L'usinage de précision est un procédé d'usinage utilisé pour créer des formes internes et externes complexes et précises dans les pièces métalliques. Un aspect critique des opérations d'usinage réussies est l'évacuation appropriée des puces.

Le brochage est un procédé de découpe de métaux unique et très productif qui a été la pierre angulaire de la fabrication pendant des décennies. De la production des glissières complexes à l'intérieur des engrenages de transmission automobile à la coupe des glissières de précision dans les poulies et à la création de profils internes complexes pour les composants aérospatiaux, le brochage offre une précision et une répétabilité inégalées à des taux de production élevés. Cependant, la nature même du processus de brochage, où un outil unique et coûteux avec de multiples dents se déplace linéairement à travers ou à travers une pièce à usiner, présente un ensemble unique de défis, particulièrement dans le domaine de la gestion des puces.

Comprendre la formation de puces dans le brochage

Pendant l'ouverture, le matériau est enlevé dans une série de petites coupures par un outil denté appelé une broche. Au fur et à mesure que l'outil progresse à travers la pièce à usiner, les puces sont formées. Si ces puces ne sont pas évacuées correctement, elles peuvent causer plusieurs problèmes, y compris les dommages à l'outil et la mauvaise qualité de surface.

Pour bien comprendre l'importance de l'évacuation des puces, il est essentiel de comprendre la mécanique de la formation des puces pendant le processus d'ouverture. La broche est un outil long et multitoothed, avec chaque coupe successive légèrement plus profonde que la précédente. Ceci est connu comme la « levée par dent » et varie généralement de quelques millièmes de pouce à plusieurs centièmes, selon le matériau et le fonctionnement. Comme la broche est tirée ou poussée à travers la pièce de travail, chaque dent engage le matériau, cisaille une couche mince et forme une puce. La géométrie du bord de coupe, l'angle de râteau, l'angle de relief et l'espace entre les dents jouent tous des rôles cruciaux dans la façon dont la puce est formée, dirigée et finalement évacuée de la zone de coupe.

La mécanique de la formation de chips

Les puces discontinues, continues et dentelées se forment lorsque des matériaux cassants comme la fonte sont usinés. Ces puces se brisent en petites pièces de type fragmentaire, qui sont généralement plus faciles à évacuer mais peuvent parfois être piégées dans l'espace des goulottes. Les puces continues se forment généralement lorsque des matériaux ductiles comme l'acier à faible teneur en carbone, l'aluminium ou le laiton sont usinés. Ces puces sont longues et à cordes, et elles peuvent facilement envelopper la broche, obstruer la pièce ou endommager la surface finie si elles ne sont pas bien gérées. Les puces sérrées ou segmentées se forment en matériaux sujets au cisaillement adiabatique, comme les alliages de titane et les aciers inoxydables à haute résistance. Ces puces ont une apparence de scie et peuvent être très abrasives, accélérantes et créant des défis importants pour l'évacuation.

Types de puces en ouverture

Pour les matériaux ductile, la puce tend à se plier dans une spirale serrée ou à former un long ruban qui remplit l'espace du goéland. Si le goéland n'est pas assez grand ou la géométrie n'est pas optimisée, la puce peut se bloquer, causant des forces excessives, des vibrations et finalement une défaillance de l'outil. En revanche, les matériaux cassants produisent de petites puces en forme de poudre qui sont facilement emportées par le liquide de refroidissement, mais ils peuvent également générer de fines particules aéroportées qui posent des risques respiratoires si elles ne sont pas correctement contrôlées.

L'importance d'une évacuation adéquate des puces

Une évacuation efficace des puces est essentielle pour maintenir l'intégrité du processus d'ouverture. Elle empêche l'accumulation de puces, ce qui peut conduire à:

  • Augmentation de l'usure des outils et des ruptures potentielles
  • Imperfections de surface sur la partie usinée
  • Surchauffe de l'outil et de la pièce
  • Efficacité de coupe réduite
  • Risques pour la sécurité des opérateurs

Lorsque les puces ne sont pas évacuées efficacement, elles peuvent être recoupées par les dents suivantes, ce qui entraîne une augmentation du frottement, de la production de chaleur et de l'usure des outils. Cette recoupement dégrade également la puce elle-même, créant de fines débris qui peuvent s'intégrer à la surface de la pièce ou des passages de refroidissement par cailloux. Dans les cas graves, l'emballage des puces peut provoquer la liaison ou la rupture de la broche, ce qui entraîne des temps d'arrêt coûteux et des dommages potentiels à la machine et à la pièce.

