Pourquoi la durée de vie des outils est inférieure aux attentes et comment l'opérateur peut faire la différence
Maîtriser l'usure des plaquettes
Voilà une situation que bon nombre d'opérateurs CNC connaissent: la plaquette s'use plus rapidement que prévu au regard des durées de vie annoncées par le fabricant. Est-ce parce que le fabricant exagère en se basant sur des conditions de processus optimales, difficiles à reproduire en atelier? Ou est-ce parce que l'opérateur CNC néglige des facteurs qui entraînent une usure plus rapide et donc une durée de vie plus courte, voire un rejet si l'usure n'est pas détectée à temps?
L'usure est inévitable
L’usure des plaquettes pendant le processus d’usinage est inhérente à ce dernier. Différents mécanismes sont à l’origine de cette usure, qui peut se manifester de différentes manières. La plus courante – et inévitable – est l’usure de la face de de dépouille (usure en flanc). Elle résulte du contact de l’outil avec les composants durs présents dans le matériau de la pièce. Tant que l'on choisit la plaquette adaptée au matériau à usiner et que l'on programme les paramètres corrects, l'usure devrait se dérouler normalement.
L’usure en cratère est une autre forme d’usure, provoquée par un processus de diffusion généré et contrôlé par la température élevée sur la face de coupe. Cette usure est visible sur la face de coupe de la plaquette. L’usure en cratère peut à terme entraîner une rupture; il convient donc d’y prêter attention.
Lors de l’usinage de certains matériaux, tels que l’acier inoxydable et l’aluminium, une accumulation de matière sur le tranchant peut se produire. Celui-ci résulte du soudage par pression du copeau sur la plaquette. Un autre phénomène fréquent lors de l’usinage de l’acier inoxydable est l’usure excessive de la face de coupe, de la face de dépouille et de la ligne de profondeur de coupe. À cela s’ajoutent les dommages causés par les influences thermiques, qui surviennent surtout lors du fraisage à coupe interrompue.
L'usinage à sec ou le refroidissement à l'aide d'aérosols, si le matériau le permet, permet d'éviter les chocs thermiques. La plaquette peut subir une déformation plastique, généralement bien visible; ou bien des fissures peuvent apparaître perpendiculairement à l'arête de coupe, ce qui est moins visible et donc plus risqué. L’outil peut également se fendre, voire se rompre.
Causes mécaniques
Une usure rapide peut également indiquer une contamination dans la machine ou des causes mécaniques. Des copeaux mal évacués qui frottent contre la plaque entraînent une usure plus rapide. Des roulements de guidage usés, des jeux dans les guidages, etc. ont le même effet. Les conséquences d’une usure excessive sont multiples: écarts dimensionnels, rugosité de surface hors tolérance, formation de bavures, déformation thermique sur les pièces à parois minces, traces de broutement et, dans certains cas, modifications métallurgiques de la surface de la pièce. Dans la pratique, cela se traduit par un surcroît de travail de finition ou par des rebuts, deux facteurs qui augmentent les coûts.
La prévisibilité avant tout
De nombreuses usines d’usinage au Benelux tirent leurs revenus d’une production 'high-mix-low-volume': une grande variété, de petites séries. Et cela souvent en partie automatisé; ou en tout cas avec un seul opérateur CNC qui gère plusieurs machines CNC. Dans un tel environnement de production, la prévisibilité du processus prime sur la durée de cycle la plus courte.
Une production fiable garantit des coûts réduits et une meilleure fiabilité de livraison. Il est donc essentiel de maîtriser l’usure. La responsabilité première incombe au préparateur de travail (ou au programmeur), qui doit choisir la plaquette adaptée à l’opération. Un substrat, un revêtement ou une géométrie qui ne correspond pas au groupe de matériaux ISO est une cause fréquente et facile à éviter. Des paramètres de coupe mal programmés constituent une autre cause courante.
Le rôle de l’opérateur reste crucial
Le rôle de l’opérateur reste donc crucial. C’est lui (ou elle) qui constate concrètement les résultats des décisions prises par d’autres et qui doit y réagir.
