Principaux avantages des machines d'alésage pour l'usinage de précision

Spécifications des machines d'alésage

Les dimensions entre la pièce et l'outil de coupe peuvent être modifiées sur deux axes pour couper à la fois verticalement et horizontalement sur la surface intérieure. L'outil de coupe est généralement monopoint, en acier rapide M2/M3 ou carbure P10/P01. Un trou conique peut aussi être réalisé en pivotant la tête.

Les machines d'alésage existent en de nombreuses tailles et styles. L'alésage de petits objets se fait sur un tour, tandis que les plus grands requièrent une machine d'alésage. Les pièces ont généralement un diamètre de 1 à 4 m (3 à 13 pi), mais peuvent atteindre 20 m (66 pi). La puissance peut aller jusqu'à 200 ch (150 kW).

Le refroidissement des trous se fait par un passage creux dans la barre d'alésage où le fluide circule librement. Des disques en alliage de tungstène sont scellés sur la barre pour contrer les vibrations. Les systèmes de commande peuvent être informatisés, permettant automatisation et plus grande constance.

Pourquoi l'alésage est-il nécessaire ?

Puisque le perçage vise à réduire la tolérance de trous préexistants, quelques considérations de conception s'imposent. Premièrement, les grands rapports longueur/diamètre ne sont pas préférés à cause de la déflexion de l'outil. Ensuite, les trous traversants sont préférés aux trous borgnes (ne traversant pas la pièce).

De par ces facteurs, le perçage et le perçage profond sont par nature des domaines difficiles nécessitant outils et techniques spéciaux. Néanmoins, des technologies ont été développées pour produire des trous profonds avec une précision impressionnante. Dans la plupart des cas, elles font appel à plusieurs points de coupe diamétralement opposés, dont les forces de déflexion s'annulent mutuellement.

Typiquement, elles incluent aussi l'alimentation en fluide de coupe sous pression à travers l'outil vers des trous près des arêtes de coupe. Le perçage de canons et de fusils sont des exemples classiques. Développées à l'origine pour la fabrication de canons et tubes d'artillerie, ces techniques sont maintenant largement utilisées dans de nombreuses industries.

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Comment fonctionne l'alésage ?

Divers cycles d'alésage constants sont disponibles sur les commandes CNC. Ce sont des sous-programmes qui déplacent l'outil par coupes successives : coupe, rétraction, avance, coupe, rétraction, retour à la position de départ, etc.

La plupart des opérations de tournage externe se retrouvent en alésage. En tournage externe, la longueur de la pièce n'affecte pas le porte-à-faux de l'outil, et le porte-outil peut être dimensionné pour résister aux forces. En alésage (tournage interne), le choix de l'outil est très limité par le diamètre et la longueur du trou.

La règle générale pour tout usinage est de minimiser le porte-à-faux pour obtenir la meilleure stabilité et donc la meilleure précision. En perçage, la profondeur du trou est déterminée par le porte-à-faux. La stabilité augmente avec un diamètre d'outil plus grand, mais les possibilités restent limitées car l'espace pour l'évacuation des copeaux et les mouvements radiaux doit être pris en compte.

Les restrictions sur la stabilité en alésage imposent une attention particulière lors de la planification. Comprendre l'impact de la géométrie de l'outil et des données de coupe sur les forces, ainsi que l'influence des différents types de barres d'alésage et de serrage sur la stabilité, permet de minimiser les vibrations.

Quelle est l'importance des forces de coupe ?

Pendant l'usinage, la force tangentielle et la force radiale cherchent à repousser l'outil loin de la pièce, causant des déflexions.

La force tangentielle pousse l'outil vers le bas et loin de la ligne centrale. Du fait de la courbure du diamètre intérieur, l'angle de dépouille est aussi réduit. Pour les petits diamètres, il est crucial que l'angle de dépouille de la plaquette soit suffisant pour éviter le contact entre l'outil et la paroi du trou.

La déflexion radiale réduit la profondeur de coupe. Outre l'impact sur la précision du diamètre, l'épaisseur du copeau change avec les forces de coupe, causant des vibrations transmises de la lame au porte-outil. La stabilité et le serrage de l'outil déterminent l'amplitude des vibrations et si elles sont amplifiées ou amorties.

Quels facteurs influencent les forces de coupe ?

● Géométrie de la plaquette :

La géométrie a une influence décisive. La plaquette positive a un angle de rake positif ; l'angle de coupe et l'angle de dépouille ensemble font moins de 90°. Un angle de rake positif signifie une force tangentielle plus faible, mais au détriment de l'angle de dépouille ou de l'angle de coupe.

Si l'angle de dépouille est petit, risque de frottement outil-pièce et vibrations. Si l'angle de rake est grand et l'angle de coupe petit, le tranchant est plus aigu. Un tranchant aigu pénètre plus facilement mais peut s'ébrécher ou s'user plus vite.

L'usure du tranchant modifie la géométrie, réduisant l'angle de dépouille. Pour la finition, la finition de surface requise détermine quand remplacer la plaquette. En général, l'usure doit être entre 0,1 et 0,3 mm pour la finition et 0,3 à 1 mm pour l'ébauche.

● Angle de rake (angle d'attaque) :

L'angle de rake affecte les composantes axiale et radiale des forces. Un petit angle produit une grande force axiale ; un grand angle, une force radiale plus importante.

La force axiale a un effet négatif minimal car dirigée le long de la barre. Pour éviter les vibrations, un petit angle d'attaque est préférable, mais comme il affecte aussi l'épaisseur et la direction d'écoulement du copeau, un compromis est souvent nécessaire.

Le principal inconvénient d'un petit angle est que les forces se répartissent sur une section plus courte du tranchant. De plus, le tranchant subit des chargements/déchargements rapides à l'entrée/sortie de la pièce.

Comme l'alésage se fait généralement dans un trou pré-usiné (usinage léger), les petits angles ne posent généralement pas de problème. Angles de 15° ou moins recommandés. Toutefois, à 15°, la force radiale est presque double de celle à 0°.

● Rayon de pointe :

Le rayon de pointe affecte la distribution des forces. Plus le rayon est grand, plus les forces radiale et tangentielle et l'apparition de vibrations augmentent. Mais cela ne s'applique pas aux forces radiales de la même manière. La déflexion radiale dépend de la relation entre profondeur de coupe et rayon de pointe.

Si la profondeur est inférieure au rayon, les forces radiales augmentent avec la profondeur. Si la profondeur est égale ou supérieure au rayon, la déflexion radiale est déterminée par l'angle d'attaque.

Il est donc judicieux de choisir un rayon de pointe légèrement inférieur à la profondeur de coupe. Ainsi, les forces radiales sont minimisées tout en profitant des avantages du plus grand rayon possible : tranchant plus résistant, meilleure finition, pression plus uniforme.