Maîtriser la gestion de l'usure des outils : booster la qualité et la longévité de l'usinage CNC

Dans l'usinage CNC, la réalité est que le métal rencontrant le métal entraîne l'usure des outils. La coupe, le meulage, le perçage, l'alésage et autres tâches font tous partie de l'usinage. Et comme ces activités sont toutes « métal-sur-métal », à un moment donné, quelque chose doit céder.

Ce « cédement » prend la forme de l'usure des outils, où une opération régulière signifie que les outils perdront de la surface, du tranchant et du revenu au fil du temps. Si les équipements et processus sont surveillés et optimisés, cette usure est graduelle et prévisible. Sinon, l'usure des outils peut entraîner des problèmes de qualité des pièces et des bris d'outillage.

Définition de l'usure des outils

L'usure des outils est la dégradation progressive des outils de machine suite aux opérations de coupe, conduisant éventuellement à la défaillance de l'outil.

Parce que les outils et pièces sont en contact constant avec une friction et un frottement sévères, les outils se retrouvent sous contrainte au fil du temps. Cette contrainte résulte du contact métal-métal et des contraintes et pressions élevées. Elle est également soumise à des températures très élevées.

La défaillance des outils due à l'usure est typique, mais peut être analysée et adressée avec la surveillance d'outils. L'usure se produit généralement au fil du temps et est une défaillance graduelle dans un processus cumulatif qui affecte la durée de vie de l'outil. L'usure variera également selon la forme de l'outil, la profondeur, le fluide de coupe et la vitesse de coupe. Cela impacte le tranchant et l'efficacité de l'outil et signifie que certains outils peuvent subtilement changer de forme.

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Types d'usure des outils

L'usure des outils dépend de nombreuses variables. Type d'équipement, dureté de la matière première, nombre d'opérations effectuées sur la pièce, force appliquée pour chaque tâche, et d'autres variables contribueront à l'usure des outils. En raison de ces variables, l'usure prendra de nombreuses formes, notamment :

Usure abrasive

Selon l'usage final, la matière première métallique dans les pièces usinées en CNC variera en pureté. Lorsque des impuretés existent, elles peuvent entraîner une accumulation de fragments de arête. Ces fragments peuvent abraser l'outil, réduisant son tranchant et son efficacité au fil du temps. L'abrasion est une forme mécanique d'usure qui se produit le plus souvent à basse vitesse de broche.

Usure de flanc

L'usure de flanc se produit parallèlement au bord de coupe et peut entraîner la défaillance du bord de coupe. Lorsque les pièces rencontrent l'usure abrasive et adhésive, des températures élevées se forment et impactent l'outil et les caractéristiques de performance de la pièce. À mesure que l'usure de flanc augmente, la vitesse de coupe doit également être augmentée.

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Usure de cratère

Lorsque les outils impactent la face de la pièce à haute vitesse, des copeaux se forment et endommagent la face de dépouille de l'outil. Ce flux de copeaux sur la face laisse une excavation, ou cratère, comme une cicatrice. La formation de cratères est un type typique d'usure d'outil qui peut ne pas impacter la qualité de l'outil à moins qu'il ne déforme directement la surface de coupe. L'usure de cratère se produit généralement près du bord de coupe.

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Usure par adhésion

Parce que la friction outil-pièce cause des températures élevées, l'usure par adhésion peut se produire. Ici, les copeaux s'écoulant sur la face de l'outil peuvent se lier à la face de l'outil elle-même, comme un effet de soudure par points. Cela peut également impacter la précision dimensionnelle de la pièce elle-même. L'usure par adhésion peut se produire plus souvent si le mauvais fluide ou la mauvaise quantité de fluide est utilisée.

