Quels porte-outil pour quels processus d'usinage ? Une approche systématique du porte-outil idéal

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Les machines modernes 5 axes et multitâches ainsi que les centres d'usinage de haute précision pour le micro-usinage permettent des concepts d'usinage nouveaux et performants.

Outre le type d'outil, le choix du système de serrage détermine largement le succès de l'opération d’usinage. La gamme des technologies est logiquement vaste. Une comparaison systématique permet de définir la technologie de serrage optimale pour chaque type d'usinage.

La répartition des systèmes de porte-outils dans le monde reflète les différentes exigences de chaque industrie. Alors qu'environ 60 % de ces systèmes en Europe sont des porte-outils thermiques, la proportion correspondante aux États-Unis et en Asie est respectivement de 20 % et 30 %. En revanche, les mandrins à pinces jouent un rôle beaucoup plus important en dehors de l'Europe qu'en Allemagne. La proportion des porte-outils à expansion hydraulique de haute précision varie entre 8 % et 15 % dans le monde. Lors de l'évaluation de l'évolution du marché des systèmes de porte-outils, deux aspects apparaissent clairement : en premier lieu, la variété des versions va en se diversifiant. D'autre part, les montages de précision gagnent rapidement en importance, à mesure que l'amélioration de la qualité et des performances des machines-outils augmente la demande en processus fiables et en durabilité des outils. De plus, une efficacité accrue dans la production des porte-outils de précision réduit considérablement leur coût par rapport aux porte-outils mécaniques, tels que les systèmes Weldon, Whistle-Notch ou des systèmes de mandrin à pince. Pour les porte-outils à expansion hydraulique, notamment, les prix d'entrée de gamme ont considérablement baissé. Il est donc d'autant plus important de remettre en question régulièrement les stratégies établies en termes de serrage des outils, en particulier lorsque l'on investit dans de nouvelles machines-outils.

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Évaluation du système global

Si l'on compare les différents systèmes de porte-outils, leurs caractéristiques techniques et leurs interfaces avec la broche de la machine, il apparaît clairement qu'il n'existe pas de système de porte-outil convenant parfaitement à toutes les applications. La sélection d'un système est toujours une décision unique qui repose sur divers paramètres. Le porte-outil ne doit jamais être considéré de manière isolée, mais plutôt comme un élément s'inscrivant dans le cadre de l'interaction de l'ensemble du système qui se compose d'une pièce, d'un système de serrage, d'un outil, d'un porte-outil, d'une interface de broche et d'une machine. En tant que première interface avec la pièce, le porte-outil joue un rôle essentiel, notamment parce qu'il est en mesure de compenser au moins partiellement les faiblesses du système global.

La sélection du système de porte-outil idéal doit s'effectuer en plusieurs étapes. En premier lieu, il est important de définir les critères de base ayant une influence significative sur la stabilité sous-jacente du processus. Ceux-ci incluent la force de serrage requise, la rigidité radiale, les contours de collision et, le cas échéant, l'aptitude aux applications à grande vitesse. Dans le deuxième temps, l'accent est mis sur les critères affectant la qualité, la précision et la productivité des processus. Ceux-ci incluent la précision de concentricité et la répétabilité, la qualité d'équilibrage, l'amortissement des vibrations, l'alimentation en liquide de refroidissement ainsi que la possibilité de préréglage de la longueur.

Enfin, en troisième lieu, il est conseillé d'examiner les critères économiques dans le cadre d'une analyse coûts-avantages (ex : coûts d'acquisition, durée de vie, flexibilité et capacité de réutilisation, ainsi que les frais courants d'exploitation).

Les critères de base sont essentiels à la stabilité du processus

Les critères de base pour la sélection des porte-outils sont à comprendre comme des critères rédhibitoires. Ils doivent être respectés pour que le processus d'usinage se déroule correctement.

