Vous avez besoin de vitesse ?

L'intégration du fraisage à grande vitesse (HSM) dans votre atelier est un moyen efficace et rentable d'augmenter la productivité des ateliers d'usinage de toutes tailles.

Même les fabricants spécialisés, tels que ceux qui utilisent HSM pour fabriquer des électrodes EDM ou ces matrices et moules de finition, ont constaté que cette méthode d'usinage réduit les coûts de production, améliore la qualité et réduit le temps de production.

Initialement, HSM était principalement utilisé dans l'industrie des matrices/moules, mais il est devenu beaucoup plus largement utilisé dans d'autres industries, notamment l'aérospatiale, l'automobile, le micro-usinage, les composants de précision et l'usinage général.

Pour intégrer au mieux HSM, il peut être utile de bien comprendre de quoi il s'agit et comment il fonctionne.

HSM est un processus de coupe de métal qui met l'accent sur des vitesses et des avances élevées pour augmenter la productivité et améliorer la qualité de surface. HSM compose un régime de broche plus élevé, utilise des outils plus petits et effectue des coupes moins profondes que les opérations de fraisage traditionnelles. HSM est généralement associé à toute vitesse de broche supérieure à 15 000 tr/min, mais c'est bien plus qu'une simple broche plus rapide.

Les modifications apportées à la conception des voies de guidage et l'amélioration des capacités de traitement du contrôleur jouent un rôle clé dans la capacité d'une machine à exécuter HSM.

Alors que les machines-outils traditionnelles utilisaient généralement des systèmes de guidage en caisson pour améliorer la rigidité, de nombreuses machines-outils à grande vitesse utilisent des guidages linéaires.

Les systèmes à voies linéaires réduisent la friction et sont généralement plus précis tout en acceptant des charges plus légères.

Les contrôleurs dotés d'une technologie d'anticipation avancée réduisent également les temps de cycle. L'anticipation fait simplement ce qu'elle implique, anticipant les données et maintenant la vitesse d'alimentation la plus élevée possible sans compromettre la précision des pièces. C'est comme si un opérateur ajustait constamment un cadran de priorité d'avance des milliers de fois par seconde pour augmenter l'avance, si possible, et la diminuer quand c'est nécessaire pour maintenir la précision.

Selon les normes passées, la plupart des nouveaux centres d'usinage seraient désormais considérés comme des machines à grande vitesse.

Les progrès technologiques ont poussé les vitesses de broche à plus de 100 000 tr/min. Pour accompagner les broches à plus grande vitesse, les capacités d'anticipation des systèmes de contrôle modernes continuent d'augmenter le potentiel des centres d'usinage à grande vitesse. Même avec des broches à vitesse plus élevée, certaines machines utilisent encore des glissières ou d'autres systèmes de guidage plus conventionnels qui les rendent plus adaptées à l'usinage lourd qu'au fraisage à grande vitesse.

Les utilisations les plus courantes de HSM sont :

Le principal avantage de HSM est qu'il permet des vitesses d'usinage beaucoup plus rapides que l'usinage conventionnel. Cela conduit à des économies de temps et d'argent importantes, en particulier pour les séries de production à grande échelle. HSM peut également produire des finitions de meilleure qualité que l'usinage conventionnel, car il utilise un DOC plus petit et des étapes plus petites.

Bien que la HSM soit plus courante dans le fraisage de finition, l'application de ces techniques aux cycles d'ébauche réduit les temps de cycle et diminue les contraintes et l'usure des machines-outils. HSM est souvent utilisé pour usiner des matériaux difficiles à usiner, tels que les aciers trempés, le titane et les alliages aérospatiaux, et il peut également être utilisé pour produire des finitions de très haute qualité.

Les vitesses élevées de HSM entraînent une usure plus rapide des outils de coupe et le processus peut être plus difficile à contrôler que l'usinage conventionnel. De plus, HSM peut être plus coûteux à mettre en œuvre car il nécessite des équipements et des outils spécialisés.

