une usure inattendue peut vite coûter cher
L'usure des plaquettes est inévitable, mais peut être contrôlée
L'usure des plaquettes n'est pas seulement un facteur de coût dans l'usinage. Si elle n'est pas traitée correctement, elle devient de plus en plus un facteur d'incertitude dont les entreprises se passeraient bien, surtout à mesure qu'elles travaillent sans personnel. Bien appréhender le processus d'usure et les nouvelles solutions permettent de prolonger la durée de vie des plaquettes et de les rendre prévisibles.
Les arêtes de coupe usées entraînent des rejets et des interruptions de processus. Deux problèmes qui augmentent inutilement les coûts totaux de production. Tout comme les autres outils d'usinage, les plaquettes s'usent inévitablement. Cependant, la moindre usure peut avoir de lourdes conséquences. Si l'usure de la surface de contact d'une plaquette en carbure dépasse 0,2 mm, le processus d'usinage est déjà en danger. Dans le pire des cas, la pièce peut même sortir de l'étau et endommager la machine (dans le cas d'un fraisage avec plaquettes).
Calcul de la durée de vie des outils
De nombreux machinistes fondent leur détermination de la durée de vie des outils sur l'expérience et les données d'utilisation fournies par le fournisseur. Dans le passé, divers modèles mathématiques ont été créés pour calculer l'usure à l'avance. L'un des facteurs influençant la durée de vie de l'arête de coupe est l'épaisseur du copeau. Au siècle dernier, l'angle d'attaque a été ajouté comme paramètre du processus, et plus tard encore le rayon du nez de l'outil.
La température et l'usinabilité déterminent la durée de vie de l'outil
D'autres scientifiques ont ajouté d'autres facteurs au modèle mathématique afin de déterminer à l'avance la durée de vie des outils. Il s'agit notamment de la température et de l'usinabilité du matériau de la pièce. Ce sont deux aspects qui ont une relation étroite entre eux et qui peuvent être influencés par le lubrifiant réfrigérant (nous y reviendrons plus tard).
Les fabricants d'outils utilisent ces modèles et des données pratiques pour inclure des prévisions de durée de vie des outils dans leurs tableaux. Aujourd'hui, on est de plus en plus convaincu que la durée de vie des outils est particulièrement importante pour faire une déclaration sur la stabilité du processus. Le coût de la plaquette elle-même est moins important; ce qui compte, c'est le nombre de produits qui peuvent être usinés avec un seul outil et la certitude que ce nombre sera atteint.
Différents modèles d'usure
Selon la nature de l'usure, on observe un schéma d'usure différent. L'usure normale se situe sur la surface de dégagement. Il s'agit d'une conséquence inévitable de l'action des composants durs du matériau de la pièce sur le revêtement puis sur le substrat de la plaquette. Grâce à l'expérience et aux nombreux tests effectués par les fabricants d'outils, cette usure est généralement assez prévisible. Outre l'usure normale de la surface de roulement libre, d'autres formes d'usure peuvent se produire, dont les causes sont plus ou moins spécifiques. Par exemple, la pression exercée par le copeau sur la plaquette peut provoquer une accumulation des arêtes de coupe.
Cela se produit notamment dans l'acier à faible teneur en carbone, les matériaux en acier inoxydable et l'aluminium. Il existe plusieurs solutions possibles à ce problème. On peut choisir un changement de revêtement pour la plaquette, augmenter l'avance ou régler la vitesse de coupe. N'oubliez pas qu'une faible vitesse de coupe augmente le risque de formation d'arêtes. L'écaillage est dû à la combinaison du soudage par pression des copeaux et de la déformation de la surface trempée. Cela peut se produire soit sur l'arête de coupe principale, soit sur l'arête de coupe secondaire. Dans ce dernier cas, on peut choisir un revêtement différent ou un substrat plus résistant à l'usure. Si une entaille se produit sur l'arête de coupe principale, on peut choisir un type plus dur ou modifier les paramètres de coupe, par exemple en réduisant la vitesse de coupe. Le fait de refroidir (en tournant) ou d'augmenter le volume de refroidissement peut également avoir un effet positif. Les revêtements PVD réduisent le risque d'usure de l'entaille.
arête de coupe effritée
Des problèmes peuvent également survenir au niveau du substrat de sertissage, comme l'effritement du matériau dur au niveau de l'arête de coupe, ou un effritement de l'arête de coupe derrière la zone de coupe, et même la rupture de la plaque de sertissage peut se produire lors du tournage CNC. Dans ces trois formes d'usure sévère de la plaquette elle-même, la taille des grains du substrat a une grande influence. Il en va de même pour le revêtement: les revêtements PVD réduisent la probabilité d'éclatement des grains de carbure.