Conséquences d'une mauvaise évacuation des puces

L'évacuation de la mauvaise puce peut se manifester par plusieurs symptômes observables sur le plancher du magasin. Un signe commun est la présence de « empaquetage de la puce » ou de « fouettage de la puce » dans les espaces de la broche. Cela peut être identifié par une inspection visuelle ou par une augmentation soudaine des forces de coupe, indiquée par une augmentation de la pression hydraulique sur la machine à broyer. Un autre symptôme est une finition de surface dégradée sur la pièce, souvent caractérisée par des rayures, des gouges ou des marques de brûlure causées par des puces traînées à travers la surface finie.

Impact sur la vie des outils

La durée de vie des outils en ouverture est directement liée à l'évacuation des puces. Lorsque les puces sont évacuées proprement, chaque dent coupe librement, avec un minimum de friction et de production de chaleur. Cela permet au tranchant de maintenir sa netteté pendant une plus longue période, réduisant la fréquence de réarrachage ou de remplacement des outils. Inversement, lorsque les puces deviennent piégées, elles agissent comme un milieu abrasif, accélérant l'usure des flancs et l'usure des cratères sur le tranchant. La chaleur générée par la friction peut également causer des fissures thermiques et des copeaux de bord, réduisant encore la durée de vie des outils.

Impact sur le fini de surface

La qualité de la surface finie produite par le brochage est un indicateur de performance clé. L'évacuation correcte des puces garantit que les dents coupantes sont toujours en contact avec des matériaux propres et non coupés et que la surface finie n'est pas contaminée par les débris. Lorsque les puces sont autorisées à s'accumuler, elles peuvent être entraînées entre la dent de broyage et la pièce de travail, provoquant des rayures, des indentations et une dégradation générale de la rugosité de la surface.

Considérations de sécurité

La sécurité est primordiale dans toute opération d'usinage, et l'évacuation des puces joue un rôle direct dans le maintien d'un environnement de travail sûr. Les puces à chaîne longues produites lors de l'ouverture peuvent être extrêmement dangereuses. Elles peuvent enrouler autour des composants de la machine, enchevêtrer les opérateurs ou se libérer et devenir des projectiles tranchants. Les opérations d'ouverture à grande vitesse génèrent des puces à grande vitesse, et si les puces ne sont pas correctement contenues et évacuées, elles peuvent causer de graves coupures ou des blessures oculaires.

Facteurs influant sur l'évacuation des puces

Plusieurs facteurs clés déterminent l'efficacité de l'évacuation des puces lors de l'ouverture. La compréhension et le contrôle de ces facteurs permettent aux ingénieurs d'optimiser le processus pour une efficacité et une fiabilité maximales.

Conception d'outils de brochage

La conception de la broche elle-même est le facteur le plus influent dans l'évacuation des puces. Les éléments clés de conception comprennent la taille et la forme des goulottes, l'angle de râteau, l'angle de relief et la présence de brisures de puces. L'espace de goulottes doit être suffisamment grand pour accueillir le volume de la puce généré par chaque dent, mais pas si grand qu'il affaiblit la structure de l'outil. La forme du goulotte est critique pour diriger le flux de la puce et empêcher le conglage. Un goulotte bien conçu encourage la puce à se boucler et à se casser, facilitant ainsi l'évacuation. Les angles de râteau, positifs et négatifs, affectent également la formation de la puce.

Paramètres de coupe

Une augmentation plus élevée par dent produit une puce plus épaisse, qui peut être plus difficile à boucler et à évacuer, mais aussi réduit le nombre de dents en contact, ce qui peut améliorer le débit des puces. Une augmentation plus faible par dent produit des puces plus minces, plus faciles à boucler, mais nécessite plus de dents et de coups de broche plus longs. Une augmentation de la vitesse de coupe augmente généralement le volume et la vitesse des puces, ce qui peut aider à évacuer les puces si le système de refroidissement est adéquat. Cependant, des vitesses plus élevées augmentent également la production de chaleur, ce qui peut réduire la résistance des puces et favoriser l'adhésion. La pression et le débit des puces de refroidissement sont critiques pour les puces de chasse hors de la zone de coupe.

