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Fraisage dur et procédé trochoïdal : Une association gagnante ! Le cas d'école d'Autodesk et Union Tool

| Auteur / Rédacteur: Gilles Bordet, source Union Tool - Autodesk / Gilles Bordet

Le fraisage dur, dénomination communément utilisée pour nommer les processus d'usinage des matériaux durs par des moyens classiques, est une alternative très intéressante aux procédés de rectification et d'électro-érosion.

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La pièce de démonstration est un bloc en acier 1.2344 traité à 54HRC de 100 mm de côté avec plusieurs plans inclinés et pas mal de « recoins » à évider. Ici en cours de fabrication avec un centre d’usinage 5 axes Hermle C22 U.
La pièce de démonstration est un bloc en acier 1.2344 traité à 54HRC de 100 mm de côté avec plusieurs plans inclinés et pas mal de « recoins » à évider. Ici en cours de fabrication avec un centre d’usinage 5 axes Hermle C22 U.
(Source : Union Tool)

Lorsque l'on parle de matériaux durs on les catégorise généralement en deux familles.

La première est celle des matériaux tendres ayant subi un durcissement par traitement thermique ou chimico-thermique (trempe, cémentation, nitruration, etc...). La seconde regroupe les matériaux naturellement durs comme les carbures, les céramiques, les minéraux et bon nombre de matériaux frittés.

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Le fabricant d'outils de coupe japonais Union Tool a un train d'avance en matière d'expertise dans le domaine du fraisage dur, comme d'ailleurs bon nombre d'entreprises japonaises, et propose actuellement un des plus vaste choix en matière de fraises dédiées aux matériaux à dureté élevée.

Sont généralement englobés dans la famille des matériaux durs toute matière avec une dureté comprise entre 35 et 70 HRC. Pour les aciers une teneur en carbone de minimum 0,4 % est indispensable pour que l'acier prenne une dureté suffisante après tempe.

Un procédé pas encore assez démocratisé mais ô combien efficace

Union Tool Europe SA est situé à Marin dans la périphérie neuchâteloise proche de l'entreprise Borotec SA qui abrite le Tech Center européen du fabricant japonais. C'est là que la pièce de démonstration décrite dans cet article a été usinée.

Il s'agit d'un bloc d'acier 1.2344 (X40CrMoV5-1) trempé à 54HRC de 100 mm de côté.

Avant de rentrer dans le vif du sujet et de détailler les processus d’usinage et les outils sélectionnés par Union Tool pour fabriquer cette pièce, il est intéressant de présenter pour ceux qui ne le connaisse pas le procédé de fraisage dit trochoïdal.

L’avènement des fraises en carbure monobloc a ouvert en grand les portes aux nouveaux procédés d’usinage HPC/HSPC (High-performance cutting / High Speed Perfomance Cutting). Mais ces premières ne sont pas pour autant utilisées à bon escient. Le manque de connaissances en matière de stratégies d'usinage à associer avec ces outils de coupe high-tech en est souvent la cause. Trop souvent les fraises ne sont usées que sur une portion congrue, généralement le sommet des dents et le premier tiers de l'outil. Dans ces conditions il est compréhensible que l'intérêt d'utiliser des fraises monobloc pour des opérations d'ébauche soit remis en question au profit des fraises à plaquettes bien plus économiques. Mais utilisée dans les meilleures conditions, une fraise monobloc est supérieure dans tous les domaines à sa concurrente à plaquette (profondeur de passe, douceur de coupe, stabilité, qualité des états de surface, bruit.)

Le fraisage trochoïdal est un processus d’usinage permettant d'utiliser la totalité de la hauteur de coupe d'une fraise monobloc tout en réduisant les efforts de coupe et en prolongeant la durée de vie de l'outil. Du grec trochos (roue), le fraisage trochoïdal aussi communément appelé fraisage en tourbillon peut se définir comme l'interpolation circulaire, mais avec un mouvement en avant simultané communément appelé pas. La fraise enlève des « lamelles » successives de matière en suivant une trajectoire en spirale continue le long d'une ligne droite ou d'un profil. Le cercle n'est pas obligatoirement la géométrie de base pour un fraisage en tourbillon, une ellipse ou un oblong sont aussi valables, voir illustration 1.

Informations additionnelles
interview
Etat des lieux en matière de fraisage dur en Suisse et évolutions futures

MSM : Depuis combien d’années Union Tool fabrique des outils adaptés au fraisage dur ?

Raphaël Gravois : Union Tool travaille sur ce sujet depuis 2006 en recherche et a proposé les premières solutions en 2008, depuis notre division de Recherche et Développement est toujours très active dans le domaine des matériaux notamment sur le Carbure de Tungstène, Nitrure de bore Cubique (cBn).

La matière première de l’outil coupant est primordial mais elle seul ne peut fournir une solution complète, les revêtements et la géométrie de l’outil (angle de coupe, angle d’hélice,…) ont aussi un rôle capital.

MSM : Quel est l’état de la démocratisation de ce procédé d’usinage en Suisse ?

