Travail des métaux

Outils coupants
Fraises à plaquettes. Tournage, fraisage dur: technologie essentielle revisitée.

Beaucoup trop d’ateliers ne se sentent pas, encore aujourd’hui, concernés par l’usinage à sec malgré ce qu’il est en mesure de leur apporter, aussi bien sur le plan qualité que sur celui économique. Bien que cette technologie ne puisse prétendre à être universelle et capable de répondre à toutes les spécialisations de ces ateliers, elle couvre suffisamment de types de travaux et de matières usinées, notamment en tournage et fraisage, pour suggérer de ne pas laisser ses avantages au bénéfice uniquement d’une concurrence de plus en plus dynamique.

Les arguments sont régulièrement plus nombreux en faveur de l'usinage sans application d’un liquide de coupe, en même temps que les possibilités de tournage et de fraisage à sec se développent. Le coût du liquide de coupe, qui représente de quinze à dix-sept pour cent en moyenne du prix de revient d'une pièce, et son impact sur l'environnement sont largement suffisants pour motiver une approche critique de la question. Il existe depuis déjà des années des machines, des dispositifs de commande, des méthodes de mesure et des outils de coupe permettant d'adopter cette technologie en usinage. Et, des plaquettes indexables modernes ont, en fait, été régulièrement développées pour fournir d'excellentes performances en tournage et en fraisage sans utilisation de liquide de coupe.

Points à retenir sur le tournage à sec

La planification et la programmation de la coupe ont, en tournage, une importance majeure. Le temps d'engagement de l'outil doit être le plus court possible, c'est-à-dire ne pas dépasser vingt secondes pour le tournage léger à haut rendement. Par ailleurs, il importe de prendre en considération l'ensemble de l'appareil de production et d’analyser d'un oil critique, sous tous ses aspects, le processus d'usinage et l'équipement utilisés en vue de les optimiser. A souligner d’emblée que les petites pièces devant respecter des tolérances serrées sont plus difficiles à usiner à sec si l’on ne dispose pas d’une machine-outil de construction suffisamment récente pour garantir une précision d’usinage de haut niveau. Il peut, en effet, être nécessaire de compenser des écarts se situant dans l'ordre de quelques microns, ce qui exige donc des méthodes de mesure et de contrôle fiables.

La plupart des aciers supportent l'usinage à sec. Les plaquettes modernes n'ont pas besoin, pour la plupart, de l'effet lubrifiant et réfrigérant d’un liquide de coupe. Dans certains cas, l'usinage de matières relativement dures et abrasives peut représenter une exception où l'on est confronté à des températures de coupe très élevées et où la nécessité de réaliser des tolérances serrées obligent à assurer le refroidissement de la pièce. Il peut être alors nécessaire de trouver l'équilibre approprié en jouant sur la vitesse de coupe. Normalement, le tournage d'une pièce en acier ne doit pas générer une plus forte quantité de chaleur que celle empêchant de tenir en main la pièce en question une fois l'usinage achevé. Les arêtes de coupe actuelles permettent normalement une coupe fluide avec des zones de contact minimales et une évacuation efficace de la chaleur d’usinage provoquée durant les opérations de coupe par l'intermédiaire des copeaux.

Fig. 1 - Ce diagramme montre la principale différence entre le carbure revêtu (A) et les nuances cermet (B) pour la finition à sec. Le profil de température de la pièce est tracé en fonction du nombre de pièces usinées. Les opérations sur lesquelles ce diagramme est basé s'inscrivent parfaitement dans la plage d'applications des cermets. L'élévation de température due à l'usure intervient plus tôt dans l'exemple A, ce qui exige un indexage supplémentaire de la plaquette, tandis que l'effet d'auto-affûtage obtenu dans le cas B se révèle plus avantageux.

De possibles difficultés peuvent survenir lors des opérations d'alésage où, comme pour le perçage, les copeaux doivent être évacués par un débit correctement dirigé de liquide de coupe dont c'est sans doute là la fonction la plus utile. Ce liquide est alors utilisé avec un fort débit pour arroser l'outil, la pièce, le mandrin, etc. Mais, on fait appel, toutefois, aussi à l'air comprimé pour débarrasser les copeaux de la surface usinée et des zones de contact des bras de manipulation. De même, le développement des machines-outils a pris, depuis quelques années, en considération le problème de l'évacuation des copeaux à haute température hors de la machine même, ce qui est un point dont il faut tenir compte lorsque l'on envisage un nouvel investissement.