Matériel de la pièce

Les matériaux ductiles comme l'acier à faible teneur en carbone, l'aluminium et le cuivre produisent des copeaux longs et continus qui nécessitent une gestion soigneuse. Des matériaux plus résistants comme l'acier à outils et l'acier inoxydable produisent des copeaux plus segmentés qui sont plus faciles à évacuer mais qui peuvent être plus abrasifs. Des matériaux fragiles comme la fonte produisent des copeaux discontinus qui sont relativement faciles à gérer mais qui peuvent générer de la poussière fine. Des matériaux à haute conductivité thermique, comme l'aluminium, aident à dissiper rapidement la chaleur, à réduire l'adhérence des copeaux. Des matériaux qui sont enclins à travailler comme les aciers inoxydables austénitiques peuvent créer des défis à mesure que la copeau durcie devient plus difficile à couper et à évacuer.

Refroidissement et lubrification

Les propriétés lubrifiantes du liquide réduisent la friction entre la puce et la dent de broche, favorisent un écoulement fluide de la puce et réduisent la tendance des puces à adhérer à l'outil. Les propriétés de refroidissement aident à dissiper la chaleur générée lors de la coupe, à réduire la dilatation thermique et l'adoucissement des puces, ce qui peut causer un emballage de la puce. Le liquide chasse directement les puces hors de la zone de découpe, empêchant l'accumulation. Le type de liquide de refroidissement utilisé est critique. Les refroidisseurs à base d'huile offrent une lubrification supérieure pour les matériaux difficiles à fabriquer, mais peuvent avoir de mauvaises propriétés de refroidissement et nécessiter une filtration approfondie.

Méthodes pour améliorer l'évacuation des puces

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour améliorer l'élimination des puces lors de l'ouverture. La mise en œuvre de ces méthodes nécessite une approche systématique de la conception des outils, de la configuration des machines et du suivi des processus.

Géométrie de broyage optimisée

La première ligne de défense contre les problèmes d'évacuation des puces est une géométrie de broche bien conçue, qui consiste notamment à optimiser la forme des goulottes pour le matériau spécifique en cours de fabrication. Pour les matériaux ductiles, un goulotte « J-shape » ou « hook-type » permet de boucler la puce et de se casser, empêchant ainsi la formation de longs rubans. Pour les matériaux cassants, un goulotte « U-shape » plus ouvert permet aux croquettes de s'écouler librement sans emballage. L'angle de râteau devrait être choisi en fonction des propriétés du matériau. Les angles de râteau positifs (généralement de 10 à 20 degrés) sont préférés pour les matériaux ductiles pour produire des croquettes minces et frisés. Les angles de râteau négatifs peuvent être utilisés pour les matériaux dures et cassants pour contrôler la taille des croquettes et réduire les découpures d'outils.

Systèmes de refroidissement haute pression

En livrant directement le liquide à des pressions de 500 psi ou plus à la zone de coupe, ces systèmes peuvent effectivement briser les pièces et les vider des espaces de goulottes. Le jet à haute pression crée un effet de coin hydraulique qui permet de retirer la pièce de coupe de la pièce de coupe et de la diriger vers l'extérieur. Les systèmes HPC peuvent être configurés avec de multiples buses positionnées autour de la piste de broyage pour assurer une couverture optimale. La livraison du liquide de refroidissement par l'outil, où le liquide est canalisé par les passages internes de la broche vers la zone de coupe, est particulièrement efficace pour les trous profonds et les opérations internes de broyage. L'efficacité des systèmes HPC dépend de la conception de la buse, du débit, de la pression du liquide de refroidissement et du positionnement par rapport à la zone de coupe.

Découpes

Comme mentionné, les briseuses de puces sont des caractéristiques mécaniques sur le bord de coupe de broche qui interrompent le processus de formation de puce, ce qui fait que la puce se brise en longueurs plus courtes. La géométrie du briseuse de puce est essentielle. Un modèle commun est le briseuse de puces de type «groove», qui consiste en un petit rainure à l'intérieur du bord de coupe. Lorsque la puce s'écoule sur cette rainure, elle crée une concentration de contrainte qui provoque la rupture de la puce. Un autre modèle est le briseuse de puces de type «step-type», qui crée un cran dans le bord de coupe qui interrompt le flux de puce. La profondeur, la largeur et l'espacement des briseuses doivent être soigneusement choisis en fonction du matériau et des paramètres de coupe.