Raphaël Gravois : Francesco Magri et Daniel Dietsch tous deux Conseiller Technique chez Six Sigma Tools AG (notre distributeur et partenaire en Suisse) sont très optimistes sur ce sujet, en Suisse les clients sont très réceptifs pour plusieurs raisons :

Ce procédé réduit considérablement le temps de production ce qui apporte une souplesse dans les délais.

En plus de réduire le nombre d’outils coupant nécessaire, une réduction de manipulations des dites pièces est aussi restreinte avec dans les meilleurs cas un seul montage. Ainsi le nombre de machines impliquées et d’acteurs dans le processus est optimisé.

MSM : Quels supports et services Union tool propose à ses clients en matière d’usinage dur ?

Raphaël Gravois : Les supports et services sont variés et s’adaptent selon les besoins des clients. Nous conseillons depuis l’outil coupant jusqu’à la stratégie d’usinage, nous nous déplaçons (soit Union Tool soit les distributeurs, Six Sigma Tools en Suisse). Nous avons un réseau de distribution en Europe articulé autour de deux principes, la proximité avec le client et une réelle expertise dans l’usinage, afin de garantir un support de qualité et proposer la meilleure solution pour le client.

MSM : Dans ces conditions quel est l’avenir des outils CBN ? Restent-ils complémentaires ou seront-ils supplantés par les outils en carbure plus économiques ?

Raphaël Gravois : Les outils CBN ont toujours leurs place dans l’usinage du trempé et principalement en super finition.

Même si le Nitrure de Bore cubique possède de très bons avantages tels que sa dureté, le fait qu’il soit diélectrique (sauf si le liant est métallique) empêche tout revêtement PVD (physical vapor deposit).

Les applications CBN se trouvent dans un marché dit de niche, par exemple dans les applications « optiques » où les clients recherchent des états de surface de 10 à 40 Nanomètres (Ra 0.01 – Ra 0.04 μm) avec des temps d’usinage en finition dépassant les 10 à 15 heures.

Sur ce genre d’applications un outil en carbure de tungstène revêtu n’est pas encore capable de rivaliser et de tenir une qualité de surface aussi précise sur une telle durée.

Lorsque nous atteignons ce genre de challenge, la précision et l’état de surface sont aussi primordiaux l’un que l’autre. Union Tool travaille toujours sur de nouvelles géométries d’outil que ce soit en carbure de tungstène ou CBN. Les avancées sont moins rapides sur les CBN mais nous avons récemment introduit de nouvelles géométries en CBN qui repoussent les limites « établies » par nos grands challengers.

Des outils à hautes performances parfaitement mis en œuvre

La pièce usinée au Tech Center d'Union Tool à Marin est un démonstrateur de l'expertise du fabricant en matière d'usinage dur mais aussi une vitrine de l'ensemble des technologies intégrées à ses outils de dernière génération. Une information important à connaitre au sujet d'Union Tool, c'est que l'entreprise n’utilise pas des machines du marché, Rollomatic ou autres, mais fabrique ses propres machines pour la rectification et le taillage de ses outils, ceci à fin de garantir un niveau exceptionnel de qualité et des performances extrêmes. Elle maîtrise aussi la complexe chimie des revêtements de surface et leur délicate mise en œuvre.

La stratégie d'usinage a été élaborée avec le logiciel de FAO Autodesk PowerMill 2018 et sa fonction Vortex permettant l'utilisation du procédé trochoïdal. Si ce procédé est généralement associé uniquement au fraisage de rainures, il peut parfaitement être utilisé, comme c'est le cas ici, pour des opérations d'ébauche bien plus vastes. Pour usiner cette pièce complexe en toute sécurité c'est avant tout un ensemble de conditions qui doivent être réunies, à commencer par l'outil. Union Tool a sélectionné une fraise d'ébauche torique CXLRS 5120-20-48 à 5 dents de diamètre 12 mm, rayon 2 mm, 24 mm de coupe et 48 mm de longueur effective. Cet outil réunit de nombreuses solutions high-tech comme une denture et une hélice à pas variable, un revêtement UTcoat très performant et une géométrie de coupe positive qui assurent un fraisage stable dans des conditions de vitesse élevée. Sa conception très rigide avec des rayons de coin intégrés réduit de manière importante les efforts de coupe. Cette gamme d'outil n'est pas particulièrement dédiée à l’usinage des matériaux durs mais peut travailler dans bon nombre de matériaux tendre et trempés jusqu'à 55 HRC, une polyvalence bienvenue.

Pour assurer que l’ébauche de cette pièce puisse être effectuée dans les meilleures conditions le choix de la liaison broche-outil s'est portée sur un attachement hydraulique Schunk. Mais pour Raphaël Gravois, Consultant technique et Ingénieur d'application chez Union Tool, « Lors de précédents essais les meilleurs résultats ont été obtenus avec des attachements powRgrip de Regofix. La force de serrage obtenue avec ce système est colossale et les résultats sont réellement superlatifs. »

La machine utilisée pour effectuer ces tests est le vaisseau amiral de Borotech et du Tech Center d'Union Tool, le centre d'usinage 5 axes Hermle C22 U P.

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