Rainurage d'acier trempé avec coupe PCBN

Rainurage de l'acier trempé avec fraise PCBN

Au cours de la dernière décennie, le rainurage de précision de pièces en acier trempé avec des inserts en nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN) a progressivement remplacé le meulage traditionnel. Tyler Economan, responsable de l'ingénierie des appels d'offres chez Index, États-Unis, a déclaré : "En général, le meulage des rainures est un processus plus stable qui offre une précision dimensionnelle plus élevée que le rainurage. Cependant, les gens veulent toujours pouvoir terminer la pièce sur un tour. Une variété de traitements est requise."

Divers matériaux de pièces à usiner qui ont été trempés comprennent l'acier rapide, l'acier pour matrices, l'acier à roulements et l'acier allié. Seuls les métaux ferreux peuvent être durcis et les processus de durcissement sont généralement appliqués aux aciers à faible teneur en carbone. Grâce au traitement de durcissement, la dureté externe de la pièce peut être rendue plus élevée et plus portable, tandis que l'intérieur a une meilleure ténacité. Les pièces en acier trempé comprennent les mandrins, les axes, les connecteurs, les roues motrices, les arbres à cames, les engrenages, les bagues, les arbres de transmission, les roulements, etc.

Cependant, les « matériaux durs » sont un concept relatif et évolutif. Certaines personnes pensent que les matériaux d'une dureté de 40 à 55 HRC sont des matériaux durs ; d'autres pensent que la dureté des matériaux durs devrait être de 58 à 60 HRC ou plus. Dans cette catégorie, les outils PCBN peuvent être utilisés.

Après durcissement par induction, la couche superficielle durcie peut avoir jusqu'à 1,5 mm d'épaisseur et la dureté peut atteindre 58-60 HRC, tandis que le matériau situé sous la couche superficielle est généralement beaucoup plus mou. Dans ce cas, il est important de s’assurer que la majeure partie de la découpe est effectuée sous la couche superficielle durcie.

Les machines-outils présentant une puissance et une rigidité suffisantes sont une condition nécessaire pour le rainurage de pièces trempées. Selon Economan, "Plus la rigidité de la machine-outil est élevée et plus la puissance est élevée, plus le rainurage du matériau durci est efficace. Pour les matériaux d'une dureté supérieure à 50 HRC, de nombreuses machines-outils légères ne remplissent pas les conditions de coupe requises. Si la capacité de la machine (puissance, couple et surtout rigidité) est dépassée, l'usinage ne peut pas être réalisé avec succès."

La rigidité est très importante pour le dispositif de maintien de la pièce car la surface de contact de l'arête de coupe avec la pièce est grande pendant le processus de rainurage et l'outil exerce une forte pression sur la pièce. Lors du serrage de pièces en acier trempé, une large pince peut être utilisée pour disperser la surface de serrage. Paul Ratzki, directeur marketing de Sumitomo Electric Hard Alloy Co., a déclaré : "Les pièces à usiner doivent être fermement soutenues. Lors de l'usinage de matériaux durcis, les vibrations et la pression de l'outil générées sont beaucoup plus importantes que lors de l'usinage de pièces ordinaires, ce qui peut entraîner un serrage de la pièce. Ne peut pas s'envoler de la machine, ni provoquer l'écaillage ou même la rupture de la lame CBN. "

La tige qui maintient la plaquette de rainurage doit être aussi courte que possible pour minimiser le porte-à-faux et augmenter la rigidité de l'outil. Matthew Schmitz, responsable des produits GRIP chez Isca, souligne qu'en général, les outils monolithiques sont plus adaptés au rainurage de matériaux durcis. Cependant, l'entreprise propose également un système de rainurage modulaire. « La tige modulaire peut être utilisée dans des situations d'usinage où l'outil est sujet à une défaillance soudaine », explique-t-il. "Vous n'avez pas besoin de remplacer la tige entière, il vous suffit de remplacer un composant moins coûteux. La tige modulaire offre également une variété d'options d'usinage. Le système modulaire Grip d'Iskar peut être installé dans une variété de produits différents. Vous pouvez utiliser un porte-outil avec 7 lames différentes pour 7 gammes de produits ou n'importe quel nombre de lames pour différents traitements. La même gamme de produits avec largeur de fente. "

Sumitomo E.Les porte-outils de Lectric pour saisir les plaquettes de type CGA utilisent une méthode de serrage par le haut qui ramène la lame dans le support. Ce support comporte également une vis de fixation latérale pour améliorer la stabilité de la poignée et prolonger la durée de vie de l'outil. Rich Maton, directeur adjoint du département de conception de l'entreprise, a déclaré : « Ce porte-outil est conçu pour le rainurage de pièces trempées. Si la lame bouge dans le support, la lame s'use avec le temps et la durée de vie de l'outil change. Pour les exigences d'usinage à haute productivité de l'industrie automobile (telles que 50 à 100 ou 150 pièces par arête de coupe), la prévisibilité de la durée de vie de l'outil est particulièrement importante, et les changements dans la durée de vie de l'outil peuvent avoir un impact significatif sur la production.

