Les multiples défis de l'usinage des matériaux ISO P
La classification ISO P des matériaux comprend les groupes matières plus communément appelés aciers. Bien que les aciers, sur une échelle de niveau de matériaux, ne présentent pas un défi d'usinage autant que les alliages résistants à la chaleur utilisés dans l'aéronautique, les alliages d'acier et les fers sont les matériaux les plus largement répandus dans toutes les industries. Une utilisation aussi large a engendré le développement d'une grande sélection d'alliages d'acier avec des propriétés physiques différentes qui génèrent une variété de problématiques de performance en matière de coupe des métaux. Celles-ci, en plus des considérations économiques induites par les exigences de production à haut volume, font de l'usinage des aciers ISO P un défi important pour les industriels ainsi que pour les fabricants d'outils d'usinage.
Le système de classification ISO des matériaux est divisé en six catégories. Le groupe K regroupe les fontes. Les superalliages résistant à la chaleur, y compris les alliages à base de nickel et de titane, sont regroupés dans les matières ISO S. Les matériaux du groupe H sont caractérisés par leur dureté et comprennent essentiellement des aciers trempés avec une dureté de 45 à 65 HRc. Les Aciers inoxydables - alliages à teneur en chrome supérieure à 12% - composent le groupe M. La catégorie N couvre les métaux non ferreux, principalement l'aluminium, le cuivre et le laiton. Enfin, la classification P regroupe les aciers non-alliés, faiblement alliés et fortement alliés, y compris les alliages trempés jusqu'à 400HB et les alliages inoxydables avec une teneur en chrome de 12 % et moins. Certains aciers malléables à longs copeaux font également partie du groupe ISO P.
Les classifications reposent en grande partie sur les propriétés physiques dominantes des différents matériaux. Ces propriétés déterminent essentiellement la façon dont le matériau réagit à l'usinage et comment, à son tour, l'usinage affecte également la coupe. Les matériaux du groupe K sont caractérisés par leur abrasivité, qui accélère l'usure des outils. Les superalliages résistant à la chaleur que l'on retrouve dans les ISO S ont généralement une mauvaise conductivité thermique, ce qui entraîne une concentration de chaleur dans la zone de coupe qui entrainer des déformations des outils. La dureté des matières du groupe H génère une grande pression sur les outils ainsi que de la chaleur. Le groupe M se distingue par l'écrouissage, par lequel le matériau devient plus difficile à usiner car il se déforme au cours du processus de coupe. Une pression de coupe et une génération de chaleur accrues peuvent provoquer une usure en entaille et d'autres problèmes. Les matériaux de la catégorie N présentent une tendance à adhérer à l’outil de coupe, ce qui entraîne la formation du phénomène d'arêtes rapportées, une mauvaise finition de surface et une fracture d'outil de coupe.
Parce que chacun des cinq groupes ISO nommés ci-dessus possède des propriétés physiques distinctes plus ou moins dominantes, les outils coupants peuvent être conçus, dans une certaine mesure, pour contrer les effets négatifs de ces propriétés sur l'outil coupant. Les outils utilisés pour les ISO H se focalisent sur la solidité, par exemple, tandis que les outils conçus pour couper les matières ISO N sont tranchants et conçus pour favoriser l'évacuation des copeaux pour minimiser l'adhérence.
Les pièces du groupe ISO P présentent cependant des défis plus complexes. Les aciers en général et les alliages d'acier très différents en particulier peuvent présenter plus d'une ou même toutes les propriétés qui affectent les outils coupants, cependant rarement dans un degré extrême. Cela pose bien des énigmes à résoudre pour l'élaboration d'outils adaptés. Dans de nombreux cas, par exemple, un outil à arêtes vives conçu pour contrer les tendances à l'adhérence d'un acier faiblement allié peut ne pas résister aux caractéristiques abrasives d'un acier d'une autre composition. En outre, le développement d'alliages d'acier spéciaux est continuel, car les fabricants recherchent des matériaux adaptés aux exigences de performance particulières des pièces de leurs clients.
Lors de l'usinage des alliages d'acier, trouver un équilibre productif avec les performances de l'outil est comme danser sur une fine corde. Trouver l'équilibre nécessite une compréhension de la nature de la coupe des métaux et l'interaction entre le matériau de la pièce et l'outil coupant.
La coupe de métaux n'est pas un processus comparable à la façon dont un couteau coupe. Le processus de coupe des métaux exerce une pression sur le matériau de la pièce jusqu'à ce qu'il se déforme et se détache sous la forme d'un copeau. De nombreux effets collatéraux accompagnent ce détachement. Les forces mécaniques nécessaires pour déformer suffisamment le matériau génèrent beaucoup de pression ainsi que la chaleur conduisant à des températures de l'ordre de 800 à 900 ° C. Les coupes interrompues ou l'usinage des pièces avec des inclusions solides subissent l'impact de l'outil coupant. Au-delà des considérations mécaniques, les niveaux élevés de chaleur et de pression peuvent catalyser les réactions chimiques entre le matériau de l'outil et celui de la pièce, produisant une usure chimique sous forme de diffusion ou d'abrasion. Enfin, la coupe de métaux implique un degré élevé de frottement. À mesure que le copeau est formé et frotte contre l'outil, il crée des frictions et ce qu'on appelle des effets tribologiques. La tribologie est la science qui examine les surfaces en contact les unes avec les autres à certaines températures et pressions et détermine dans quelle mesure les surfaces se modifient mutuellement. Toutes ces forces et interactions produisent des résultats variables, la plus importante est que l'outil se détériore.
