Comprendre les outils de carbure dans les tour CNC

Contrairement à l'acier à grande vitesse (HSS), le carbure maintient son tranchant à des températures élevées, ce qui permet une vitesse de coupe nettement plus élevée et une durée de vie plus longue de l'outil. Toutefois, la dureté inhérente du carbure introduit également la fragilité, rendant la manipulation, la configuration et les pratiques opérationnelles nécessaires pour éviter les déchiquetements, les fissures ou les défaillances catastrophiques. Lorsqu'il est utilisé correctement, l'outillage au carbure fournit des finitions de surface supérieures, des tolérances plus strictes et une plus grande capacité de traitement. Lorsqu'il est mal appliqué, il peut entraîner une dégradation rapide de l'outil, des pièces raclées et des temps d'arrêt inutiles.

Sélection d'outils et géométrie

La géométrie, le revêtement, la qualité et la forme de l'outil jouent un rôle crucial dans la façon dont l'outil interagit avec le matériau de la pièce. Un outil qui fonctionne bien pour l'acier de roulage peut être entièrement inadapté pour la finition de l'aluminium ou l'usinage de superalliages résistants à la chaleur.

Insérer la géométrie et le contrôle des puces

Les carbures sont disponibles dans une large gamme de géométries, chacune conçue pour des opérations spécifiques. Les angles de râteau positifs réduisent les forces de coupe et sont idéaux pour les matériaux plus doux et les passes de finition. Les angles de râteau négatifs offrent une plus grande résistance des bords et sont mieux adaptés pour les matériaux rugueux et plus difficiles. La géométrie des bris de puce est également importante. Un bris de puce bien conçu assure que les bris de puces se brisent dans des tailles gérables, empêchant le tangage de puces, l'accumulation de chaleur et les dommages de surface.

Technologies de revêtement

Les revêtements courants sont le nitrure de titane (TiN), le carbonitride de titane (TiCN), le nitrure d'aluminium de titane (TiAlN) et l'oxyde d'aluminium (Al2O3). Chaque revêtement offre différentes propriétés. Le TiAlN, par exemple, offre une excellente résistance à l'oxydation et une dureté chaude, ce qui le rend adapté pour l'usinage à sec et les applications à haute température. Les revêtements Al2O3 agissent comme barrières thermiques, réduisant le transfert de chaleur au substrat du carbure.

Sélection des classes

Les nuances plus résistantes à la teneur en cobalt plus élevée résistent à l'usure abrasive mais sont plus fragiles. Les nuances plus dures à teneur en cobalt plus faible peuvent résister aux coupures et aux vibrations interrompues, mais peuvent s'user plus rapidement. Pour le tournage continu de l'acier, une qualité dure et résistante à l'usure est appropriée. Pour les coupes interrompues, comme lors de l'usinage de pièces moulées ou de porte-clés, une qualité plus dures réduit le risque de déchiquetage des bords.

Configuration et alignement

La bonne configuration de l'outil sur un tour CNC affecte directement la précision de l'usinage, la durée de vie de l'outil et la finition de surface.

Alignement de la hauteur du centre

Le bord de coupe de l'outil de carbure doit être réglé précisément à la hauteur centrale de la pièce. Un ensemble d'outils situé en dessous du centre peut faire monter la pièce sur l'insert, ce qui entraîne une mauvaise finition de la surface et une rupture potentielle de l'outil. Un ensemble d'outils situé au-dessus du centre peut créer une pression excessive sur le bord de l'insert, accélérant l'usure.

Surplomb et rigidité des outils

Les outils carbure sont fragiles et sensibles à la déflexion. La réduction du surplomb des outils améliore la rigidité et réduit le risque de vibration et de déchiquetage des bords. En règle générale, le surplomb ne doit pas dépasser la hauteur de la tige de plus de 1,5 à 2 fois. Par exemple, une tige carrée de 20 mm ne doit pas s'étendre de plus de 30 à 40 mm du porte-outil.