La présence de croûtes de forgeage particulièrement épaisses lors de l'usinage peut entraîner la formation d'arêtes rapportées sur les plaquettes, ce qui peut conduire à un manque de précision au niveau de l'indexage. Il est, cependant, possible de l'éviter en soumettant les pièces à un sablage préalable. Toute différence de transfert thermique avec l'élévation de température découlant du passage à l'usinage à sec doit être soigneusement contrôlée et les écarts de cotes correspondants compensés. Pour la finition, les nuances cermet doivent toujours être envisagées en tant qu'option. Les plaquettes cermet ont un plus faible taux de frottement et conservent, en s'usant, des arêtes de coupe plus vives, deux facteurs qui concourent donc à limiter le dégagement de chaleur. D'autre part, leur plus grande dureté à chaud présente le double avantage de prolonger leur durée de vie et de permettre des vitesses de coupe plus élevées.

Le tournage à sec exige un contrôle précis des copeaux pour garantir des performances satisfaisantes. Les géométries de tournage modernes sont particulièrement appropriées à cet égard. La configuration des géométries PF et PM de Sandvik, par exemple, est avantageuse tout spécialement pour l’usinage d’ébauches forgées proches des cotes finies, ainsi que pour améliorer la sécurité en usinage automatisé. Les nuances à couches plus épaisses d’oxyde d’aluminium leur donnent la capacité de mieux résister à la chaleur. Dans l’exemple A de la figure 1, lorsque l’usure de l’arête de coupe atteint un certain niveau, la génération de chaleur augmente rapidement jusqu’à la mise en service d’une nouvelle arête. Dans le cas B, l’arête en cermet demeure vive pendant une plus longue durée. Souvent, même, l’arête devient plus tranchante et il est possible de maintenir plus longtemps la qualité et la précision du fini de surface.

Opérations de références bien établies

Dans l’industrie automobile, le tournage des freins à disque et des arbres de boîtes de vitesse s'effectue de longue date sans arrosage. Ces pièces en fonte et en acier sont usinées principalement avec des plaquettes en céramique dans des conditions très stables mais les nuances modernes de carbures métalliques revêtus permettent, aussi, d’effectuer ces opérations avec des performances compétitives. C’est une solution, notamment lorsque la vitesse de coupe doit être élevée et lorsque l’on constate que les céramiques ont tendance à être relativement moins fiables. Le tournage à sec de pièces de dureté élevée apparaît comme un domaine en expansion appelé à remplacer de plus en plus la rectification. Effectué à sec, il permet d'obtenir, en effet, des états de surface de l'ordre d'un micron. La température, les outils, les pièces ou les tolérances serrées ne soulèvent pas de difficultés lorsqu'il s'agit d'effectuer à sec des opérations de tournage général. Dans certains cas, on se heurte à des ennuis d'évacuation des copeaux, surtout avec la formation de nids de copeaux dans la zone d'usinage. Cela est dû, généralement, à la conception des machines-outils.

Fig. 2 - Exemples d’opérations de tournage à sec ayant entraîné un gain de tenue d’outil. Dans les deux exemples ci-dessus, le choix de l’usinage à sec a augmenté, en moyenne, la durée de vie d’outil d’environ 75 pour cent par rapport à un usinage classique sous arrosage.

Les principaux obstacles à l'usinage à sec sont la présence sur les pièces de surfaces horizontales mal placées ou de cavités où les copeaux viennent se loger lorsqu'ils ne sont plus entraînés par un arrosage abondant. L'inversion du concept de tour vertical apparu depuis déjà des années par des firmes comme Weisser ou Emag est un exemple de développement positif. La pièce, serrée par le haut, est usinée par le bas, et les copeaux tombent à côté de la tourelle et des outils. L'accessibilité est bonne pour les manipulations de la pièce et le concept fonctionne pour les pièces prises en mandrin.