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Identification de l'usure des outils

La détection de l'usure des outils peut être faite manuellement par l'observation des machinistes et opérateurs ou de manière automatisée, en utilisant un système de surveillance d'outils. Historiquement, l'usure des outils n'a été identifiée qu'après que son impact a été remarqué, comme la réalisation que l'outil produit des pièces de mauvaise qualité. Cependant, avec le développement de solutions logicielles automatisées, les parties prenantes sont mieux à même d'identifier l'usure et la défaillance d'outils dès qu'elles se produisent, ou même de les prédire et les prévenir totalement. Certaines approches pour détecter l'usure des outils incluent :

1. Ébréchure

L'ébréchure se produit sur la face de coupe et crée un bord de coupe rugueux ou marqué. Elle peut résulter d'une configuration machine inappropriée ou parce que le porte-outil n'est pas correctement sécurisé. Cela peut également se produire dans les pièces plus grandes où les copeaux peuvent être emportés jusqu'à une demi-rotation avant d'être impactés par le fluide.

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2. Fissuration thermique

Les pièces usinées CNC génèrent une chaleur excessive entre l'outil et la pièce. La gestion de cette chaleur assure la vitesse correcte, la bonne configuration de l'outil pour les porte-outils, et la bonne quantité de fluide. Si la chaleur générée est trop haute ou trop basse, ou si les variations de température oscillent rapidement de coupe en coupe, cela peut affecter les caractéristiques de performance du métal de la pièce. Cela peut causer la formation de fissures espacées uniformément et perpendiculaires au bord de coupe de l'outil de tournage.

3. Fracture

Parfois, les forces de coupe accrues entre l'outil et la pièce peuvent être trop grandes pour être surmontées. Cette force cause la perte soudaine et complète de l'outil et des dommages à la pièce et peut-être à la machine elle-même. Les causes d'une fracture peuvent résider dans les réglages de profondeur de coupe, vitesse, ou avance de matière. Les points chauds le long de la pièce peuvent aussi causer la fracture en émoussant l'outil jusqu'à sa défaillance. Prévenir la casse d'outil évite les problèmes de sécurité et évite les événements de temps d'arrêt.

4. Encoche

Lorsque l'outil contacte l'épaule de la pièce, le frottement des deux pièces peut créer une réaction chimique sur l'outil. Le résultat crée à la fois abrasion et adhésion et peut mener à l'usure de flanc. Si l'usure est excessive, elle peut mener à la défaillance complète de l'outil.

5. Déformation plastique

La déformation plastique est un problème thermique lorsque le matériau dans l'outil de coupe est ramolli. Si le grade de matériau de la pièce est plus élevé que celui de l'outil, l'outil peut changer de forme ou perdre du tranchant. Ce dommage peut être évité en comprenant la dureté de l'outil par rapport à la dureté du matériau et ses caractéristiques de performance inhérentes.

6. Défaillance

La défaillance se produit lorsque l'outil casse ou se fracture complètement. Prévenir la casse d'outil et même la défaillance catastrophique est possible en assurant les bons réglages de vitesse, profondeur de coupe et force. Cela nécessite également d'utiliser le fluide approprié. La défaillance peut aussi être détectée lorsque des vibrations ou bruits anormaux sont présents, indiquant un porte-outil ou un réglage hors spécifications.

7. Arête rapportée (Built-up Edge - BUE)

Différentes matières premières métalliques pour les pièces peuvent avoir différentes caractéristiques de performance. Elles peuvent être plus tendres ou plus dures selon le métal. Lorsque le métal est plus tendre, un effet de recuit peut se produire où le métal tendre, semi-fondu, adhère à l'outil de coupe. Si l'arête s'accumule trop, l'outil peut défaillir. Une vitesse et un fluide appropriés peuvent réduire ou éliminer ce problème.

Exemples de BUE (Built-up Edge) sur les faces d'outil. (Source)

Effets de l'usure des outils

Lorsque les outils commencent à atteindre la fin de leur cycle de vie, ou lorsqu'un événement les a impactés, l'usure sur l'outil peut créer des effets d'usure spécifiques. Ces effets influencent la qualité des pièces produites, l'efficacité de l'équipement, ou les temps d'arrêt associés à l'intervention de l'opérateur. L'importance de comprendre les effets de l'usure des outils est qu'ils peuvent être utilisés pour développer des seuils et algorithmes pour détecter et prévenir l'usure des outils à l'avenir.