• Force de serrage et couple :

La force de serrage du porte-outil détermine dans quelle mesure le couple à l'interface entre le porte-outil et l'outil peut être contrôlé. Si la force de serrage est suffisante, l'arête de l'outil pénètre uniformément dans le matériau. Si elle est insuffisante, l'outil commence à tourner dans le porte-outil et la coupe sera instable. Dans les cas extrêmes, l'outil peut même sortir complètement du porte-outil. La transmission du couple est obtenue de différentes manières sur les systèmes de porte-outil individuels, les outils peuvent être vissés par filetage dans le corps. Dans ce cas, le filetage doit être conçu de façon à correspondre au moins au couple de sortie. Une deuxième variante consiste en des outils serrés mécaniquement et équipés d'un entraînement positif. Un tel serrage n'est cependant efficace que si le couple en présence n'excède pas la résistance à la rupture ou au cisaillement des composants. En règle générale, ces résistances sont nettement supérieures aux couples générés lors de la découpe des métaux, et une grande fiabilité de processus est ainsi garantie pour les outils serrés mécaniquement. Enfin, la troisième option est le serrage d'outil par la force, via des connexions à pressage transversal. Dans ce cas, l'alésage qui reçoit l'outil subit l'influence de la chaleur ou de forces externes, et l'outil est serré par un chevauchement. En règle générale, les systèmes de porte-outils de précision, tels que les porte-outils à expansion hydraulique, fonctionnent selon ce principe. Dans le contexte des récentes évolutions technologiques, il a été possible d'augmenter les forces de serrage des porte-outils à expansion hydraulique à un point tel que la découpe à grand volume de copeaux puisse s'effectuer de manière fiable. Avec un diamètre de 20 mm, des couples allant jusqu'à 900 Nm sont transmis avec la technologie des mandrins expansibles hydrauliques.

• Rigidité radiale :

Une rigidité radiale élevée permet des efforts de coupe élevés. C'est donc un critère essentiel pour la découpe de gros volumes, car il influe de manière décisive sur le temps d'usinage et, par voie de conséquence, sur la productivité, mais également sur l'éventuel porte-à-faux des outils. La rigidité radiale dépend des propriétés du matériau du porte-outil (module d'élasticité) et de son traitement, de la géométrie du porte-outil et de son intégration dans l'ensemble du système de la machine-outil, notamment de l'interface vers la broche de la machine. Pour simplifier : plus le porte-outil est court, plus son diamètre est grand, plus l'unité composée de l'outil et de la fixation du porte-outil est homogène, plus la paroi de la fixation du porte-outil est solide, plus le support du cône sur la broche est conséquent, et plus la rigidité radiale est importante.

• Contour de collision :

Dans le cas de pièces entièrement usinées en seulement deux étapes de serrage sur des machines modernes à 5 axes ; l'accessibilité joue ici un rôle essentiel. Il faut alors des porte-outils minces capables de transmettre un couple suffisamment élevé tout en garantissant une précision élevée sur la pièce. Dans les espaces particulièrement exigus, il est également possible de recourir à des rallonges d'outil montées entre l'outil et le porte-outil, si nécessaire. Contrairement aux porte-outils à contour de collision optimisé avec interface de broche, les rallonges d'outil se prêtent à un usage flexible. Elles sont disponibles avec différentes technologies de serrage.

• Aptitude aux grandes vitesses :

Si la vitesse de rotation de la broche atteint 80'000 tr/min voire plus lors de l'usinage à grande vitesse, les fixations des porte-outils doivent remplir des conditions spéciales en termes de géométrie, de précision de concentricité, de qualité d'équilibrage mais également de sécurité de processus lors du changement d'outil. Plus le diamètre de serrage est réduit, plus les porte-outils universels mécaniques, les mandrins à frettage thermique et les porte-outils à expansion hydraulique atteignent fréquemment leurs limites, soit parce que l'espace disponible est insuffisant pour le mécanisme de serrage correspondant, soit parce que des outils de si petites dimensions ne peuvent plus être remplacés de manière fiable ou ajustés avec précision. D'autres techniques de serrage, telles que la technologie de serrage à polygone, qui ne contient aucune pièce mobile, prennent ici tout leur sens.

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