Critères d’évaluation pour le tournage des pièces

Trois critères principaux permettent d’évaluer dans quelle mesure une opération de tournage se prête à l'usinage à sec. Ce sont la qualité, la durée de vie et la formation des copeaux. En ce qui concerne la qualité de la pièce usinée du point de vue de l'état de surface, des tolérances dimensionnelles, de la cylindricité, de la concentricité, etc. elle n’est absolument pas affectée par l'usinage à sec. Au pire, il est possible que l’on découvre des signes de légers dommages à la surface provoqués par des copeaux mais il s'agit, en fait, d'un effet surtout visuel. La mesure de l'état de surface indique sans hésitation que les pièces, dans ce cas, sont parfaitement dans les limites admissibles.

Le second facteur, la durée de vie, n'est pas compromis non plus par l'usinage à sec. Les arêtes de coupe sont exposées, bien sûr, à un échauffement plus important mais les nuances modernes de carbure et de cermet n'en souffrent pas. Comme la sécurité de l'usinage est une priorité, par prudence les durées de vie demandent à être fixées bien en deçà des limites des plaquettes. Néanmoins, dans les limites pratiquées habituellement, l'usure et la fiabilité de l'outil sont plus ou moins les mêmes avec et sans arrosage. Lorsque les essais se prolongent bien au-delà de la durée normale d'utilisation des plaquettes en production, la différence se marque par une usure beaucoup plus importante des plaquettes utilisées à sec, ce que l’on comprend très aisément. Dans le cas des plaquettes cermet, l'usure reste similaire avec ou sans liquide de coupe, même lorsque l'on prolonge la durée de vie pendant longtemps. Les cermets ont cependant l'inconvénient d'une sécurité d'usinage plus faible avec des ruptures d'arête fréquentes après environ vingt minutes, en général. La géométrie de coupe, le type de matière de l'outil et la finition de surface des plaquettes sont des facteurs qui jouent un rôle important. Ces caractéristiques de l'outil influencent la production de chaleur à travers la formation des copeaux, le développement de l'usure de l'outil et le frottement durant le processus de coupe. Il est évident que l'optimisation de ces facteurs améliore les conditions pour l'usinage à sec.

Fig. 3 - Opération de surfaçage de finition à sec d’une pièce moulée en fonte grise avec une fraise à très grand nombre de dents équipée de plaquettes de nuance ISO K20.

Le troisième facteur, la formation des copeaux, a également fait l'objet d'une analyse attentive, surtout au moyen d'essais de classification. A sec, les copeaux ont tendance à former des spirales plus longues mais de plus faible diamètre et plus facile à contrôler (fig.6). Sans arrosage, on obtient aussi beaucoup de copeaux dans la catégorie “bon”. Avec arrosage, on obtient plus de copeaux “acceptables” mais moins de “bons” copeaux qu'en usinage à sec.

Pour la coupe intermittente en tournage, l'usinage à sec présente un avantage, comme en fraisage, parce que la chaleur varie moins selon que la plaquette est engagée ou non dans la coupe. Le liquide de coupe ne fait qu'accentuer sa variation de température. Pour donner un exemple, on a effectué des comparaisons pour le tournage intermittent d'un pignon en acier allié 20MC4 d’une résistance de 500 N/mm2. Sous arrosage, la température atteint 33°. Entièrement à sec et avec évacuation des copeaux à l'air comprimé, la température atteint 60°. Sur un diamètre H7 de 33 mm, la différence de température de 30° requiert une compensation thermique de 12 µm.

Exemples d'essais de tournage à sec et résultats constatés

Des essais de durée de vie ont été effectués notamment sur des plaquettes carbure revêtues ISO P25 avec une vitesse de coupe de 260 m/mn, une avance de 0,3 mm/t et une profondeur de coupe de 1,5 mm, dans de l'acier allié 20MC4. L'usure en dépouille (VB) s'est développée de manière relativement similaire pendant l'usinage à sec et sous arrosage jusqu'à une durée de vie de 10 à 15 mn, avec une valeur de VB égale à 0,25 mm. En prolongeant l'expérience, on constatait un développement plus rapide de l'usure en dépouille à sec. Sur base de ces résultats, les performances de l'usinage à sec ont été jugées acceptables.

Des essais ont également été réalisés sur des plaquettes cermet avec une vitesse de coupe de 260 m/mn, une avance de 0,3 mm/t et une profondeur de coupe de 1,5 mm. Une nuance ISO P15 s'est comportée de manière très similaire en usinage à sec et sous arrosage en ce qui concerne le développement de l'usure en dépouille avec des valeurs VB similaires pendant une durée de vie pouvant atteindre 20 mn. La poursuite de l'expérience au-delà entraînait l'apparition plus rapide de fractures de l'arête de coupe en cermet en cas d'usinage à sec. Ces résultats sont généralement jugés acceptables mais ils soulignent l'importance d'une utilisation correcte des cermets.