Insérer le serrage et le siège

Les inserts doivent être solidement serrés et correctement assis dans le porte-outil. Les inserts non bien assis ou non peuvent se déplacer pendant la coupe, provoquant des inexactitudes dimensionnelles et une rupture. Nettoyez la poche de l'insert et les surfaces de la banquette avant l'installation. Utilisez une clé de couple pour appliquer la force de serrage recommandée.

Paramètres de coupe optimisés

La vitesse de coupe, la vitesse d'alimentation et la profondeur de coupe influent directement sur la durée de vie de l'outil, la finition de la surface et l'efficacité d'usinage.

Vitesse de coupe

Les outils de carbure peuvent fonctionner à des vitesses de coupe nettement plus élevées que les outils HSS, généralement de 100 à 300 m/min pour l'acier, 150 à 400 m/min pour l'acier inoxydable et 300 à 800 m/min pour l'aluminium. Cependant, la vitesse optimale dépend de la qualité et du revêtement spécifiques des carbures. Courir à une vitesse trop élevée génère une chaleur excessive, accélérant l'usure des flancs et l'usure des cratères. Courir à une vitesse trop faible peut causer une bordure intégrée et une finition superficielle médiocre.

Taux d'alimentation

Pour les inserts de carbure, un point de départ commun est 0,1-0,4 mm/rév pour le roulage et 0,05-0,15 mm/rév pour le finissage. Les taux d'alimentation légers réduisent les forces de coupe et améliorent le fini de surface mais peuvent causer le frottement si l'épaisseur de la puce tombe sous le rayon du bord du hone. Les taux d'alimentation élevés augmentent les taux d'enlèvement des matériaux mais aussi augmentent la contrainte sur le bord de l'insert. Pour les coupures interrompues, réduire le taux d'alimentation de 20-30 % pour minimiser la charge d'impact.

Profondeur de la coupe

Pour les passes de roulage, les profondeurs de 1 à 5 mm sont courantes, selon la taille de l'insertion et le matériau. Pour les passes de finition, les profondeurs de 0,2 à 0,5 mm produisent de bonnes finitions de surface. Une profondeur excessive de coupe peut surcharger l'insertion et causer une rupture des bords, en particulier dans les matériaux durs. Lors de l'usinage des aciers ou superalliages durcis, réduire la profondeur de coupe et utiliser une qualité plus dure.

Refroidissement et lubrification

La gestion de la chaleur est l'un des facteurs les plus importants dans la performance de l'outil de carbure. La chaleur excessive accélère l'usure, réduit la durée de vie de l'outil et peut causer une fissuration thermique de l'embout.

Méthodes d'application du liquide de refroidissement

Pour les outils de carbure, les systèmes de refroidissement à haute pression (40-100 bar) assurent une meilleure pénétration et une évacuation des puces. Le liquide de refroidissement par l'outil, où le liquide de refroidissement est livré à travers le support de l'outil au bord de coupe, est particulièrement efficace pour les alésages profonds et les rugissements lourds. Pour les matériaux qui sont sujets au durcissement, tels que l'acier inoxydable et les superalliages, maintenir une couverture de liquide de refroidissement constante empêche l'accumulation des bords et réduit la production de chaleur.

Considérations relatives à l'usinage à sec

L'usinage à sec est souvent possible avec des outils en carbure enduit, surtout lorsque l'on utilise des revêtements TiAlN ou Al2O3 qui assurent une protection thermique. L'usinage à sec élimine les coûts d'élimination du liquide de refroidissement et les préoccupations environnementales. Cependant, il faut contrôler soigneusement les paramètres de coupe pour éviter la surchauffe. Pour les opérations à sec, utiliser des vitesses de coupe plus élevées avec des débits d'alimentation plus faibles et assurer une évacuation adéquate des puces.

Concentration et qualité du liquide de refroidissement

La concentration de réfrigérants solubles dans l'eau doit être maintenue dans la plage recommandée par le fabricant, généralement de 5 à 10 %. La faible concentration réduit les performances de refroidissement et de lubrification, tandis que la forte concentration peut causer une mousse et une irritation cutanée.

