Techniques de fabrication Dur, dur l'usinage dur ?

Related Vendors

Kubo Tech AG

Kärcher AG

Applitec Moutier SA

L'usinage des matériaux durs n'est pas nouveau en soi, cependant, les solutions d'usinage disponibles se sont grandement diversifiées ces dernières années.

Pendant longtemps, les principales solutions d'usinage pour les matériaux durs se concentraient avant tout autour de deux procédés : la rectification et l'électroérosion.

Si le terme « usinage dur » est utilisé pour tous les procédés qui permettent de travailler les matériaux durs, il sera ici associé à l'usinage par enlèvement de copeaux, en opposition à l'abrasion ou à l'étincelage.

Galerie d'images

Galerie d'images avec 5 images

Aujourd'hui, l'usinage dur est, pour ainsi dire, à la portée de tous. Que ce soit par tournage, fraisage ou perçage, les outils nécessaires à ces opérations diffèrent assez peu des outils standards pour le travail des matériaux dits tendres.

Classification des matériaux durs

Par convention, on parle généralement de matériaux durs à partir d'une dureté égale ou supérieure à 45 HRC. Il y a deux grandes catégories de matériaux durs. La première comprend les aciers qui ont été durcis par traitements thermiques. Il s'agit principalement d'aciers au carbone, d'aciers alliés, d'aciers de cémentation ou de nitruration, et d'aciers outils. Pour ces matériaux, un procédé classique de trempe avec revenu permet d'en augmenter la dureté pour des valeurs comprises entre 45 et environ 70 HRC.

D'autres matériaux se prêtent également à la trempe, comme certains aciers inoxydables, les cupro-bérylliums, certaines fontes ou encore le verre.

La seconde comprend les matériaux durs « par nature ». On y retrouve le métal dur (carbure), les céramiques, le silicium, le nitrure de bore, les ferrites, les pierres précieuses et semi-précieuses, ou encore les minéraux (granit).

Il existe encore une famille de matériaux avec des duretés proches ou supérieures à 45 HRC, c'est celle des alliages réfractaires. On retrouve dans cette catégorie les alliages à base de nickel, les alliages chrome-cobalt et les alliages de titane. Si leurs duretés les rapprochent des matériaux durs, ils sont classés dans la catégorie des superalliages.

La trempe, une méthode simple et efficace

Depuis des millénaires, la trempe est maîtrisée par les maîtres forgerons à travers le monde. La trempe dispose d'un avantage considérable : elle permet de travailler des matériaux doux avec des outils standards et économiques. L'objet ou la pièce est entièrement façonné/usiné de manière conventionnelle avant de subir une trempe pour en augmenter la dureté. Le matériau à tremper est chauffé à une certaine température avant d'être refroidi rapidement dans un liquide, habituellement de l'eau ou de l'huile. Une fois le matériau trempé, il ne peut plus être travaillé de manière conventionnelle et doit être terminé par abrasion. La trempe est rarement faite à cœur, car si elle augmente de manière très significative la dureté d'un acier, elle le rend également cassant. Généralement, l'épaisseur de la trempe est comprise entre quelques dixièmes de millimètre et plusieurs millimètres. Mais certains aciers se prêtent bien à la trempe à cœur, comme par exemple l'Hardox Extreme, qui est disponible sous forme de tôles fortes trempées à cœur à 60 HRC.

Dans l'industrie, la trempe a toujours sa place et n'est pas près d'être remplacée, mais la séquence des opérations a changé avec la démocratisation de l'usinage dur. Certaines pièces peuvent aujourd'hui être directement usinées à partir d'un brut trempé à cœur. C'est un gain de temps par rapport à la méthode classique qui consiste à faire tous les usinages avant trempe, en laissant une surépaisseur sur les parties qui devront ensuite être terminées par rectification.

Le cas de l'électroérosion est un peu à part, car ce procédé n'a aucune limitation quant à la dureté du matériau à usiner. Le métal dur et les aciers à haute dureté peuvent être usinés très facilement avec un très haut degré de précision. Cependant, il souffre de trois limitations importantes. La première, c'est que ce procédé ne fonctionne qu'avec des matériaux électriquement conducteurs. La seconde est que, pour usiner des formes complexes en trois dimensions, il est nécessaire de travailler par enfonçage. Cette approche nécessite la fabrication, par fraisage, d'électrodes complexes, ce qui rend l'opération coûteuse. La dernière limitation, c'est la vitesse d'exécution du procédé, qui est plutôt lente.