Fig. 4 - Opération de surfaçage d’une pièce moulée avec inclusions de sable au moyen d’une fraise identique à celle illustrée ci-dessus équipée de plaquettes de nuance ISO K20. Vitesse de coupe de 105 m/mn, avance de 678 mm/mn, profondeur de coupe de 1,5 mm, durée de vie d’outil de 2500 pièces. L’usage d’une telle fraise a permis de prolonger la tenue d’outil de 1000 pièces par rapport à la formule utilisée auparavant.

Fig. 5 - Surfaçage d’un corps de pompe en fonte grise avec une fraise comme ci-dessus. Vitesse de coupe de 330 m/ mn, avance de 2000 mm/mn, profondeur de passe de 1 mm variable, durée de vie d’outil de 100 mn. En plus d’une tenue améliorée de 17%, le choix des plaquettes ISO K20 a éliminé les vibrations, compte tenu d’un porte-à-faux de 130 mm.

Fraisage sans arrosage

Le fraisage sans liquide de coupe est intéressant en raison de la sensibilité des carbures métalliques en général aux fortes variations thermiques. Lorsque les plaquettes entrent et sortent de la coupe, le réfrigérant ne fait qu'accentuer la variation cyclique de la chaleur dans l'arête de coupe. Les températures d'usinage sont telles que la plus grande partie du liquide est immédiatement vaporisée. Le fraisage à sec autorise en moyenne une durée de vie dix fois plus longue, ce qui permet de sérieuses économies. Dans le cas, par exemple, du surfaçage de flasques en fonte alliée, la suppression de l'arrosage permet d'économiser de gros volumes de liquide de coupe. Pour fixer les idées, dans un autre cas précis de fraisage d'arbre à cames effectué antérieurement sous un flux abondant et continu de liquide de coupe, l'usinage à sec a permis d'économiser 74 litres par pièce, en plus des autres économies d'énergie. Dans un autre exemple, pour le fraisage d'un boîtier en alliage d'aluminium GCAISi9Cu3 avec des plaquettes à pointe diamant sur une fraise à surfacer de 125 mm de diamètre, à une vitesse de coupe de 707 m/mn, une avance de 0,08 mm/t et une profondeur de coupe de 1,5 mm, on a mesuré à l'aide de treize capteurs une élévation de température de 2 à 3° seulement après treize passes. Se reporter aussi aux figures 4 et 5.

Fig. 6 - A gauche, sur la vue du haut formation des copeaux lors du tournage sous arrosage d’une couronne dentée. Sur la vue du bas, si un essai de tournage sous arrosage se prolonge au-delà de la durée de vie normale d’une plaquette, l’usure est plus importante qu’en usinage à sec. Sur les vues de droite, en haut formation des copeaux lors du tournage à sec de la même couronne dentée. En bas, le tournage à sec au-delà d’une durée de vie normale génère plus de chaleur mais les matériaux d’outil modernes peuvent répondre aux exigences de la situation.

Facteurs des progrès de l’usinage à sec

En fraisage, l'usinage à sec a fait un pas en avant depuis la disponibilité d’une nuance prévue pour la plage ISO K20 où la fonte est la matière à usiner dominante. Une épaisse couche d'oxyde d'aluminium donne, dans ce cas, à la plaquette une combinaison avantageusement équilibrée de ténacité et de résistance à l'usure. Une résistance élevée à l'usure par abrasion, une bonne dureté à chaud et une bonne stabilité chimique caractérisent une telle nuance et lui permettent de conserver une arête intacte pendant une plus longue durée, ce qui en augmente donc d'autant la sécurité.

En combinaison avec les géométries râcleuses positives (wiper) pour l'usinage léger, le fraisage à sec devient encore plus performant, non seulement en ce qui concerne la fonte mais, également, l’acier. L'arrosage de la zone très chaude entourant le point de coupe lors du fraisage d'acier a pour conséquence la formation de vapeur dont l'effet réfrigérant est négligeable. En fait, le liquide de coupe ne fait qu'accentuer les variations de température que subit la plaquette de fraisage chaque fois qu'elle pénètre dans l'acier ou en ressort. Cela crée rapidement des chocs thermiques qui conduisent à l'apparition de fissures et réduisent à la fois la sécurité d'arête et la durée de vie de l'outil.