L'usinage reste un processus soumis à de nombreux facteurs d'influence qu'il est impossible de prévoir entièrement à l'avance. C'est l'opérateur qui, grâce à certains ajustements, rend le processus stable (et donc plus prévisible). C’est le professionnel à la machine qui vérifie la conformité des conditions de coupe programmées avec les conditions réelles dans l’atelier d’usinage. Les valeurs d’usine doivent être considérées comme un point de départ, et non comme un point d’arrivée.
C’est précisément là que le professionnel qui connaît les machines, les matériaux et les pièces à usiner peut apporter une valeur ajoutée. Il faut garder à l’esprit qu’il n’est pas toujours judicieux d’opter pour des paramètres trop prudents. Des paramètres de coupe trop prudents font que l’outil ne coupe pas le matériau, mais frotte davantage, ce qui a des conséquences sur la géométrie de la pièce, la qualité de surface et la durée de vie de l’outil.
Angles morts
Les opérateurs ont parfois des angles morts en matière d’usure des plaquettes. Ainsi, ils ne reconnaissent pas toujours l’accumulation de matière sur le tranchant comme de l’usure. En apparence, l’arête peut encore sembler en bon état, mais sa géométrie effective peut néanmoins avoir changé. Il est important de vérifier d’abord s’il s’agit bien d’un dépôt: y a-t-il de la matière collée au bord de coupe de la plaquette, souvent reconnaissable à une couche terne et rugueuse? Les copeaux changent-ils soudainement d’aspect? La stabilité dimensionnelle est-elle mauvaise alors que la plaquette semble encore en bon état?
L'accumulation de matière sur le tranchant peut avoir plusieurs causes; c'est pourquoi il faut modifier les paramètres un par un afin de vérifier s'ils produisent l'effet souhaité. Dans le cas de l'acier inoxydable, la meilleure solution consiste à augmenter la vitesse de coupe (Vc). Cela augmente la température dans la zone de coupe, ce qui met fin au soudage par pression.
Une autre cause peut être une avance par dent trop faible. Cela augmente le frottement, ce qui conduit à la formation d'une arête rapportée. Les opérateurs ont parfois tendance à réduire l'avance lorsque la surface est en mauvais état; cela peut aggraver le problème. Vérifiez que le lubrifiant réfrigérant atteint bien la zone de coupe.
Par ailleurs, une concentration ou un pH incorrects du lubrifiant réfrigérant peuvent entraîner une accumulation progressive. Souvent, l’accumulation sur les arêtes de coupe de l’aluminium trouve partiellement son origine dans le revêtement utilisé et dans le tranchant de l’arête de coupe.
En cas d’accumulation sur le tranchant, il est important de passer systématiquement en revue les différents paramètres: vitesse de coupe (Vc), avance… Ajustez-les un par un pour voir si le problème est résolu. Si c’est le cas, enregistrez ces paramètres pour les usinages futurs. Sinon, vérifiez à nouveau la plaquette (tranchant, revêtement et géométrie) ainsi que son serrage.
Terminer rapidement une tâche
Une autre erreur courante consiste à continuer à travailler avec une plaquette dont on sait qu’elle arrive en fin de vie. On continue à usiner avec cette plaquette par manque de temps ou parce qu’il ne reste plus que quelques pièces à usiner. L’usure entraîne une augmentation rapide des forces de coupe et de la chaleur, ce qui ne fait qu’aggraver les problèmes.
De petits écaillages de l'arête de coupe la rendent rugueuse et augmentent les forces de frottement. Cela peut provoquer du broutement lors du tournage de pièces à parois minces. Souvent, les opérateurs réagissent au broutement en réduisant la vitesse de coupe. Cela peut avoir un effet inverse car une vitesse de coupe trop faible entraîne une instabilité et favorise justement la formation d'une arête rapportée. C’est pourquoi, pour résoudre le broutement, il faut procéder par petites étapes afin d’éviter la résonance; ajustez l’avance par tour par petits paliers et réduisez éventuellement la profondeur de passe (ae).
Autres causes
Il existe également des causes qui ne sont en réalité pas directement liées aux paramètres de processus. Pensez par exemple à une vis de serrage mal serrée. Ou à des salissures sous la plaquette dans le logement. Cela peut entraîner des mouvements minimes de la plaquette et une usure prématurée. Une cause qui a une grande influence, en particulier sur les petites fraises en carbure monobloc, mais qui peut également avoir un effet négatif sur les corps de fraises à plaquettes, est un défaut de concentricité.