L'usinage dur par enlèvement de copeaux

Si la rectification reste la principale solution pour la finition des pièces trempées, grâce à sa capacité à usiner des matériaux durs, c'est surtout sa très grande précision qui la rend incontournable. Cependant, l'évolution des matériaux de coupe, et encore plus celle des revêtements de surface, a ouvert de nouveaux horizons en matière de fabrication. Aujourd'hui, il n'est pas inutile de se poser la question du procédé à utiliser pour usiner une pièce dure. Que ce soit en termes de coûts ou de temps, les procédés d'usinage classiques ont des arguments très solides à faire valoir face à la rectification.

La dureté intrinsèque du métal dur lui permet déjà, même sans revêtement, d'usiner nombre d'aciers trempés avec une assez grande facilité. Cependant, l'usure des outils reste un frein à l'utilisation de ce procédé. C'est ici que le revêtement entre en jeu. Malgré sa très faible épaisseur, sa dureté extrême lui permet de travailler des matériaux trempés jusqu'à 70 HRC sans grande difficulté, pour un coût inférieur à celui des outils en CBN.

L'usinage dur par enlèvement de copeaux se prête très bien aux opérations de tournage, fraisage, perçage, alésage et filetage. Que l'on utilise du métal dur ou du CBN (nitrure de bore cubique), il n'est pas nécessaire de disposer d'un parc machines spécifique. De plus, ces outils sont parfaitement adaptés aux conditions de coupe UGV et aux stratégies d'usinage modernes, comme le fraisage trochoïdal. Cela ne nécessite donc pas de disposer de machines extrêmement rigides ou puissantes pour se lancer dans l'usinage dur.

Le tournage dur

Le tournage dur réuni plusieurs avantages par rapport à la rectification. Il est environ 3 fois plus rapide et économique. Il permet également d'atteindre un très haut niveau de précision et d'excellents états de surface. Une circularité de 0,2 μ, des tolérances égales ou inférieures à ± 5 μ, et un Rz inférieur à 2 μ sont des valeurs standards pour des opérations de tournage dur. Ce procédé réduit également les frottements à la surface de l'outil tout en favorisant l'évacuation des copeaux. Ces derniers sont également beaucoup plus faciles à évacuer et à recycler que les boues issues de la rectification. La réalisation de formes complexes s'effectue simplement, sans nécessiter le taillage de meules de formes. Toutes les opérations de tournage doux sont possibles en tournage dur à l'exception du taraudage.

Les matériaux de coupe les mieux adaptés dépendent principalement de la dureté du matériau à usiner et du volume de pièces à fabriquer. Pour des opérations ponctuelles ou de petites séries dans un matériaux de dureté moyenne à élever, un substrat en métal dur avec un revêtement PVD approprié fera parfaitement l'affaire. Pour des duretés égales ou inférieures à 50 HRC, le métal dur peut être considéré comme une excellente solution même pour d'importantes séries. C'est la meilleure solution en termes de coûts, de diversité des géométries de brise-copeaux et de revêtements. Le métal dur supporte bien les profondeurs de passe et les avances importantes mais avec des vitesses de coupe assez faibles.

De manière générale pour le tournage des aciers trempés, le CBN reste la solution la plus performante. Plus cher que le métal dur, son utilisation pour des applications de tournage est cependant assez économique car il n'est pas nécessaire de travailler avec des outils monobloc. La majorité des plaquettes CBN sont fabriquées avec un support en métal dur sur lequel on vient braser l'insert en CBN. Comme les plaquettes standards, elles peuvent avoir plusieurs côtés utilisables ce qui les rends encore plus économiques. Il existe également des plaquettes monoblocs plus chères mais plus solides qui permettent des profondeurs de coupe plus importantes. Le CBN peut également profiter d'un revêtement pour encore améliorer ses performances. La majorité des inserts CBN sont très simples géométriquement, un angle de coupe nul et pas de brise-copeaux. Aujourd'hui, la technologie laser permet la création de brise-copeaux complexes, ce qui rend le CBN encore plus attractif. Il supporte des vitesses de coupe plus élevées que le métal dur, jusqu'à 250 m/min environ. Résistant à l'usure et aux hautes températures, le CBN est parfaitement adapté au tournage des aciers trempés.