Les nuances modernes pour le fraisage d'acier réagissent très bien aux vitesses de coupe élevées et, de même, aux hautes températures que celles-ci entraînent. La durée de vie d'outil est généralement plus longue lorsque l'usinage de l'acier a lieu à sec. Les nuances cermet sont une solution avantageuse pour le fraisage et a donné de bons résultats quand elles sont utilisées dans les conditions appropriées. On rappellera que plus la température de la zone de coupe est élevée, plus l'utilisation de liquide de coupe est déconseillée. S'il est, malgré tout, nécessaire d'y recourir, il faut alors l'utiliser en abondance.

Lors de l'usinage de matières ayant tendance à coller, comme l'acier bas carbone ou l'acier inoxydable, il est particulièrement important de maintenir une température suffisamment élevée dans la zone de coupe pour éviter la plage de températures favorisant la formation d'arêtes rapportées. L'emploi inapproprié de liquide de coupe ou le choix de conditions de coupe insuffisantes peut avoir pour conséquence une diminution de la production de chaleur jusqu'à un niveau où intervient ce phénomène préjudiciable.

Perçage à sec ou sous lubrification minimale ?

Les possibilités d'effectuer le perçage sans liquide de coupe ont été largement étudiées avec soin depuis déjà fort longtemps. Le perçage de trous relativement profonds dans des pièces en fonte ne présente pas de difficultés, en raison, surtout, du fait qu’il s’agit d’une matière à copeaux courts. Le perçage de l’acier et de l’aluminium est également tout à fait réalisable mais moyennant l'utilisation d'une micro pulvérisation afin de faciliter l'action de coupe et l'évacuation des copeaux. Il est important, en effet, d'appliquer un mélange d'air et de lubrifiant le plus près possible de l'arête de coupe (fig. 7). A titre d’exemple, le perçage d’acier avec des forets de 7 mm de diamètre sur une profondeur de perçage de 17 mm a donné d’excellents résultats, ainsi qu’en utilisant des forets de plus grand diamètre et un rapport longueur/profondeur supérieur à 20. On soulignera que la présence de deux canaux d'adduction du mélange air/lubrifiant est bénéfique, par ailleurs, pour la lubrification des ételles de guidage. Le perçage à sec en fabrication d'arbres à cames, lors de certains essais dans la pratique, présentait des surfaces à faible frottement, surtout dans les goujures du foret. Il apparaît, dans la pratique, que toutes les opérations de perçage peuvent être effectuées à sec dès lors que l'on assure un minimum de lubrification.

Fig. 7 - En haut, des essais de perçage montrent qu’il est important d’avoir une combinaison appropriée d’air et de lubrifiant le plus près possible de l’arête de coupe. En bas, Le perçage de l’acier et de l’aluminium donne de meilleurs résultats avec des techniques de lubrification minimale.

Il faut conclure

Il est à souhaiter que l’atelier n’ayant encore jamais tenté d’introduire de l’usinage à sec pour certaines de ses fabrications, bien qu’il soit pourvu de machines-outils relativement récentes, profite de la lecture de cet article pour procéder au moins à quelques essais. Même s’il tâtonne pour commencer, un tout petit peu de persévérance et d’audace lui permettra de se rendre compte qu’il dispose de “niches” où cette technologie pourra lui être très profitable. Ensuite, avec l’acquis de premières expériences, il découvrira que l’état de son parc de machines n’était pas un obstacle pour autant qu’il aura accepté de s’équiper de quelques outils de coupe appropriés. La consultation du fabricant habituel de ces outils dès ses premiers essais l’aura, sans doute, déjà convaincu qu’en matière de technologie, rester un pas en arrière sur la concurrence n’est jamais la meilleure solution, même s’il n’est pas confronté impérativement à la nécessité de réduire ses coûts de fabrication.

Cet article est une synthèse de documents d’origine Sandvik Coromant. Toutes les illustrations, hormis celle de tête, sont également d’origine Sandvik Coromant.

Publié avec l’autorisation de :

© Trametal – Cl / article : RMC46