Les effets de l'usinage sur des pièces en acier varient selon la composition de l'alliage d'acier et le procédé avec lequel il est fabriqué. Des aciers non alliés à teneur en carbone inférieure à 0,25%; par exemple, ont été développés pour des applications telles que des essieux automobiles qui nécessitent une puissance et une résistance aux chocs et aux ruptures. Ces alliages laminés ou forgés produisent des copeaux difficiles à casser et qui frottent la surface d'un outil coupant, produisant une usure en cratère et même des problèmes d'adhérence. Pour ces compositions, les outils coupants sont conçus avec des arêtes vives pour un cisaillement plus efficace du matériau de la pièce, et utilisent également des revêtements spécifiques pour résister à l'usure chimique et assurer une lubrification sur la surface de coupe.
D'autre part, des aciers fortement alliés avec une teneur en alliage de plus de 5%, y compris avec des éléments tels que le manganèse, peuvent être durcis pour une utilisation dans des composants nécessitant une résistance à l'usure et une rigidité, tels que des composants hydrauliques et des pièces de machines-outils. Les copeaux produits généralement sont facilement formés et cassés, mais les outils d'usinage de ces alliages sont soumis à une forte pression et à des températures élevées. Si la pièce non moulée a été coulée ou forgée, une surface rugueuse et des inclusions possibles du moule nécessitent des outils coupants à la fois ténaces et résistant à une usure par abrasion.
Le but traditionnel des opérations d'usinage est de produire le plus rapidement le plus de pièces et nécessite donc l'application des paramètres de coupe les plus agressifs possibles. D'autres problématiques, cependant, modifient ce simple objectif. Les considérations économiques peuvent jouer un rôle important dans la sélection des paramètres de coupe. Des composants tels que ceux utilisés dans l'aéronautiques et réalisés à partir d'alliages exotiques sont le plus souvent fabriqués dans des volumes relativement faibles. Les fabricants usinent les pièces à un rythme visant à maximiser la fiabilité des processus, à préserver les matériaux coûteux et à réduire les temps de fabrication. En conséquence, les vitesses et les charges utilisées avec des matériaux avancés sont généralement productives mais prudentes.
L'approche pour l'usinage des composants en acier est souvent différente. De nombreuses pièces en acier sont fabriquées en grandes séries et aussi rapidement que possible afin de maximiser le retour économique sur des pièces relativement simples usinées à partir de pièces moins coûteuses. Pour une productivité plus élevée, avec des vitesses de coupe supérieures, nécessitent des substrats d'outil coupants résistants à des températures élevées. À la lumière d'utilisation croissante d'alliages en acier, il peut être nécessaire pour les industriels ou les ateliers d'usinage de se concerter avec les fabricants d'outils coupants pour trouver la nuance et la géométrie la plus adaptée à une application particulière. Le développement continu d'outils vise à créer des outils qui peuvent parer aux multiples problématiques rencontrées avec les alliages d'acier. Les fabricants recherchent des outils plus tranchants mais plus résistants, avec des revêtements et des géométries conçus pour surmonter les contraintes relatives à la chaleur, la pression, les mécanismes chimiques d'adhérence et de résistance à l'usure.
Une considération relativement nouvelle influe également sur le choix des paramètres d'usinage pour les matériaux en acier. Les préoccupations environnementales sont de plus en plus au centre des intérêts de nombreux fabricants, avec des initiatives d'usinage responsable, "vert" ou écologique. Il s'agit notamment de réduire la consommation d'énergie et de minimiser les déchets générés lors du processus d'usinage. Bien que les défis technologiques demeurent une préoccupation primordiale lors du traitement des métaux exotiques, les préoccupations environnementales sont de plus en plus importantes lors de l'usinage des aciers.
Une façon de réduire la consommation d'énergie est de réduire les vitesses de coupe. Dans de nombreux cas, les fabricants peuvent maintenir la productivité en augmentant proportionnellement l'avance et la profondeur de passe. En plus d'économiser de l'énergie, de telles stratégies entraînent également une meilleure durée de vie des outils. Cela réduit le flux de déchets résultant des opérations d'usinage en ce sens qu'il y a moins de gaspillage et d'arêtes utilisées pour produire le même nombre de pièces. L'utilisation de vitesses de coupe plus faibles génère également moins de chaleur et ainsi une réduction de l'arrosage nécessaire pour refroidir les métaux, qui constitue lui aussi un déchet indésirable dans ce processus de travail des métaux.
Étant donné que les aciers ISO P sont perçus comme familiers et largement utilisés dans les pièces courantes, les opérations d'usinage impliquant ces alliages ne font généralement pas l'objet d'un intérêt et d'une analyse intenses. Cependant, en y regardant de plus près, les fabricants comprennent que les aciers présentent de multiples défis d'usinage qui peuvent être surmontés avec une sélection minutieuse des outils et que de grands volumes peuvent aussi apporter quelques améliorations dans la productivité de l'usinage, contribuant de manière significative à la rentabilité et même à la préservation de l'environnement.