Le fonctionnement des outils de coupe à un régime élevé entraîne une augmentation de la chaleur générée lors de la coupe. Cependant, la plupart des matériaux voient en fait une réduction de la chaleur à un certain seuil de vitesse de surface, car le temps que l'arête de coupe passe dans le matériau est considérablement réduit.

Par exemple, les métaux non ferreux voient généralement une augmentation de la température de coupe jusqu'à environ 1 000 SFM, après quoi les températures commencent à diminuer. La recherche montre que les forces de coupe diminuent également, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles il y a moins de chaleur.

Cependant, les vitesses élevées augmentent le risque de broutage, ce qui peut laisser de mauvaises finitions et accélérer l'usure de l'outil. Pour lutter contre cela, une approche scientifique telle que le test de prise peut être utilisée, dans laquelle la fréquence de résonance de la configuration est identifiée, ce qui localise les zones de bavardage possibles.

Un moyen plus simple de résoudre le problème de broutage consiste à utiliser des supports anti-vibrations tels que des mandrins hydrauliques ou de fraisage, par opposition aux ajustements frettés, ainsi qu'à utiliser des fraises à géométrie variable qui cassent les harmoniques de la fraise.

HSM nécessite également un parcours d'outil avancé, ce qui signifie que vous avez besoin à la fois d'un programmeur hautement qualifié et d'un logiciel robuste. De plus, les opérateurs devront prendre des précautions supplémentaires pour déterminer si le processus mis en œuvre fonctionne avec succès et être en mesure d'identifier tout défaut avant de mettre au rebut une pièce ou d'endommager des outils et des machines.

Le coût de la mise en œuvre du HSM peut constituer une barrière à l'entrée. Cela nécessite des machines-outils, des accessoires et des outils de coupe coûteux qui fonctionnent tous en harmonie pour créer un processus avancé. Non seulement l'équipement est coûteux, mais souvent un machiniste capable de créer et de mettre en œuvre ces processus peut coûter plus cher.

Les machines à grande vitesse présentent plusieurs caractéristiques qui les distinguent des machines d'usinage conventionnelles :

HSM nécessite un outillage spécial capable de supporter les vitesses et les avances élevées utilisées dans le processus.

Les exigences d'outillage et de serrage pour HSM sont plus exigeantes que celles de l'usinage conventionnel car les vitesses et les avances élevées utilisées dans HSM peuvent provoquer des vibrations de la pièce, ce qui peut entraîner des finitions de qualité inférieure et des dommages à l'outil.

Les considérations clés pour l'outillage et le serrage pour HSM incluent les outils de coupe eux-mêmes, le serrage et le serrage de l'outil.

Les outils de coupe doivent être capables de supporter les vitesses et les avances élevées utilisées dans HSM. Les outils en carbure monobloc revêtus sont le type de fraise le plus couramment utilisé en HSM. Les outils CBN peuvent également être utilisés car ils ont une très grande résistance à l'usure et peuvent créer de meilleures finitions car il n'y a aucun risque de changer d'outils au milieu d'une pièce et d'avoir besoin de fusionner les surfaces.

Le porte-pièce doit maintenir solidement la pièce en place pour l'empêcher de fléchir et de bricoler.

Les technologies de porte-outils, telles que les pinces de serrage et les mandrins hydrauliques, sont un bon choix pour HSM car elles amortissent les vibrations. Les supports doivent être équilibrés avant d'être placés dans une machine pour réduire les vibrations et améliorer la précision.

En fin de compte, l'état de surface souhaité affecte le choix de l'outillage et du serrage. Des coupes plus légères et des enjambements plus petits sont nécessaires pour créer la meilleure finition possible, et cela se fait efficacement à des vitesses de broche élevées.

Le coût de l'outillage et du serrage peut également être un facteur majeur dans toute décision d'utiliser HSM. L'outillage HSM est généralement plus cher que l'outillage d'usinage conventionnel.

Les trajectoires d'outil HSM sont les trajectoires suivies par l'outil de coupe lorsqu'il enlève de la matière de la pièce. La conception du parcours d'outil a un effet significatif sur la qualité du produit fini et la productivité du processus d'usinage.

