surpassent largement un porte-outil à vis de pression traditionnel tout en améliorant les caractéristiques de concentricité. Voici un petit échantillon des solutions disponibles :

• Le porte-fraise hydraulique CoroChuck 930 de Sandvik Coromant utilise un mécanisme « fulcrum » à deux points pour prévenir le mouvement.
• Le mandrin hydraulique HydroForce™ de Kennametal pour fraisage lourd revendique une concentricité et une précision exceptionnelles — et une douille SAFE-LOCK en option aide à éviter l'arrachement dans les matériaux difficiles à usiner (comme ceux utilisés dans l'aéronautique et l'énergie).
• Le Mega Perfect de Big Kaiser accepte les fraises à queue Weldon mais est réputé éliminer le glissement et l'arrachement.

Vous voulez tirer le maximum de vos efforts en travail des métaux ? Lisez « Comment maximiser la productivité machine avec les porte-outils ».

Contrôler les harmoniques, vibrations et broche

Vous faites tourner les outils plus vite que jamais, et la concentricité que vous tolériez depuis des ans va rapidement détruire même la meilleure fraise. Comme si une mauvaise durée de vie d'outil ne suffisait pas, les régimes plus élevés génèrent les harmoniques qui mènent aux vibrations, suivies possiblement de dommages à la broche dus à un déséquilibre.

Vous avez plusieurs options pour gérer ces vitesses plus élevées, avances, vibrations et problèmes d'harmoniques, notamment : le porte-outil à retrait par chaleur (shrink-fit), les mandrins hydrauliques et les mandrins de fraisage mécaniques. Vous devriez tester chacun par vous-même, documenter les résultats et prendre votre décision basée sur la performance sur vos machines, pas sur le prix.

Porte-outil à retrait par chaleur (Shrink-Fit)

Il vous faudra une machine de retrait par chaleur, et vous passerez une minute ou deux de plus à chauffer et refroidir le porte-outil à chaque changement d'outil, mais de nombreux ateliers jurent par l'extrême précision et l'équilibre inhérent du shrink-fit. Haimer affirme que c'est moins de 40 secondes au total.

Mandrins et porte-outils hydrauliques

Les mandrins hydrauliques sont précis, simples à utiliser et offrent des capacités de serrage robustes. L'HydroForce™ de Kennametal en est un exemple pour le fraisage lourd, qui revendique trois fois la force de serrage des systèmes de mandrin hydraulique conventionnels et ne nécessite qu'une clé Allen pour fonctionner. Les mandrins HydroForce ont une capacité d'amortissement qui améliore la durée de vie d'outil, surtout lors de l'usinage de titane et d'autres alliages haute température.

Mandrins de fraisage mécaniques

Schunk, Iscar, Guhring et d'autres commercialisent des mandrins de fraisage mécaniques classés jusqu'à 20 000 tr/min et concentricité de 0,0002 pouce ou mieux (tout comme Sandvik Coromant, Big Kaiser et autres). Encore une fois, le fonctionnement est simple, avec rigidité et forces de serrage bien supérieures au plat Weldon vieux de 100 ans.

Parlant de porte-outils traditionnels, espérons que votre nouvelle machine est venue avec une broche HSK, Capto, KM4X ou comparable. Les cônes CAT et BT vont très bien pour du travail moins exigeant, mais pour attaquer des matériaux HRSA ou surfacer une cavité de moule à hauts régimes, il faut une interface de broche moderne.

À ces régimes machine, vous avez besoin d'équilibrage d'outil

La plupart des experts en outillage disent que des assemblages porte-outil équilibrés sont indispensables pour des vitesses de broche de 20 000 tr/min ou plus, tandis que d'autres suggèrent que la barre est plus basse.

« Quand vous faites tourner des machines-outils aussi vite, généralement au-dessus de 12 000 tr/min, il est recommandé d'équilibrer toujours le système complet (porte-outil avec l'outil de coupe), » dit West. « Cela augmente juste la durée de vie d'outil et diminine l'usure de broche… C'est un peu plus difficile avec un mandrin à pince ou un adaptateur de fraise de maintenir l'équilibre dû à leur conception et quincaillerie requise, mais généralement les mandrins hydrauliques et adaptateurs shrink-fit sont beaucoup plus faciles à équilibrer finement pour applications haute vitesse. »

À 6 000 tr/min, vous ne remarquerez pas le déséquilibre autant, note West, mais avec les vitesses plus élevées, l'équilibrage d'outil est crucial — et quelque chose qui peut être mal compris quand on parle de porte-outils.

Pour aider, une machine d'équilibrage spéciale est requise, tout comme un effort supplémentaire lors du processus de préréglage d'outil. Assurez-vous de prérégler. Les porte-outils pré-équilibrés ne suffiront pas puisque l'assemblage complet incluant l'outil de coupe et la vis de retenue (pour ceux avec machines CAT et BT) doit être équilibré comme une seule pièce. Suivre ces recommandations et inclure une maintenance régulière pour prolonger la durée de vie d'outil réduit les temps d'arrêt et aide à faire de meilleures pièces.

« Vous pouvez démontrer des améliorations de performance pièce avec les bons porte-outils, » dit West. « C'est quelque chose qu'on néglige facilement, mais qui fait une énorme différence. »

Avez-vous remarqué la différence qu'un porte-outil peut faire dans un centre d'usinage haute performance ? Partagez votre expérience.