Une légère imprécision peut avoir un impact considérable sur la durée de vie. Certes, cet effet diminue à mesure que le diamètre augmente, mais il convient d’en tenir compte. Les vibrations peuvent être une autre cause, parfois dues à un mauvais serrage ou à une mauvaise combinaison entre l’avance et la vitesse de coupe, ce qui provoque un broutement. Enfin, la cause peut résider dans le matériau de la pièce, par exemple s’il présente encore des contraintes résiduelles suite à des usinages lourds antérieurs.
Ne vous contentez pas d’accepter une durée de vie plus courte
Si les plaquettes s’usent plus rapidement que prévu – ou plus vite que ce qu’indique le fabricant –, il est judicieux d’en rechercher la cause éventuelle et de ne pas considérer cette durée de vie réduite comme une fatalité. En effet, si l’opérateur remplace systématiquement la plaquette bien avant la fin de la durée de vie prévue par le fabricant, les causes sous-jacentes éventuelles restent invisibles.
L’opérateur peut certes remplacer les plaquettes plus tôt pour garantir la stabilité du processus mais ce faisant, il passe peut-être à côté d’une opportunité d’optimiser le processus et la consommation d’outils. La surveillance de l’état des outils (Tool Condition Monitoring), par exemple via la surveillance automatique de la charge de la broche, a toute sa place dans un environnement de production moderne. Les données permettront de détecter l’usure avant même qu’elle ne soit visible à l’œil nu.
Feuille de route pour l’opérateur
Si vous constatez qu’une plaquette s’use plus rapidement que prévu, pas besoin de jouer aux devinettes. Voici cinq étapes à appliquer directement en atelier:
- Notez quand et lors de quelle opération l'usure anormale se produit, avant de procéder à tout ajustement.
- Modifiez une seule condition à la fois, dans cet ordre: d’abord la vitesse de coupe, puis l’avance, puis le refroidissement. Mesurez l’effet à chaque fois avant de procéder à un nouvel ajustement.
- Vérifiez le serrage et le logement de la pince; une vis de serrage desserrée ou un logement encrassé réduit souvent davantage la durée de vie de la plaquette qu’une vitesse de coupe mal réglée, et passe donc facilement inaperçu.
- Remplacez la plaquette en fonction de la durée de vie enregistrée, et non pas seulement lorsque la qualité commence déjà à se dégrader de manière visible.
- Partagez vos constatations avec le responsable de la préparation des travaux: ce qui est constaté sur le terrain doit être pris en compte dans le choix des prochaines données de découpe.
Ainsi, une durée de vie plus courte ne devient pas un poste de coûts caché, mais un signal permettant d’améliorer progressivement l’ensemble du processus.
FORMULE DE L'ÉQUATION DE LA DURÉE DE VIE DES OUTILS DE TAYLOR
Une petite modification peut avoir un impact considérable sur la durée de vie de l’outil. Cela devient évident pour ceux qui connaissent la formule de l’équation de la durée de vie des outils de Taylor. Cette formule mathématique simplifiée, vieille de plus d’un siècle (1907), T = (C / V)^(1/n), établit un lien entre la vitesse de coupe en m/min (V) et la durée de vie de l’outil exprimée en minutes (T). Dans cette formule, n est l’exposant de durée de vie (qui dépend du matériau à usiner) et C la constante de Taylor, c’est-à-dire la vitesse de coupe théorique pour laquelle la durée de vie est exactement d’une minute. Ces constantes n et C sont généralement tirées des manuels. Une légère modification de la vitesse de coupe a un impact important sur la durée de vie de l’outil. Cette formule est une version simplifiée qui ne tient pas compte d’autres facteurs influant sur la durée de vie de la plaquette. Elle permet toutefois de bien comprendre comment de petits changements dans le processus peuvent avoir une grande influence. Par exemple, une vitesse de coupe plus élevée se fait au détriment d’une durée de vie de l’outil nettement plus courte. Le gain de temps en vaut-il la peine?
