Usinabilité expliquée : facteurs clés, techniques d'amélioration et mesure

La facilité de couper un métal avec un outil de coupe s'appelle l'usinabilité. Cependant, il est difficile de quantifier cette caractéristique en raison des nombreux facteurs qui la déterminent. Cet article présente les bases : définition, facteurs d'influence, tableau d'usinabilité des métaux, comment l'améliorer et la mesurer.

Qu'est-ce que l'usinabilité ?

L'usinabilité mesure la facilité de couper un matériau avec un outil, ou la facilité de couper le métal. Elle définit la facilité avec laquelle un matériau (principalement métallique) peut être coupé ou façonné tout en offrant une finition de surface satisfaisante. Les matériaux à bonne usinabilité nécessitent très peu de puissance pour être coupés, produisent une finition lisse et minimisent l'usure de l'outil. À l'inverse, les matériaux peu usinables exigent des forces de coupe plus élevées, donnent une mauvaise finition et usent les outils. Par conséquent, les matériaux à faible usinabilité sont plus coûteux à traiter.

L'American Iron and Steel Institute (AISI) a établi un indice d'usinabilité de 100 % par rapport à l'acier B1112 de 160 Brinell pour divers matériaux. Les métaux plus usinables que le B1112 sont notés au-dessus de 100 %, ceux moins usinables en dessous. L'indice est déterminé par la moyenne pondérée de la vitesse de coupe normale, de la finition de surface et de la durée de vie de l'outil pour chaque matériau.

Tableau d'usinabilité des métaux

(Source : https://www.cnclathing.com/guide/cnc-machining-material-machinability-chart-machinability-of-metals-and-plastics-cnclathing)

Facteurs influençant l'usinabilité des métaux

1) Facteurs liés aux caractéristiques de la pièce

Dureté du métal :

Si le métal est dur, il demande plus de puissance et génère des températures élevées, causant l'usure de l'outil et une mauvaise usinabilité.

Composition chimique :

Lors de l'usinage de métaux purs, les forces de coupe et l'usure sont très élevées. Cependant, l'ajout de faibles quantités de carbone, manganèse, plomb, soufre et phosphore à l'acier améliore l'usinabilité. La productivité et la finition s'améliorent aussi.

Les aciers à faible teneur en carbone (0,01 % à 0,15 %) présentent une mauvaise usinabilité en raison de leur ductilité et ténacité élevées. Si la teneur en carbone est plus élevée (0,25 % à 0,3 %), l'usinabilité est bonne. L'ajout de 1 % de manganèse et 0,15 % de phosphore améliore l'usinabilité. La présence de soufre et phosphore rend les copeaux cassants. Cependant, certains éléments ajoutés à l'acier (silicium, nickel, chrome, vanadium, molybdène) ont un effet néfaste.

Microstructure :

Les métaux présentent une mauvaise usinabilité s'ils contiennent des inclusions abrasives, une structure non uniforme, des grains gros et distordus.

Traitement des métaux :

L'acier travaillé à froid présente une meilleure usinabilité car il augmente la durée de vie de l'outil et permet des vitesses de coupe élevées. L'usinabilité des aciers à haute teneur en carbone peut être améliorée par travail à chaud. Divers traitements thermiques (normalisation, recuit, revenu) aident à améliorer l'usinabilité.

2) Facteurs liés à l'outil

Les facteurs liés à l'outil de coupe qui affectent l'usinabilité :

• Matériau de l'outil
• Géométrie de l'outil
• Nature de la coupe
• Rigidité de l'outil

3) Facteurs liés aux conditions de coupe

• Vitesse de coupe
• Avance et profondeur de passe
• Température de coupe
• Fluide de coupe

4) Facteurs liés aux machines

Les machines-outils doivent être rigides et robustes pour une meilleure usinabilité de la pièce.

Amélioration de l'usinabilité des matériaux

Bien que les métaux aient des propriétés physiques fixes, l'état d'une pièce peut être modifié pour la rendre plus facile à usiner. Des additifs peuvent aussi être ajoutés à l'alliage.

Additifs : Ajouter des éléments d'autres matériaux pour faciliter la coupe. Par exemple, lors de l'usinage de l'acier, l'ajout de plomb et de soufre rend la pièce plus facile à couper.

Traitement thermique : Les métaux sont souvent chauffés et refroidis pour changer leurs propriétés. Le traitement thermique réduit la dureté, facilitant le travail. Par exemple, le recuit des alliages à base de nickel améliore l'usinabilité.

Facteurs externes : Faciliter l'usinage sans changer le matériau de la pièce. Par exemple, ajuster le matériau de l'outil, la vitesse de coupe, l'angle de coupe, les conditions opératoires et autres paramètres facilite la coupe des matériaux difficiles.

Mesure de l'usinabilité

En raison des nombreux facteurs affectant l'usinabilité, c'est un concept vague difficile à quantifier. Cependant, ingénieurs et scientifiques des matériaux tentent de la mesurer via des métriques comme la consommation d'énergie (énergie pour couper le matériau), la durée de vie de l'outil (vitesse d'usure), et la finition de surface (lisseur résultant).

Consommation d'énergie : L'usinabilité peut être évaluée par la force requise pour couper le matériau, mesurée avec des métriques énergétiques standard.

Durée de vie de l'outil : Évaluation par la durée de vie de l'outil en coupant un matériau donné.

Finition de surface : Évaluation par le degré de bordure rapportée qui se développe pendant l'usinage ; les matériaux hautement usinables ne développent pas de bordure rapportée.