Les effets de l'usure des outils peuvent inclure :

Force de coupe accrue

À mesure que l'usure s'accumule, une force de coupe accrue peut être nécessaire pour compenser. Il y aura des augmentations de tolérance acceptables pour l'outil et la pièce. Mais si l'usure est significative, la force pourrait dépasser la tolérance acceptable et nécessiter un changement.

Température de coupe accrue

La friction métal-métal de la coupe, du perçage et d'autres tâches dans la machine CNC créera toujours des températures élevées. Si le fluide de coupe est trop bas ou pas du bon type, une température plus élevée peut en résulter. La température peut aussi augmenter si la profondeur de coupe est trop sévère ou si l'avance est trop haute. Finalement, une vitesse plus élevée peut aussi contribuer à encore plus de chaleur.

Précision diminuée des pièces produites

À mesure que l'usure se produit, la précision de la pièce diminue. Il y aura des tolérances acceptables pour toute pièce. Mais un seul type d'usure d'outil peut augmenter au point que la pièce sort des spécifications pour cette activité de coupe, causant la perte de la pièce. Plusieurs types d'usure peuvent coïncider, cascade la déformation et donc la précision de la pièce. Cela peut créer un problème qualité majeur car les pièces devront soit être mises au rebut, soit retravaillées. Gérer efficacement l'usure des outils et comprendre quand la défaillance surviendra est une partie importante du maintien d'une haute qualité de manière efficace.

Durée de vie de l'outil diminuée

Différents types d'usure d'outil, la dureté différentielle entre l'outillage et la pièce, et les températures répétées hautes à basses peuvent causer une durée de vie d'outil réduite. Ces facteurs peuvent être gérés basés sur l'expérience et la formation et la connaissance de l'opérateur de la pièce et du matériau d'outil. Mais ils peuvent aussi être surveillés par un logiciel avancé de surveillance d'outils de MachineMetrics. La durée de vie d'outil diminuée est un problème contrôlable avec la bonne surveillance automatisée en place.

Mauvaise finition de surface

Plus l'usure de l'outil est critique, plus l'impact sur la finition de surface est grand. Des outils émoussés peuvent causer des faces de coupe inégales ou déchiquetées sur la pièce. Et le perçage ou la coupe peut causer une accumulation de surface ou des augmentations de terre d'usure, contribuant à l'ébréchure et au cratérisation, affectant la finition de surface. Surtout dans l'usinage de haute précision, cela peut développer de graves problèmes de qualité, signifiant que les pièces devront soit être retravaillées, soit mises au rebut.

Économie des opérations de coupe

La coupe et l'usinage sont des technologies de production coûteuses. Le coût élevé de l'équipement, de la formation des opérateurs, de l'outillage de haute qualité, et de la sélection appropriée du matériau de la pièce peut être impacté par l'usure des outils. Chaque réduction de durée de vie d'un outil et chaque pièce mise au rebut ajoute du coût à la série et réduit la marge bénéficiaire. Et les outils usés sont aussi un danger pour l'opérateur et la machine, risquant des coûts de réparation encore plus élevés.

6 méthodes pour réduire l'usure des outils

1. Reconnaître les signes avant-coureurs

Les outils usés présenteront un comportement observable et prévisible dans de nombreux cas, mais pas tous. La température, la force de coupe accrue et d'autres facteurs d'usure peuvent créer des signes qui se manifestent par des vibrations ou du bruit. Apprendre ces signes peut aider les opérateurs à ajuster pour réduire l'usure.

2. Reconnaître les types d'usure des outils

Comme discuté ci-dessus, il existe de nombreux types d'usure d'outils. Certains sont mécaniques ; d'autres peuvent être créés par des réglages d'équipement ou des erreurs d'opérateur. Et certains, comme la gestion de la température, nécessitent une danse habile pour créer le meilleur environnement pour réduire l'usure. Il est critique que les opérateurs connaissent les types d'usure d'outils et que chacun peut être causé par différentes circonstances qui se produisent seules ou en combinaison.