Un certain nombre de parcours d'outils différents peuvent être utilisés dans HSM. Deux communes sont:

1. Parcours d'outils à engagement constant. Ces trajectoires d'outil maintiennent un angle d'engagement constant entre l'outil de coupe et la pièce à usiner. Ce type de trajectoire d'outil est souvent utilisé car il crée des surfaces lisses qui se mélangent à travers différentes géométries.

2. Trajectoires d'outil de fraisage à haute efficacité (HEM). Ces trajectoires d'outil sont conçues pour créer un engagement constant de la fraise sur toute la longueur de l'arête de coupe périphérique de la fraise. La largeur de copeau constante crée des forces de coupe uniformes et rend l'usure de l'outil et la finition de surface prévisibles et cohérentes.

Le choix du parcours d'outil pour une application particulière dépend de plusieurs facteurs, notamment le type de matériau usiné, la finition de surface souhaitée et les exigences de productivité.

HSM présente un défi en ce qui concerne le liquide de refroidissement, car la chaleur élevée qui est générée peut entraîner un choc thermique et une usure prématurée de l'outil.

Il existe trois principales stratégies d'arrosage pour l'usinage à grande vitesse : l'utilisation d'arrosages solubles dans l'eau, l'utilisation de MQL et l'usinage à sec.

L'utilisation d'un liquide de refroidissement soluble dans l'eau peut être délicate. Bien que l'arrosage par inondation soit courant dans de nombreuses opérations d'usinage, il est souvent évité lors de l'utilisation de vitesses de broche élevées. Cela est dû au fait que les réfrigérants solubles dans l'eau ont une plus grande conductivité thermique, ce qui refroidit rapidement l'outil. Cependant, les fabricants de liquides de refroidissement développent constamment de nouvelles technologies qui permettent d'utiliser des liquides de refroidissement à base d'eau pour les HSM.

L'usinage à sec est souvent utilisé dans le fraisage dur car il évite les problèmes liés au refroidissement rapide des outils et aux chocs thermiques. En règle générale, un jet d'air est appliqué à la pointe de la fraise pour réduire la chaleur tout en éliminant les copeaux de la zone de coupe.

MQL utilise une très petite quantité d'huile de coupe soufflée à l'air. MQL peut être utilisé comme un bon "terrain d'entente" car il fournit une bonne lubrification à la surface sans provoquer de refroidissement rapide.

Le choix de la stratégie de liquide de refroidissement dépend de l'application spécifique, et les fabricants de liquide de refroidissement ont différents liquides de refroidissement en fonction du matériau, du type d'usinage effectué et des outils de coupe utilisés.

HSM produit des finitions de surface très lisses, tant que les paramètres d'usinage sont correctement définis. De nombreux facteurs affectent la finition de surface produite par HSM.

La géométrie de l'outil de coupe a un effet significatif sur la finition de surface. Les géométries telles que l'angle de coupe, l'angle d'hélice et les angles de dépouille déterminent toutes la propreté du matériau, laissant une finition plus lisse, mais elles déterminent également la rapidité avec laquelle un outil s'use ou même se casse lors de la coupe de certains matériaux.

La vitesse de coupe est l'un des facteurs les plus importants qui affectent la finition de surface produite par HSM. Des vitesses de coupe plus élevées réduisent les forces de coupe au-delà d'un certain seuil, ce qui peut entraîner des finitions plus lisses.

Une attention particulière doit être portée lors du choix d'une vitesse d'avance, car la charge de copeaux (avance par dent) affecte directement la finition de surface. Une plus grande avance par dent donne une surface plus rugueuse, mais si un outil est alimenté trop lentement, un brunissage peut se produire, laissant une finition indésirable et provoquant une usure prématurée de l'outil.

Comme mentionné, l'utilisation de liquide de refroidissement affecte également la finition de surface produite par HSM. Le liquide de refroidissement aide à réduire la chaleur et les vibrations, ce qui contribue à améliorer la finition.

Carl O'Brien est directeur des ventes canadiennes pour MC Machinery Systems Canada, 50 Vogell Rd., Unit #1, Richmond Hill, Ont. L4B 3K6, 905-737-1265, www.mcmachinery.com.