Le brochage est un procédé d'usinage très efficace et précis qui permet de produire des profils internes et externes complexes tels que des glissières, des rainures, des serrations et des queues de dard. Il permet de forcer un outil de coupe multi-toothed – le brochage – linéairement passé ou par pièce de travail, chaque dent successive enlevant une épaisseur de matériau prédéterminée. Le procédé est favorisé par la fabrication d'équipements automobiles, aérospatials et lourds pour sa capacité à fournir des tolérances cohérentes et d'excellentes finitions de surface en un seul passage. Cependant, la nature agressive du brochage soumet l'outil à des charges mécaniques et thermiques extrêmes.

Types de stress agissant sur les outils de braquage

Lors d'une opération d'ouverture, l'outil subit simultanément plusieurs champs de contraintes, qui peuvent être classés en catégories mécaniques, thermiques et résiduelles. Chacun joue un rôle distinct dans l'usure de l'outil et la défaillance potentielle.

Stress mécanique

La contrainte mécanique provient des forces de coupe nécessaires au cisaillement du matériau de la pièce. Au fur et à mesure que la broche avance, chaque dent engage la pièce, générant des composantes de force axiale, radiale et tangentielle.

  • La contrainte axiale est la force principale qui pousse ou tire la broche à travers la pièce à la pièce. Elle est directement proportionnelle à la surface totale du matériau enlevé par dent et à l'énergie de coupe spécifique du matériau de la pièce à la pièce.
  • La contrainte radiale[ résulte de l'interaction entre les bords de coupe de la broche et les parois de la pièce, en particulier lors de l'ouverture interne.
  • La contrainte tangentielle est particulièrement importante dans le cas des ouvertures internes où l'outil tourne légèrement en raison d'un désalignement de la pointe.

L'effet cumulatif de ces forces crée un profil de contrainte complexe le long de la longueur de la broche. Des concentrations de contrainte mécanique élevées se produisent aux racines de dents, aux goulottes à copeaux et à toute discontinuité géométrique. Si la résistance à la production du matériau de l'outil est dépassée, une déformation permanente ou une fracture catastrophique peut se produire.

Stress thermique

La friction entre les dents de la broche et la pièce, combinée à la déformation plastique du matériau, génère une chaleur localisée intense. Les températures à la pointe peuvent augmenter rapidement au-dessus de 600°C (1112°F), surtout à des vitesses de coupe élevées ou avec une faible lubrification.

  • Dilatation thermique du matériau de l'outil, qui peut modifier les dimensions de la broche et conduire à la fixation dans les passages internes.
  • Adoucissement thermique[ du bord de coupe, réduisant sa dureté et accélérant l'usure.
  • La fatigue thermique[ résultant de cycles répétés de chauffage et de refroidissement, provoquant des fissures de surface ou des éraflures de bord.

Le coefficient de dilatation thermique de l'acier à grande vitesse (HSS) est d'environ 12 × 10−6 /°C, ce qui signifie qu'une augmentation de 100 °C dans une broche de 500 mm provoque une dilatation axiale d'environ 0,6 mm, ce qui est suffisant pour causer des interférences ou des désalignements.

Stress résiduel

Les contraintes résiduelles sont enfermées dans l'outil pendant les processus de fabrication tels que le traitement thermique, le broyage ou le revêtement. Ces contraintes internes peuvent se combiner avec des contraintes opérationnelles pour pousser la contrainte totale au-delà des limites de sécurité. Par exemple, une broche carburée et durcie peut contenir des contraintes résiduelles compressives dans la couche de surface qui améliorent effectivement la résistance à la fatigue.

Mécanismes de déformation pendant le braquage

La souche se réfère à la déformation du matériau de l'outil en réponse à la contrainte appliquée. En ouverture, la souche se manifeste à la fois dans les formes élastique (recoverable) et plastique (permanent).

Détachement élastique

Dans des conditions normales de fonctionnement, la broche subit une flexion élastique et une torsion due aux forces de coupe. Cette déformation élastique est critique car elle provoque la déflexion de l'outil, ce qui peut conduire à une mauvaise géométrie de la pièce ou à un « décrochage » de l'outil où la broche s'écarte du chemin prévu.