Une dernière catégorie de matériaux de coupe se prête également bien au tournage dur sous certaines conditions. Ce sont les céramiques, principalement l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃). Ce matériau manque de ténacité à la rupture et supporte mal les chocs thermiques mais se comporte très bien lors de coupes continues ou faiblement interrompues.

Le tournage dur diffère peu du tournage doux. Le plus important est de respecter les paramètres de coupe donnés par le fabricant, tout du moins au départ, pour ne pas laisser l'outil dans la pièce à la première passe. La stabilité et la rigidité sont rarement un problème en tournage dur. Il n'y a donc pas d'attentions particulière à porter à ce point, si ce ne sont les recommandations habituelles : des porte-à-faux aussi faibles que possible et des serrages au couple approprié. Le choix de la géométrie de coupe, positive ou négative, a la même incidence que pour le tournage doux. Il en va de même pour le brise-copeaux.

La température au niveau de l'arrête de coupe et de la pièce est le paramètre le plus important à gérer par rapport au tournage doux. Les températures peuvent atteindre les 500 à 1500 °C. Si le matériau de coupe doit pouvoir résister à ces températures extrêmes sans casser, elles sont bénéfiques aux efforts de coupe qui profitent d'un matériau ramolli par la chaleur. Corolaire de ce processus, les chocs thermiques sont à éviter absolument. Raison pour laquelle le tournage dur est très souvent effectué à sec. Les coupes fortement interrompues posent également des problèmes et nécessitent des nuances de carbure ou de CBN particulières ainsi que des géométries de plaquettes très stables.

Pour la production en série, il est plus intéressant de se tourner vers un tour dédié au tournage dur qui sera mieux adapté. Mais n'importe quel tour un temps soit peu rigide avec une broche équipée de roulements correctement dimensionnés sera à même de travailler avec des matériaux durs.

Fraisage, perçage et filetage dnas des matériaux durs

Le fraisage dur diffère du tournage dur principalement par la complexité géométrique des outils utilisés. On passe d'une configuration avec outils fixes et pièce tournante à l'égale inverse en fraisage. Cela limite l'utilisation d'outils en CBN car il faudrait des outils monoblocs pour couvrir la plage de diamètre disponible avec les fraises en métal dur. Cependant, le CBN peut être utilisé avec certaines limitations en termes de dimensions des outils. Pour les grands diamètres, le problème ne se pose pas. Il suffit d'utiliser une fraise à plaquettes et de remplacer le métal dur par du CBN. Pour les petits diamètres et les micro-outils, l'offre de fraises CBN est importante tant en termes de dimensions que de géométries. Ces outils sont fabriqués de manière très similaire aux plaquettes de tournage avec un insert brasé sur un corps en carbure. Ils présentent cependant certaines limitations. Une classique fraise en bout en CBN sera construite avec deux arrêtes droites rapportées/brasées. L'absence d'angle d'hélice rend la coupe bruyante, le nombre de dents est limité, tout comme la longueur utile, et la coupe au centre n'est pas toujours présente. De plus, ces outils sont souvent limités à un diamètre maximal de 6 mm pour des prix qui atteignent rapidement le demi-millier de francs.

Entre 6 et 20 mm, l'offre de fraise en CBN est faible, voire inexistante, à moins de faire fabriquer des outils sur mesure. Pour combler ce fossé entre les plus grandes fraises monoblocs ou à insert brasé et les plus petites fraises à plaquettes vissées, seul le métal dur reste en lice.