La plupart des fabricants de plaquettes en carbure ont aujourd'hui un programme de collecte pour recycler le carbure, souvent du carbure de tungstène. Certaines plaquettes pour le tournage de l'acier utilisent au moins 40% de matériaux recyclés. Un procédé de zingage est utilisé pour réduire en poudre les plaquettes usées. Un processus chimique dissout le carbure en ses composants atomiques. Grâce à ces programmes de recyclage, les fabricants réduisent non seulement la quantité de carbure neuf dont ils ont besoin, mais surtout l'empreinte environnementale. La production de disques en carbure avec une forte proportion de matériaux recyclés nécessite 70% d'énergie en moins et produit 40% d'émissions de CO2 en moins.
Il est important de prêter une attention particulière à la formation des copeaux. En ajustant la vitesse de coupe, la charge sur la plaquette est réduite et la formation de copeaux est évitée. Il est important de veiller à ce que les forces de coupe ne soient pas trop élevées, notamment lors du tournage avec une grande longueur de projection. La rupture d'une plaquette peut également être provoquée par une réaction chimique entre le matériau de la pièce et l'outil de coupe. Cette usure est appelée usure de la cannelure. Cela peut conduire à une rupture de la plaquette.
Influence du réfrigérant lubrifiant
L'une des causes courantes de l'usure prématurée de la plaquette est la température élevée générée pendant l'usinage. La température est certainement la cause de l'usure des mandrins: la température élevée déclenche une réaction chimique de diverses substances. Cependant, outre la pression, la température joue souvent un rôle non négligeable dans d'autres formes d'usure. La température augmente lorsque la vitesse de coupe augmente. C'est là que se pose un dilemme: la productivité ou la durée de vie des outils doit-elle prévaloir?
L'utilisation de lubrifiants réfrigérants est importante. Ces dernières années, l'importance du refroidissement à haute pression a été de plus en plus reconnue. En pulvérisant le lubrifiant de refroidissement sous haute pression sur la surface de coupe, le lubrifiant de refroidissement atteint la pièce et les arêtes de la plaquette bien mieux qu'avec un refroidissement conventionnel. La haute pression donne au lubrifiant réfrigérant la vitesse nécessaire pour surmonter la résistance de l'air créée dans le processus et atteindre réellement l'arête de coupe.
Contrôle et changement automatiques
Dans le cas d'une lubrification par refroidissement avec une pression et un volume standard, le lubrifiant de refroidissement ne pénètre pas suffisamment jusqu'à l'arête de coupe de la plaquette, ce qui entraîne, entre autres, l'accumulation de matière sur les arêtes de coupe. Un effet auquel beaucoup ne s'attendent peut-être pas est qu'une pression élevée combinée à un volume plus faible permet d'obtenir la plus longue durée de vie d'outil, en particulier à des vitesses de coupe faibles. La raison en est qu'avec une pression élevée et un faible volume, les particules de l'outil lui-même ne sont pas entraînées avec les copeaux.
Lorsque l'usure est visible, il est trop tard
En définitive, l'usure ne peut jamais être totalement évitée. En particulier dans les opérations d'usinage critiques et dans les processus sans personnel, les plaques de changement sont donc souvent changées par mesure de précaution bien avant que la durée de vie calculée de l'outil, ou celle basée sur l'expérience, ne soit atteinte. Dans l'usinage sans personnel, cela se traduit principalement par des coûts d'outillage supplémentaires; dans l'usinage avec personnel, cela se traduit également par des pertes de temps de production coûteuses. L'un des problèmes ici est que l'usure n'est pas toujours visible à l'œil nu. Et une fois que l'opérateur la remarque, le changement est en fait déjà trop tard. L'usure peut être contrôlée à l'aide de systèmes de surveillance qui mesurent principalement la consommation de courant du moteur de la broche.
Les chercheurs du Fraunhofer IPK de Berlin ont fait un pas de plus. Ils ont mis au point un système, PoWer (Prozessdatenbasierter automierter Werkzeugwechsel), qui contrôle automatiquement l'outil, détecte toute usure et change automatiquement la feuille. PoWer se compose d'un scanner, d'une station de vis contrôlée, d'une station d'inversion et d'un bras robotique qui déplace les plaques de changement entre les différentes stations. Les outils sont dotés d'une puce RFID dans le corps, grâce à laquelle le système identifie l'outil. Le scanner réalise un nuage de points de chaque arête de coupe avec une précision de 6 µm. Ceci est suffisant pour reconnaître non seulement l'usure mais aussi d'autres indications d'une rupture rapide de la plaquette. Si cette dernière doit être remplacée, cela se fait automatiquement aux différentes stations.
Utilisation des données pour l'optimisation
Cependant, ce n'est qu'une partie du système. D'autre part, les données d'usure peuvent être utilisées pour déterminer quand la plaquette est vraiment usé ou présente un risque trop important pour continuer à l'utiliser. Grâce à ces données, le processus peut être optimisé afin de maximiser l'utilisation de la plaquette. Les tests effectués par les chercheurs berlinois avec ce système montrent que les plaquettes restent en moyenne 33% plus longtemps dans la machine. En d'autres termes, les coûts des outils peuvent être réduits de 33%, sans parler des autres économies.
