Seco tools- Surmonter le défi des usinages de longue portée

Surmonter le défi des usinages de longue portée

Certaines tendances actuelles dans la fabrication mettent en évidence la difficulté de créer des alésages de précision et d’effectuer des opérations de tournage avec des outils de longue portée. La demande en tolérances plus faibles et en une répétabilité sans faille se développe en permanence. Les nouvelles matières à usiner haute-performance sont plus difficiles à travailler et mettent le système d’usinage à rude épreuve. Pour optimiser, les industriels regroupent plusieurs pièces en une seule grande pièce à usiner d’un bloc qui nécessite de réaliser des alésages profonds et de faire tourner des composants complexes sur des machines-outils polyvalentes.

Pour surmonter ces défis, les fabricants doivent examiner tous les éléments de leurs systèmes d’usinage et employer des techniques et des outils qui permettront d’assurer leur succès. Parmi les facteurs clés de cette réussite, on compte la stabilité de la machine, le système d’attachement de l’outil, le bridage de la pièce à usiner et la géométrie de l’outil coupant. En général, une fixation solide, des outils rigides et une utilisation soigneuse de ces derniers constituent les conditions préalables pour un alésage précis et productif et pour des opérations de tournage de longue portée.

Les producteurs de pétrole et de gaz, la production d’électricité et la fabrication de composants pour l’industrie aérospatiale sont de bons candidats pour la modernisation de l’outillage et des techniques. En effet, ils travaillent régulièrement avec de grandes pièces complexes dont les caractéristiques exigent l’utilisation d’outils de longue portée. La plupart des pièces sont faites à partir d’alliages durs difficiles à usiner et nécessitant des efforts de coupe à l’origine d’importantes vibrations. De façon générale, pratiquement n’importe quel fabricant peut bénéficier de l’amélioration de la productivité et de la réduction des coûts dans les opérations d’alésage de longue portée.

Flexion et vibration
L’alésage en profondeur se distingue des autres opérations de coupe dans la mesure où l’arête de coupe qui agit dans l’alésage se trouve à une grande distance de la connexion de l’outil à la machine. Les opérations de tournage interne de longue portée présentent des conditions similaires et ces deux opérations de tournage et d’alésage peuvent présenter des anomalies à la coupe interrompue, comme c’est le cas sur des pièces à usiner telles que des carters de pompe ou de compresseur. La longueur restante de l’outil en porte-à-faux est imposée par la profondeur du trou et peut être la cause de flexions de la barre d’alésage ou de l’outil de tournage de longue portée.

La flexion met en évidence l’évolution des forces dans le process de coupe et peut causer des vibrations et des broutages qui dégradent la qualité des états de surface, accélèrent l’usure et la casse des outils coupants et endommagent les composants de la machine-outil, tels que la broche. Elles provoquent des réparations coûteuses et de longues périodes d’inactivité. La variation des forces résulte de déséquilibres des composants de la machine, d’un manque de rigidité du système ou de vibrations concomitantes d’éléments du système. Les efforts de coupe évoluent également, car l’outil est périodiquement sollicité au fur et à mesure que les copeaux se forment et cassent. Les conséquences des vibrations d’usinage incluent un mauvais état de surface, un manque de précision sur les dimensions d’alésage, une usure rapide de l’outil, une réduction des cadences de production, une augmentation des coûts de production et l’endommagement des porte-outils et des machines-outils.

Rigidité de la machine et fixation de la pièce à usiner
L’approche de base pour maîtriser les vibrations dans les opérations d’usinage consiste à maximiser la rigidité des éléments du système. Pour limiter les mouvements parasites, une machine-outil doit être construite avec des éléments de structure rigides et lourds, renforcés avec du béton ou tout autre matériau absorbant les vibrations. Les roulements et douilles de la machine doivent être serrés et résistants.

Il faut positionner avec précision et maintenir les pièces dans la machine-outil. Les fixations doivent avant tout être conçues avec simplicité et rigidité et les brides doivent être situées aussi proches que possible de la partie coupante de l’arête de coupe. Les pièces à paroi mince ou les pièces soudées ainsi que celles comportant des sections non maintenues sont sujettes aux vibrations lors de l’usinage. Les pièces peuvent être repensées pour améliorer la rigidité, mais de tels changements dans la conception peuvent les alourdir et compromettre les performances du produit usiné.

Porte-outil
Pour maximiser la rigidité, une barre d’alésage ou une barre de tournage doit être aussi courte que possible, mais néanmoins rester assez longue pour usiner toute la longueur de l’alésage ou du composant. Le diamètre de la barre d’alésage doit être le plus grand possible par rapport à l’alésage tout en permettant une évacuation efficace des copeaux.

