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 ceux qui terminent les matrices et les moules, 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, y compris 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 ce que c’est et comment cela fonctionne.

HSM est un procédé de découpe de métal qui met l’accent sur des vitesses et des avances élevées pour augmenter la productivité et améliorer la qualité de surface. Les cadrans HSM à un régime de broche plus élevé, utilisent des outils plus petits et prennent 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 changements dans la conception des voies de guidage et l’amélioration des capacités de traitement des contrôleurs jouent un rôle clé dans la capacité d’une machine à effectuer HSM.

Alors que les machines-outils traditionnelles ont généralement utilisé des systèmes de caissons pour améliorer la rigidité, de nombreuses machines-outils à grande vitesse utilisent des guidages linéaires.

Les systèmes linéaires réduisent la friction et sont généralement plus précis tout en s’adaptant à des charges plus légères.

Les contrôleurs dotés d’une technologie avancée de anticipation réduisent également les temps de cycle. Look-ahead fait simplement ce que cela implique, en regardant les données en avant et en maintenant le taux d’avance le plus élevé possible sans compromettre la précision des pièces. C’est comme si un opérateur ajustait constamment un cadran de priorité d’alimentation des milliers de fois par seconde pour augmenter l’alimentation, lorsque cela est possible, et la diminuer lorsque cela est nécessaire pour maintenir la précision.

Selon les normes antérieures, la plupart des nouveaux centres d’usinage seraient désormais considérés comme une machine à grande vitesse.

Les progrès technologiques ont poussé les vitesses de broche à plus de 100 000 tr / min. Pour accompagner les broches à grande vitesse, les capacités d’anticipation des systèmes de commande modernes continuent d’augmenter le potentiel des centres d’usinage à grande vitesse. Même avec des broches à plus grande vitesse, certaines machines utilisent encore des caissons 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 du HSM est qu’il permet des vitesses d’usinage beaucoup plus rapides que l’usinage conventionnel. Cela permet de réaliser d’importantes économies de temps et d’argent, 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 marches plus petites.

Bien que le HSM soit plus courant 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 du 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, la HSM peut être plus coûteuse à mettre en œuvre car elle nécessite un équipement et un outillage spécialisés.

L’utilisation d’outils de coupe à un régime élevé entraîne une augmentation de la chaleur générée dans 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 le tranchant 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 bavardage, ce qui peut laisser de mauvaises finitions et accélérer l’usure des outils. Pour lutter contre cela, une approche scientifique telle que le test de robinet 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 du bavardage consiste à utiliser des supports amortissant les vibrations tels que des mandrins hydrauliques ou de fraisage plutôt que des coupe-rétrécissement, ainsi qu’à utiliser des fraises à géométrie variable qui brisent les harmoniques de la fraise.

HSM nécessite également une trajectoire d’outils avancée, 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 les lacunes avant de mettre au rebut une pièce ou d’endommager les outils et les machines.

Le coût de la mise en œuvre de HSM peut constituer une barrière à l’entrée. Il 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 distinctives des machines d’usinage conventionnelles:

HSM nécessite un outillage spécial capable de résister aux vitesses élevées et aux alimentations utilisées dans le processus.

Les exigences en matière d’outillage et de serrage pour HSM sont plus exigeantes que celles pour l’usinage conventionnel, car les vitesses et les avances élevées utilisées dans HSM peuvent provoquer le claquement 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 la tenue de pièce pour HSM incluent les outils de coupe eux-mêmes, la tenue de la pièce et le maintien de l’outil.

Les outils de coupe doivent pouvoir résister aux vitesses et aux avances élevées utilisées dans HSM. Les outils revêtus en carbure solide sont le type de fraise le plus couramment utilisé dans HSM. Les outils CBN peuvent également être utilisés car ils ont une résistance à l’usure très élevée et peuvent créer de meilleures finitions car il n’y a aucun risque de changer d’outil au milieu d’une pièce et de devoir mélanger des surfaces.

Le serrage doit maintenir solidement la pièce en place pour l’empêcher de fléchir et de bavarder.

La technologie de maintien d’outils, telle que les mandrins de pince et les mandrins hydrauliques, est un bon choix pour HSM car elle amortit 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, la finition de surface souhaitée affecte le choix de l’outillage et du sertissage. Des coupes plus légères et des pas 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 que l’outil de coupe suit lorsqu’il enlève de la matière de la pièce. La conception de la trajectoire d’outil a un effet significatif sur la qualité du produit fini et la productivité du processus d’usinage.

Un certain nombre de trajectoires d’outils différentes peuvent être utilisées dans HSM. Deux sont les plus courants :

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

2. Trajectoires d’outils de fraisage à haut rendement (HEM). Ces trajectoires d’outils sont conçues pour créer un engagement constant de la fraise sur la longueur de l’arête de coupe périphérique d’une fraise. La largeur constante de l’éclat crée des forces de coupe uniformes et rend l’usure de l’outil et la finition de surface prévisibles et cohérentes.

Le choix de la trajectoire d’outil pour une application particulière dépend de plusieurs facteurs, notamment le type de matériau à usiner, la finition de surface souhaitée et les exigences de productivité.

HSM présente un défi en matière de liquide de refroidissement, car la chaleur élevée générée peut entraîner un choc thermique et une usure prématurée des outils.

Il existe trois stratégies principales de liquide de refroidissement pour l’usinage à grande vitesse : l’utilisation de liquides de refroidissement solubles dans l’eau, l’utilisation de MQL et l’usinage à sec.

L’utilisation de liquide de refroidissement soluble dans l’eau peut être délicate. Bien que le liquide de refroidissement d’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 liquides de refroidissement solubles dans l’eau ont une conductivité thermique plus grande, 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 HSM.

L’usinage à sec est souvent utilisé dans le fraisage dur car il évite les problèmes qui surviennent lors du refroidissement rapide des outils et provoque des chocs thermiques. En règle générale, un jet d’air est appliqué sur la pointe du cutter 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 avec de 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 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, à condition que les paramètres d’usinage soient 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 d’inclinaison, l’angle d’hélice et les angles de relief déterminent toutes la propreté du matériau cisaillé, 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 prise lors du choix d’un taux d’avance, car la charge de copeaux (alimentation par dent) affecte directement l’état de surface. Une alimentation plus grande 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.