3. Être attentif aux effets de température

La température élevée dans un processus d'usinage métal-métal est inévitable. Mais la gestion de la température est critique. Si elle est bien faite, la plupart de la chaleur est évacuée avec l'envol des copeaux.

4. Utiliser le bon fluide de coupe

Avec autant de chaleur transférée depuis l'envol des copeaux, le bon type et la bonne quantité de fluide de coupe doivent être utilisés pour évacuer les copeaux et aider à diriger l'excès de chaleur loin. Comprendre le matériau de la pièce et de l'outil et les spécifications, vitesse et taux d'avance déterminera le taux d'application du fluide de coupe pendant la coupe.

5. Considérer le matériau de la pièce

Les métaux ont des caractéristiques de performance très différentes. Les métaux durcis peuvent créer plus de température et nécessiter plus de force, tandis que les métaux plus tendres avec des points de fusion plus bas peuvent avoir une arête rapportée plus élevée. Connaître les caractéristiques de performance de la matière première, la qualité et les caractéristiques de l'outil, et même l'âge et les capacités de la machine peut vous aider à choisir le bon outil pour le bon métal.

6. Adapter l'outil à la tâche

La sélection de l'outil est critique et doit inclure le tranchant, la géométrie de l'outil, le revêtement et les considérations de fonction. Cette sélection nécessite également de comprendre les types d'équipement et l'âge et les capacités de maintien d'outil, selon la matière première.

Comment appliquer ces méthodes avec la surveillance d'outils MachineMetrics

Traditionnellement, l'usure des outils était expérientielle. Dans une opération d'usinage, les opérateurs devaient subir des années de formation pour apprendre par « ressenti » et observation quand un outil subissait une usure excessive. Et de nombreux réglages et paramètres étaient déterminés expérimentalement ou étaient simplement acceptés basés sur les plannings fournis par les OEM d'outils machines. Mais cette approche est hautement inexacte, résultant en pièces de mauvaise qualité, durée de vie d'outil inutilisée, et temps d'arrêt excessifs.

Heureusement, réduire et gérer l'usure des outils peut être automatisé rapidement et efficacement avec le système de surveillance d'outils MachineMetrics. Les réglages peuvent être surveillés à un degré impossible avec l'intervention humaine, et les variations sont rapportées via des tableaux de bord intuitifs qui affichent les conditions machine avec précision. MachineMetrics peut même analyser la fréquence des signaux dans la machine pour prédire la défaillance d'outil.

Les insights et analyses offerts par le logiciel peuvent délivrer des bénéfices immédiats pour optimiser les processus, adresser les problèmes non détectés, et prescrire des solutions pour réduire les coûts, augmenter la qualité et augmenter la capacité. Pour découvrir comment MachineMetrics peut délivrer des solutions pour vous aider à gérer et contrôler l'usure des outils et tirer le meilleur de votre outillage et équipement, réservez une démo aujourd'hui.

Prédire et prévenir les défaillances d'outils : Étude de cas avec BC Machining

BC Machining, un fabricant de pièces métalliques fabriquées, produisait de telles quantités de rebuts qu'ils étaient forcés de faire tourner leurs machines à 200 % de capacité juste pour atteindre leurs objectifs de production. Sans visibilité sur quand les outils étaient usés ou sur le point de casser, BC Machining accumulait des coûts significatifs de production de rebuts et de remplacement d'outils cassés.

Pour prévenir la production de rebuts et maximiser la durée de vie des outils, ils ont fait appel à MachineMetrics. Lisez notre étude de cas pour apprendre comment BC Machining a virtuellement éradiqué les rebuts dus à l'usure des outils, réduit significativement leurs temps de changement de série, et économisé 72 000 $ par machine annuellement. Lisez l'étude de cas complète.