Détachement en plastique

Si la contrainte dépasse la résistance de l'outil, la déformation plastique se produit. Ceci est perçu comme une déformation permanente, comme la flexion de l'échouement, l'allongement de la tige ou le "creep" des dents. La déformation plastique est généralement catastrophique parce qu'elle compromet immédiatement la précision de la pièce brochée et nécessite souvent que l'outil soit mis au rebut.

Facteurs influençant le stress et les dimensions de la souche

La gravité du stress et de la pression sur un outil de brochage est régie par une combinaison de propriétés de la pièce, de paramètres de coupe, de conception de l'outil et de conditions environnementales.

Propriétés du matériau de la pièce à usiner

Les aciers durcis (au-dessus de 40 HRC) génèrent des contraintes mécaniques plus élevées et plus de chaleur que les matériaux plus doux comme l'aluminium ou le laiton. Les aciers inoxydables, avec leur tendance à travailler dur, créent une contrainte supplémentaire sur le bord de coupe. Les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les alliages de titane, concentrent la chaleur à l'interface outil-pièce, exacerbant la contrainte thermique. Une référence utile est l'énergie de coupe spécifique (Kc) du matériau, qui varie de ~0,5 W·s/mm3 pour l'aluminium à plus de 3,0 W·s/mm3 pour les alliages à haute résistance.

Paramètres de coupe : Vitesse, alimentation et engagement

Les deux principaux paramètres peuvent être les opérateurs qui peuvent ajuster la vitesse de coupe et l'alimentation par dent. Les vitesses de coupe plus élevées augmentent le taux de production de chaleur, ce qui augmente la contrainte thermique. L'alimentation par dent détermine l'épaisseur de la puce et donc la charge mécanique sur chaque dent. L'alimentation excessive peut provoquer une rupture de dent, tandis que l'alimentation trop faible augmente le frottement et la chaleur.

Géométrie et matériel de l'outil

Les éléments de géométrie de la broche comprennent l'angle de râteau, l'angle de dégagement, le pas de dent et la taille des goulottes. Un angle de râteau positif (5°–15°) réduit les forces de coupe et la production de chaleur, mais peut affaiblir le tranchant. Les angles négatifs de râteau augmentent la résistance mais aussi augmentent les forces. Le pas de dent doit être optimisé pour assurer une évacuation lisse des puces; le pas incorrect peut causer l'emballage des puces et des pics de contrainte brusque.

Refroidissement et lubrification

La méthode d'application, le type et le débit du liquide de coupe affectent de façon significative la contrainte mécanique et thermique. Un fluide de coupe à base d'huile avec des additifs à pression extrême (EP) forme une couche limite qui réduit le frottement et la chaleur. Les émulsions solubles dans l'eau offrent une plus grande capacité thermique pour la dissipation thermique.

Rigidité et alignement de la machine

Les machines à broyer doivent fournir une plate-forme rigide et stable. Tout jeu ou désalignement dans le support de broche, tête de traction ou pièce de travail introduit des moments de flexion qui augmentent les concentrations de contrainte. Les machines modernes à broyer utilisent souvent des systèmes hydrauliques ou mécaniques à servomoteurs avec surveillance de la force en temps réel.

Mesure et analyse du stress et de la souche

Pour optimiser les opérations d'ouverture, les ingénieurs s'appuient sur des méthodes expérimentales et computations pour quantifier la contrainte et la déformation de l'outil.

Analyse des éléments finis (AFE)

Les modèles FEA simulent le processus d'ouverture en discrétisant l'outil et la pièce en petits éléments. Les entrées comprennent les propriétés du matériau, les conditions limites et les forces de coupe. FEA prédit les contours de contrainte, la déviation et la distribution de température. Par exemple, une étude de Shi et al. (2015) a utilisé FEA pour montrer que le stress maximal von Mises se produit à la racine de la dent et qu'augmenter le rayon de racine de 0,5 mm réduit le stress de pointe de 15 %.

Gauges expérimentales de souches

Les jauges de contrainte physiques peuvent être fixées au corps de la broche, généralement sur le pied ou sur des plats spécialement broyés, pour mesurer la contrainte élastique en temps réel. Les valeurs de contrainte peuvent être converties en contrainte en utilisant la loi de Hooke et le module élastique de l'outil. Cette méthode permet de valider directement les modèles FEA et aide à identifier les anomalies de processus comme la surcharge d'outils ou le désalignement.