L'utilisation de fraise, de forets ou de fraises à fileter dans des matériaux durs ne nécessite que peu de modifications par rapport à l'usinage doux. Nombre d'outils présents dans nos layettes d'atelier sont déjà capables de travailler dans des aciers durcis. Néanmoins, les fabricants d'outils de coupe proposent depuis plusieurs années des gammes d'outils optimisés pour l'usinage dur. Si la qualité du substrat a son importance, c'est surtout le revêtement et la préparation des arêtes de coupe qui font la différence. L'essentiel, c'est la maîtrise de l'usure des outils. Le revêtement fait la plus grande partie du travail, c'est donc lui qu'il faut préserver, car sa dureté dépasse celle du substrat qu'il recouvre. Son usure prématurée réduira de manière très significative la capacité de coupe de l'outil. Pour réduire le risque de casse prématurée de l'outil, l'application des bons paramètres de coupe est, comme toujours en usinage dur, le point de départ de toute fabrication réussie. L'adaptation de ces paramètres se fera au fur et à mesure de la production en fonction de l'expérience acquise. L'ouïe reste un outil très performant, tout comme les données remontées par la machine à l'opérateur : couple à la broche, efforts sur les axes, vibrations, etc., pour ajuster plus finement les paramètres de coupe.

Le choix des mandrins de serrage des outils est également important. Comme pour n'importe quelles opérations de fraisage, la rigidité de l'ensemble broche/mandrin/outil doit être la plus importante possible. La concentricité et l'équilibrage doivent être élevés. Les pièces à usiner nécessitent également d'être fixées solidement. L'utilisation de l'arrosage est souvent conseillée avec les outils en carbure, mais là encore, mieux vaut se renseigner directement auprès du fabricant pour connaître les meilleures conditions d'utilisation d'un outil.

Tout comme le tournage dur, le fraisage dur présente de nombreux avantages. Réduction des coûts et des temps de fabrication, excellents états de surface et bonne précision dimensionnelle et géométrique.

Très souvent le fraisage dur est la seule solution pour fabriquer une pièce de forme. Les géométries complexes obtenues par fraisage ne peuvent pas être obtenues par planage. Seule l'électroérosion par enfonçage peut reproduire des formes très complexes mais à un coût rédhibitoire, et bien souvent avec plusieurs reprises et électrodes. L'électroérosion à fil est parfaitement appropriée aux contours 2D complexes et peut, en configuration 5 axes, en faire un peu plus mais sans atteindre la liberté offerte par le fraisage. Les autres opérations couramment effectuées sur un centre de fraisage peuvent également être réalisées dans du dur. Les procédés de perçage, d'alésage à l'outil ou au burin, ou de fraisage de filets, s'adaptent sans peine aux matériaux durs. Des conditions de coupe UGV et des stratégies d'usinage modernes sont applicables au fraisage dur. On trouve par exemple sur le marché des fraises extra longues développées pour le fraisage trochoïdal dans des aciers traités jusqu'à 70 HRC. Bien entendu, les problèmes rencontrés dans le doux se retrouveront dans le dur. C'est tout particulièrement le cas pour les opérations de perçage profond, où la gestion de l'évacuation des copeaux doit être surveillée attentivement.

À ma connaissance, il n'existe pas de centres de fraisage spécialement dédiés à l'usinage dur. Dans la pratique, ce seront toujours les machines les plus rigides et les plus précises qui donneront les meilleurs résultats. Là encore, rien ne diffère vraiment de l'usinage doux.

Économiser du temps et de l'argent

L'usinage dur par enlèvement de copeaux est un procédé simple et économique. Simple car il utilise les mêmes outils, ou presque, que dans le doux, et économique car il n'implique pas l'utilisation de machines spéciales.

Les temps de cycle sont courts et les volumes de copeaux importants. Ce procédé devrait être envisagé chaque fois que des opérations d'usinage après trempe doivent être réalisées. Il ne remplacera pas la rectification, particulièrement lorsque l'on recherche une précision géométrique et dimensionnelle très fine. Cependant, il a l'énorme avantage de permettre l'usinage de formes très complexes à moindre coût.

Mais l'usinage dur, que ce soit par fraisage ou tournage, va encore plus loin. Usiner du métal dur ou même des céramiques avec des outils en métal dur peut sembler irréalisable. Pourtant, grâce aux revêtements disponibles actuellement, cela est possible et pas juste pour dépanner.

L'exemple le plus convaincant est de surcroît suisse. L'entreprise neuchâteloise Borotec a usiné, sur un centre Hermle C22, une montre factice en carbure de tungstène avec un remontoir en zirconium ! Cette première mondiale a été présentée lors de l'EMO 2017. Pour redécouvrir en détail cet exploit, il suffit de se rendre sur notre site internet (msm.ch) et de taper « Borotec » dans le moteur de recherche. MSM

(ID:50197060)