Contrôle de la détention et des vibrations

Les vibrations sont une cause commune de défaillance prématurée de l'outil, de faible finition de surface et d'inexactitudes dimensionnelles dans les opérations de tour CNC. Les outils de carbure, étant fragiles, sont particulièrement sensibles aux éclats provoqués par les vibrations.

Fixation de pièce de travail

Pour le travail de l'arbre, utilisez un centre de repos ou de queue stable pour soutenir la pièce. Pour le travail de la mèche, assurez-vous que les mâchoires sont correctement alignées et serrées. Une force de préhension excessive peut déformer les pièces à paroi mince, tout en ne permettant pas de déplacer la pièce. Utilisez des mâchoires souples ou des appareils personnalisés pour les pièces de forme irrégulière pour distribuer uniformément la pression de serrage.

Détruire le support d'outils

Les porte-outils à ampoules réduisent le bruit et améliorent la finition de la surface. Ces porte-outils utilisent un amortisseur de masse ou une couche viscoélastique pour absorber l'énergie vibratoire. Ils sont particulièrement utiles pour les applications à longue portée, comme le tournage interne et ennuyeux.

Condition de la broche et de la machine

L'état du tour CNC lui-même affecte les performances de l'outil. Les roulements de broches, les tourelles mal alignées et les moyens lâches contribuent tous à la vibration et à l'inexactitude. L'entretien régulier de la machine, y compris les contrôles de l'écoulement des tourelles, la vérification de l'alignement des tourelles et la lubrification de la façon, assure des conditions de coupe stables.

Considérations spécifiques aux matériaux

Différents matériaux de pièce imposent des exigences différentes sur les outils de carbure. L'adaptation de la sélection des outils, de la géométrie et des paramètres au matériau est essentielle pour des résultats optimaux.

Acier et acier allié

Pour l'usinage général de l'acier, un insert en carbure revêtu avec une qualité de dureté moyenne est approprié. Pour les aciers durcis de plus de 45 HRC, utilisez une qualité plus dure avec un insert en T ou à bout CBN, ou une qualité de carbure spécialement conçue pour le tournage dur. Les géométries de râteau positives réduisent les forces de coupe et améliorent la finition de surface, tandis que les géométries de râteau négatives fournissent une résistance de bord pour les rugissements lourds. Vitesses de coupe recommandées pour l'acier de 100 à 300 m/min, avec des vitesses d'alimentation de 0,1 à 0,4 mm/rév et des profondeurs de coupe jusqu'à 5 mm pour l'usinage.

Acier inoxydable

L'acier inoxydable, particulièrement les nuances austénitiques (304, 316), est sujet au durcissement et à l'armature. Les outils en carbure avec des bords tranchants et des angles de râteau positifs aident à réduire les forces de coupe et à réduire le durcissement de travail. Utilisez une qualité avec une ténacité élevée et un revêtement qui assure une bonne lubrification, comme le TiCN ou un revêtement multicouche.

Aluminium et métaux non ferreux

Pour l'aluminium, utiliser des inserts de carbure non couchés ou recouverts de diamant avec une surface polie pour empêcher les bords de construction. Des angles de râteau positifs élevés et des bords tranchants produisent des coupes propres et d'excellentes finitions de surface. Les vitesses de coupe de 300-800 m/min sont courantes, avec des vitesses d'alimentation de 0,1-0,5 mm/rév. Pour le laiton et le bronze, utiliser une approche similaire mais avec des vitesses légèrement plus faibles.

Superalliages et matériaux exotiques

Les superalliages à base de nickel (Inconel, Hastelloy) et les alliages de titane sont parmi les matériaux les plus difficiles pour les outils en carbure. Ces matériaux conservent une haute résistance à des températures élevées et sont abrasifs aux bords de coupe. Utilisez une qualité avec une dureté chaude élevée et un revêtement qui fournit des propriétés de barrière thermique, comme TiAlN ou Al2O3. Réduisez les vitesses de coupe à 20-50 m/min pour les superalliages et à 30-80 m/min pour le titane. Utilisez des profondeurs légères de coupe et des débits d'alimentation modérés.