Réparation appropriée

Pour les opérations d'ouverture interne, l'alésage de la pièce à usiner doit être propre et exempt de bûchers ou d'obstructions qui pourraient entraver l'écoulement de la puce. Pour l'ouverture externe, le montage doit être placé de façon à ce que le flux de la puce soit dirigé loin de l'opérateur et de la base de la machine. Dans certains cas, l'utilisation d'un système de vide ou d'un convoyeur à puce pour enlever les puces de la zone de fixation peut améliorer considérablement l'évacuation. Le montage doit également être conçu pour réduire les vibrations, ce qui peut perturber l'écoulement de la puce et causer des bavardages d'outils.

Entretien régulier

Même le système d'évacuation des puces le mieux conçu se dégradera au fil du temps sans entretien adéquat. L'inspection régulière de l'outil de broyage pour l'usure, les dommages ou l'emballage des puces est essentielle. Les espaces de goulottes doivent être nettoyés de toute puce ou débris résiduels et les bords de coupe doivent être inspectés pour les écailler ou les usures. Le système de refroidissement, y compris les filtres, les pompes et les buses, doit être maintenu pour assurer une pression et un débit adéquats. Les filtres ou les buses usés peuvent réduire considérablement l'efficacité du liquide de refroidissement.

Technologies avancées dans l'évacuation des puces

Les progrès récents de la technologie d'ouverture ont introduit des solutions innovantes pour l'évacuation des puces qui améliorent encore la fiabilité et l'efficacité des processus.

Livraison de liquide de refroidissement par l'outil

La livraison de liquide de refroidissement par l'outil est l'une des méthodes les plus efficaces pour améliorer l'évacuation des puces lors de l'ouverture. Dans ce modèle, le liquide de refroidissement est livré par des passages internes à l'intérieur de la broche, en sortant directement de la zone de coupe. Cela garantit que le liquide de refroidissement atteint l'interface de l'outil de puce avec une efficacité maximale, indépendamment de la position de coupe ou de l'orientation de la broche. La livraison de liquide de refroidissement par l'outil est particulièrement bénéfique pour l'ouverture de trous profonds et pour les opérations où les buses de liquide de refroidissement externe ne peuvent pas accéder à la zone de coupe.

MQL (Lubrification de la quantité minimale)

La LMQ est une solution de rechange écologique aux systèmes traditionnels de refroidissement par inondation. Dans la LMQ, une petite quantité de lubrifiant de haute qualité est atomisée et livrée dans la zone de coupe dans un flux d'air comprimé. Cette approche réduit considérablement la consommation de liquide de refroidissement, élimine le besoin de liquide de refroidissement et réduit l'empreinte environnementale globale de l'opération. Pour l'évacuation des puces, la LMQ peut être efficace lorsqu'elle est combinée avec des brise-piscines et des paramètres de coupe optimisés. Cependant, la LMQ ne fournit pas la même capacité de refroidissement que le liquide de refroidissement par inondation, de sorte qu'elle est la meilleure pour les matériaux qui ne génèrent pas de chaleur excessive pendant la coupe.

Systèmes de surveillance

Les machines modernes d'ouverture sont de plus en plus équipées de systèmes de surveillance sophistiqués qui permettent de détecter en temps réel les problèmes d'évacuation des puces.Ces systèmes utilisent des capteurs pour surveiller les forces de coupe, la puissance des broches, la température et les vibrations. Lorsqu'un problème d'évacuation des puces se développe, ces systèmes peuvent déclencher une alarme ou régler automatiquement les paramètres de coupe pour prévenir les dommages causés par les outils. Par exemple, une augmentation de la force de coupe peut indiquer un emballage des puces, entraînant une réduction de la vitesse d'alimentation ou une augmentation de la pression du liquide de refroidissement.

Conclusion

En comprenant l'importance d'un enlèvement efficace des puces et en utilisant des méthodes efficaces, les fabricants peuvent prolonger la durée de vie des outils, améliorer la finition de la surface et assurer la sécurité de l'opérateur. Investir dans de bonnes pratiques de conception et d'entretien des systèmes de retrait des puces mène finalement à des processus de fabrication plus efficaces.

En effet, en comprenant les facteurs qui influent sur l'évacuation des puces et en mettant en oeuvre des stratégies efficaces, les fabricants peuvent améliorer de façon significative la fiabilité et la rentabilité de leurs opérations de brochage. À mesure que les matériaux deviennent plus difficiles et que la production augmente, l'évacuation des puces de maîtrise continuera d'être un avantage concurrentiel essentiel. Pour une plongée plus profonde dans les éléments fondamentaux de brochage, consultez l'article du SME sur l'évacuation des puces dans le brochage. Pour plus de détails sur la conception des outils, voir ScienceDirect, qui donne un aperçu de la conception des outils de brochage].