Selon les rapports, le système de rainurage modulaire Tri-Lock de la série GY de Mitsubishi Materials est comparable en termes de rigidité aux mandrins à lame intégrés. Le système saisit les lames de rainurage de manière fiable dans trois directions (périphérique, avant et supérieur). Sa conception à deux structures empêche la lame de se déplacer pendant le rainurage : la saillie en forme de V empêche la lame de se déplacer sur les côtés ; la clé de sécurité élimine le mouvement vers l'avant de la lame provoqué par la force de coupe lors de l'usinage des rainures.

Les plaquettes de rainurage couramment utilisées pour les pièces en acier trempé comprennent les plaquettes carrées simples, les plaquettes de formage, les plaquettes fendues, etc. Généralement, les rainures découpées doivent avoir une bonne finition de surface car elles ont une partie d'accouplement, et certaines sont des joints toriques ou des rainures pour anneaux élastiques. Selon Mark Menconi, spécialiste produit chez Mitsubishi Materials, « ces processus peuvent être divisés en usinage de rainures sur diamètre intérieur et usinage de rainures sur diamètre extérieur, mais la plupart des opérations de rainurage nécessitent une coupe fine, y compris une précision au toucher léger à partir d'une profondeur de passe d'environ 0,25 mm. Couper jusqu'à une coupe complète avec une profondeur d'environ 0,5 mm. »

Le rainurage de l'acier trempé nécessite l'utilisation d'outils ayant une dureté plus élevée, une meilleure résistance à l'usure et une géométrie adaptée. La clé est de déterminer si un insert en carbure, un insert en céramique ou un insert en PCBN doit être utilisé. Schmitz a déclaré : "Je choisis presque toujours des plaquettes en carbure lors de l'usinage de pièces avec des duretés inférieures à 50 HRC. Pour les pièces avec une dureté de 50 à 58 HRC, les plaquettes en céramique sont un choix très économique. Uniquement lorsque les plaquettes CBN doivent être envisagées pour une dureté allant jusqu'à 58 HRC. Les plaquettes CBN sont particulièrement adaptées à l'usinage de matériaux aussi durs car le mécanisme d'usinage n'est pas un matériau de coupe mais une interface outil/pièce. Faire fondre le matériau. "

Pour le rainurage de pièces en acier trempé d'une dureté supérieure à 58 HRC, le contrôle des copeaux ne pose aucun problème. Comme le rainurage à sec est généralement utilisé, les copeaux ressemblent davantage à de la poussière ou à de très petites particules et peuvent être éliminés par soufflage manuel. Maton de Sumitomo Electric a déclaré : « Habituellement, ce type de copeaux se brise et se désintègre lorsqu'ils heurtent quelque chose, de sorte que le contact des copeaux avec la pièce à usiner n'endommagera pas la pièce. Si vous attrapez un copeau, il se brisera dans votre main. »

L'une des raisons pour lesquelles les plaquettes CBN conviennent à la coupe à sec est que, bien que leur résistance à la chaleur soit très bonne, les performances de traitement sont considérablement réduites en cas de variations de température. Economan déclare : « En fait, lorsque la plaquette CBN est en contact avec le matériau de la pièce à usiner, elle produit de la chaleur de coupe sur la pointe, mais comme la plaquette CBN est moins adaptable aux changements de température, il est difficile de la refroidir adéquatement pour maintenir une température constante. État. Le CBN est très dur, mais il est également très cassant et peut se rompre en raison des changements de température. »

Lors de la coupe de pièces en acier de faible dureté (telles que 45-50 HRC) avec des inserts en carbure cémenté, en céramique ou en PCBN, les copeaux générés doivent être aussi courts que possible. Cela élimine efficacement la chaleur de coupe dans le matériau de l'outil pendant le processus de coupe, car les copeaux peuvent emporter une grande quantité de chaleur.

Est-ceKar's Schmitz recommande également que l'outil soit traité dans un état "inversé". Il a expliqué : "Lors de l'installation d'un outil sur une machine-outil, l'outil préféré du constructeur de la machine-outil est installé en coupant la lame face vers le haut, car cela permet à la rotation de la pièce d'exercer une pression vers le bas sur le rail de la machine pour maintenir la machine stable. Cependant, lorsque la lame est coupée dans le matériau de la pièce, les copeaux formés peuvent rester sur la lame et la pièce. Si le porte-outil est retourné et que l'outil est monté à l'envers, la lame ne sera pas visible et le flux de copeaux s'échappera automatiquement de la zone de coupe sous l'action. de la gravité. »

Le durcissement de surface est une méthode simple pour améliorer la dureté de l'acier à faible teneur en carbone. Le principe est d’augmenter la teneur en carbone à une certaine profondeur sous la surface du matériau. Lorsque la profondeur de rainurage dépasse l'épaisseur de la couche superficielle durcie, certains problèmes peuvent survenir en raison du changement de la lame de rainurage d'un matériau plus dur à un matériau plus mou. À cette fin, les fabricants d’outils ont développé plusieurs qualités de lames pour différents types de matériaux.