Gestion de la vie des outils et surveillance de l'usure

Maximiser la durée de vie des outils tout en maintenant la qualité nécessite une surveillance systématique de l'usure des outils. Les outils de carbure échouent généralement par l'usure des flancs, l'usure des cratères, l'usure des encoches ou les éraflures.

Port d'un pli

L'usure du flanc est généralement de 0,2 à 0,4 mm pour la finition et de 0,4 à 0,8 mm pour la rouille. Lorsque l'usure du flanc dépasse ces limites, la finition de la surface se détériore et les forces de coupe augmentent. Pour réduire l'usure du flanc, augmenter la vitesse de coupe, utiliser une qualité plus dure ou appliquer un revêtement plus résistant à l'usure.

Port de cratères

L'usure du cratère est plus courante dans l'usinage à grande vitesse de l'acier. Pour réduire l'usure du cratère, réduire la vitesse de coupe, utiliser un revêtement avec une meilleure stabilité thermique, ou passer à une qualité avec une dureté plus élevée.

Port de notch

L'usure des notchs se produit à la profondeur de la ligne de coupe, souvent en raison d'une couche ou d'une échelle durcie sur la pièce. Il est courant dans les superalliages et les coulées d'usinage. Pour atténuer l'usure, varier la profondeur de la coupe pour distribuer l'usure, utiliser un insert rond qui présente un angle de fiançailles changeant, ou appliquer un revêtement qui résiste à l'oxydation.

Chipping et bris

Pour éviter les éraflures, utilisez une qualité plus dure, réduisez le débit d'alimentation, assurez-vous d'une bonne hauteur centrale et maintenez un débit de liquide de refroidissement adéquat. Évitez d'engager l'outil avec un bord usé ou à un angle tranchant de la pièce. Lorsque vous commencez une coupe, utilisez une approche douce pour réduire la charge d'impact.

Erreurs courantes et comment les éviter

Même les machinistes expérimentés peuvent faire des erreurs avec l'outillage en carbure. La sensibilisation aux pièges communs aide à prévenir les erreurs coûteuses.

  • Rigidité excessive de l'outil:[ Le carbure est dur mais fragile. Des surplombs excessifs, des pinces lâches ou des composants de machine usés peuvent entraîner des vibrations et des éraflures.
  • Hauteur du centre incorrecte:[ Un ensemble d'outils trop haut ou trop bas modifie l'angle de râteau efficace et augmente la contrainte sur l'insert. Utilisez un pré-sommeil d'outil et vérifiez régulièrement la hauteur du centre.
  • Utiliser la mauvaise qualité pour le matériau:[ Une qualité dure peut chip dans les coupes interrompues, tandis qu'une qualité dure peut s'user rapidement dans les coupes continues.
  • Livraison de liquide de refroidissement à ne pas être utilisé :[ Un refroidissement inadéquat accélère l'usure et peut provoquer des fissures thermiques.
  • Running à des vitesses ou des flux inappropriés:[ Une vitesse trop élevée cause des dommages thermiques, tandis qu'une vitesse trop faible provoque des bords accumulés.
  • Ignorer le contrôle des puces :[ Des puces longues et à cordes peuvent endommager la pièce et l'outil. Sélectionnez un insert avec le disjoncteur de puce approprié et ajustez le débit d'alimentation pour activer la rupture des puces.
  • Réutiliser les inserts usés : Un insert usé augmente les forces de coupe et dégrade la finition de la surface. Remplacez les inserts au premier signe d'usure excessive ou de copeaux.

Conclusion

Les outils carbures offrent des avantages importants dans les opérations de tour CNC, y compris des vitesses de coupe plus élevées, une durée de vie plus longue et des finitions de surface supérieures. Ces avantages ne sont réalisés que lorsque les meilleures pratiques sont suivies tout au long du processus d'usinage. Une sélection adéquate d'outils basée sur la géométrie, le revêtement et la qualité garantit que l'outil correspond aux exigences du matériau de la pièce à usiner et de l'opération. La bonne configuration et l'alignement maintiennent l'intégrité des bords de coupe et empêchent toute défaillance prématurée.