Surveillance de l'état de l'outil

Une augmentation soudaine de la charge de la broche ou un changement de signature de vibration indique souvent une défaillance liée à la contrainte, comme le découpage des dents ou la flexion des outils. Les machines modernes de brochage intègrent des capteurs qui arrêtent automatiquement le cycle si les seuils de force préétablis sont dépassés, empêchant ainsi une rupture catastrophique des outils.

Stratégies de gestion du stress et d'extension de la vie des outils

En contrôlant les facteurs qui causent le stress et la contrainte, les fabricants peuvent améliorer de façon significative la longévité des outils et la fiabilité des procédés.

Matériau de l'outil optimal et sélection du revêtement

Pour le brochage à haute production d'aciers, la métallurgie à poudre de qualité supérieure HSS (p. ex. ASP 2030) avec un revêtement TiAlN offre un excellent équilibre de ténacité et de dureté chaude. Pour le brochage de matériaux abrasifs comme la fonte, il est recommandé de faire des broches au carbone de type diamant (DLC).

Optimisation de la géométrie

Utilisez FEA pour identifier les régions à forte contrainte et modifier le profil de la dent, les rayons radiaux et les largeurs de la terre. L'augmentation du rayon de goulotte et l'approfondissement de l'espace de la puce peuvent réduire la compression des puces et le stress qui en découle. Pour les longs outils, l'intégration d'un plan de pas variable aide à briser les vibrations harmoniques qui causent la fatigue.

Réglage du paramètre de processus

Augmentez graduellement la vitesse jusqu'au début du chateau à outils ou de la chaleur excessive, puis reculez de 15 à 20%. Envisagez de réduire le nombre de dents engagées en utilisant une broche à pas plus grand – ce qui réduit la force de coupe totale, mais nécessite une course d'outil plus longue. Guide d'ouverture de la machine de la machine moderne recommande d'utiliser une vitesse de coupe de 5 à 10 m/min pour le brochage HSS d'acier et jusqu'à 30 m/min pour les outils en carbure.

Stratégies avancées de refroidissement

Pour les lubrifiants à base d'huile, assurez-vous que le liquide a des additifs de PE tels que le soufre ou le chlore. Considérez le refroidissement par inondation pour de longues phases internes d'ouverture afin d'éviter l'accumulation thermique. Dans de graves cas, le refroidissement cryogénique à l'aide d'azote liquide a été démontré pour réduire considérablement la température de l'outil et augmenter la durée de vie—voir cette étude sur le brochage cryogénique d'alliages de titane.

Inspection régulière et entretien prédictif

Prévoir un contrôle périodique des outils d'ouverture à l'aide de loupes, de tests de pénétration de colorant ou de tests de courant de Fouctage pour les fissures de surface. Mesurer les dimensions des outils avec un micromètre d'ouverture pour détecter l'usure ou la déformation plastique.

Meilleures pratiques pour la mise en oeuvre de l'atelier

  • Pour les opérations d'ouvertures lourdes, le préchauffage de la broche à 100–150°C réduit les chocs thermiques au début de la coupe.
  • Utilisez des dispositifs d'alignement appropriés:[ Assurez-vous que la pièce est serrée en toute sécurité et que la broche est guidée par des douilles pour éviter la flexion.
  • Forme de puce de moniteur: Des puces minces, enroulées indiquent une bonne coupe; des puces épaisses et segmentées indiquent une contrainte excessive ou une usure excessive de l'outil.
  • Sélectionner la filtration du liquide de refroidissement :[ Maintenir un approvisionnement en liquide de refroidissement propre pour éviter de boucher des trous de liquide de refroidissement ou d'introduire des particules abrasives qui augmentent l'usure.
  • Les opérateurs de formation:[ Éduquer les opérateurs sur l'importance de suivre les paramètres recommandés et de reconnaître les signes de stress de l'outil.

Conclusion

En comprenant ces phénomènes et en contrôlant les facteurs d'influence, des propriétés des matériaux de la pièce à la coupe, à la géométrie des outils et aux méthodes de refroidissement, les fabricants peuvent obtenir une plus longue durée de vie des outils, une meilleure qualité de la pièce et une réduction du temps d'arrêt. Les outils d'analyse avancés comme la FEA et la surveillance en temps réel fournissent les données nécessaires pour prendre des décisions éclairées.