Duane Drape, directeur commercial chez Horn (USA), a déclaré : « Lors du passage d'un matériau plus dur à un matériau plus tendre, l'utilisateur ne veut pas toujours changer de lame, nous devons donc trouver le meilleur outil pour ce type d'usinage. Si une plaquette en carbure cémenté est utilisée, elle rencontrera le problème d'une usure excessive lorsque la lame coupe une surface dure. Si une plaquette CBN adaptée à la coupe de matériaux très durs est utilisée pour couper une partie molle, il est facile d'endommager la lame. Nous pouvons utiliser un compromis : élevé plaquettes en carbure de dureté + revêtements super lubrifiés, ou qualités de plaquettes CBN relativement souples + plaquettes de coupe adaptées à la coupe de matériaux courants (plutôt qu'à l'usinage dur)."

Drape a déclaré : "Vous pouvez utiliser des plaquettes CBN pour couper efficacement des matériaux de pièce à usiner avec une dureté de 45 à 50 HRC, mais la géométrie de la lame doit être ajustée. Les plaquettes CBN typiques ont un chanfrein négatif sur l'arête de coupe. Cette plaquette CBN à chanfrein négatif est plus douce à usiner. Lorsque le matériau de la pièce à usiner est utilisé, le matériau aura un effet d'arrachement et la durée de vie de l'outil sera raccourcie. Si la nuance CBN avec une dureté inférieure est utilisée et que la géométrie de l'arête de coupe est modifiée, le un matériau de pièce d'une dureté de 45 à 50 HRC peut être coupé avec succès.

La plaquette de rainurage S117 HORN développée par la société utilise une pointe PCBN et la profondeur de coupe est d'environ 0,15 à 0,2 mm lorsque la largeur de l'engrenage est coupée avec précision. Afin d'obtenir une bonne finition de surface, la lame présente un plan de raclage sur chacune des arêtes de coupe des deux côtés.

Une autre option consiste à modifier les paramètres de coupe. Selon Economan d'Index, "Après avoir coupé à travers la couche durcie, des paramètres de coupe plus grands peuvent être utilisés. Si la profondeur de durcissement n'est que de 0,13 mm ou 0,25 mm, après avoir coupé à travers cette profondeur, soit les différentes lames sont remplacées, soit utilisez toujours la même lame, mais augmentez les paramètres de coupe au niveau approprié. "

Afin de couvrir une gamme plus large de traitements, les qualités de lames PCBN augmentent. Les nuances de dureté plus élevée permettent des vitesses de coupe plus rapides, tandis que les nuances avec une meilleure ténacité peuvent être utilisées dans des environnements de traitement plus instables. Pour une coupe continue ou interrompue, différentes qualités de plaquettes PCBN peuvent également être utilisées. Maton de Sumitomo Electric a souligné qu'en raison de la fragilité des outils PCBN, les arêtes de coupe tranchantes sont sujettes à l'écaillage lors de l'usinage de l'acier trempé. "Nous devons protéger le tranchant, en particulier lors d'une coupe interrompue, le tranchant doit être davantage préparé que lors d'une coupe continue et l'angle de coupe doit être plus grand."

Iskar&Les nuances IB10H et IB20H nouvellement développées élargissent encore sa gamme de produits Groove Turn PCBN. IB10H est une nuance PCBN à grain fin pour la coupe continue à vitesse moyenne à élevée de l'acier trempé ; tandis que l'IB20H est constitué de grains PCBN de granulométrie fine et moyenne, offrant une bonne résistance à l'usure et aux chocs. La balance peut résister aux conditions plus difficiles de coupe interrompue en acier trempé. Le mode de défaillance normal d'un outil PCBN devrait être l'usure du tranchant plutôt que la fissuration ou la fissuration soudaine.

La nuance PCBN revêtue BNC30G introduite par Sumitomo Electric est utilisée pour le rainurage interrompu de pièces en acier trempé. Pour les rainures continues, l'entreprise recommande sa qualité de lame universelle BN250. Maton a déclaré : "Lors d'une coupe continue, la lame est coupée pendant une longue période, ce qui génère beaucoup de chaleur de coupe. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser une lame avec une bonne résistance à l'usure. Dans le cas de rainurage intermittent, la lame entre et sort continuellement de la coupe. Elle a un grand impact sur la pointe. Par conséquent, il est nécessaire d'utiliser une lame avec une bonne ténacité et peut résister aux impacts intermittents. De plus, le revêtement de la lame contribue également à prolonger la durée de vie de l'outil. "

Quel que soit le type de rainure à usiner, les ateliers qui comptaient auparavant sur le meulage pour finir les pièces en acier trempé peuvent être convertis au rainurage avec les outils PCBN pour augmenter la productivité. Le rainurage dur peut atteindre une précision dimensionnelle comparable à la rectification, tout en réduisant considérablement le temps d'usinage.