Les efforts de coupe augmentent et diminuent en fonction de la formation et de la rupture des copeaux. Les variations de l’effort deviennent une source supplémentaire de vibrations qui peuvent interagir de façon concomitante avec le porte-outil ou le mode de vibration naturel de la machine et s’auto-entretenir, voire même augmenter. Les outils usés ou ceux qui ne prennent pas une passe suffisamment profonde peuvent constituer d’autres sources de vibrations. Celles-ci provoquent une instabilité ou une résonance qui se synchronise également avec la fréquence naturelle de la broche de la machine ou de l’outil pour générer ensuite des vibrations parasites.

Un long porte-à-faux d’une barre d’alésage ou d’une barre de tournage peut être à l’origine de vibrations dans un système d’usinage. L’approche de base pour maîtriser les vibrations comprend l’emploi d’outils courts et rigides. Plus le rapport entre la longueur et le diamètre de la barre est grand, plus il y a de risques de vibrations.

Différents matériaux présentent différents comportements vibratoires. Les barres en acier résistent généralement aux vibrations jusqu’à un rapport 4:1 de longueur par rapport au diamètre de barre (L/D). Les barres en métaux lourds à base d’alliages de tungstène sont plus denses que l’acier et tolèrent des rapports L/D de barre de l’ordre de 6:1. Les barres en carbure monobloc ont une plus grande rigidité et autorisent des rapports L/D de barre de 8:1 avec l’inconvénient possible d’un coût plus élevé, surtout lorsqu’une barre de grand diamètre est nécessaire.

Une autre façon d’amortir les vibrations consiste à utiliser une barre antivibratoire. La barre dispose d’un amortisseur de masse interne qui est conçu pour résonner en opposition de phase avec la vibration parasite, pour absorber son énergie et minimiser le mouvement lié aux vibrations. Steadyline® de Seco Tools (voir encadré) est notamment équipé d’un amortisseur de vibration pré-réglé composé d’une masse d’amortissement faite d’un matériau à haute densité suspendu à l’intérieur de la barre par des éléments d’absorption radiale. La masse de l’amortisseur de vibrations absorbe immédiatement les vibrations transmises par l’outil coupant par le corps de la barre.

Des solutions de mesures actives plus complexes et plus onéreuses peuvent être mises en œuvre sous la forme de capteurs électroniques intégrés à la barre antivibratoire. Cet appareillage va détecter les vibrations et activer des correcteurs électroniques qui vont déclencher une réaction de l’amortisseur de vibration afin d’absorber le mouvement parasite.

Matière à usiner
Les caractéristiques de coupe de la matière à usiner peuvent contribuer à la génération de vibrations. La dureté du matériau, une tendance à générer des arêtes rapportées ou au durcissement, ou encore la présence d’inclusions dures modifient ou interrompent les efforts de coupe. Ceci peut générer des vibrations. Dans une certaine mesure, le réglage des paramètres de coupe peut réduire au minimum les vibrations lors de l’usinage de certains matériaux.

Géométrie des outils coupants
L’outil coupant lui-même est sujet à la flexion radiale et tangentielle. La déviation radiale affecte la précision du diamètre de l’alésage. Avec la flexion tangentielle, la plaquette est forcée vers le bas loin du centre de la pièce. Pour les trous de petit diamètre d’alésage en particulier, le diamètre intérieur courbé du trou réduit l’angle de dégagement entre la plaquette et l’alésage.
La flexion tangentielle va pousser l’outil vers le bas et loin du centre du composant en cours d’usinage, ce qui réduit l’angle de dégagement. La flexion radiale réduit la profondeur de coupe, affectant la précision d’usinage et modifiant l’épaisseur des copeaux. Les changements de profondeur de coupe modifient les efforts de coupe et peuvent entraîner des vibrations.

Les caractéristiques géométriques des plaquettes, dont l’angle, l’entrée de coupe et le rayon de la plaquette peuvent augmenter ou réduire les vibrations. Les coupes positives créent notamment moins d’effort de coupe tangentiel. Mais la configuration de l’angle de coupe positive peut diminuer le dégagement, ce qui peut entraîner des frottements et des vibrations. Un grand angle de coupe et un petit angle d’attaque génèrent des arêtes de coupe vives qui réduisent les efforts de coupe. Cependant, l’arête vive peut être sujette aux dommages liés aux impacts ou à une usure inégale, ce qui aura une incidence sur l’état de surface de l’alésage.

Un petit angle d’attaque à faible arête de coupe génère des efforts de coupe axiaux supérieurs, tandis qu’un grand angle d’attaque est à l’origine d’efforts dans la direction radiale. Les forces de coupe axiales ont un effet limité sur les opérations d’alésage, de sorte qu’un petit angle d’attaque peut être préférable. Mais un petit angle d’attaque concentre également les efforts de coupe sur une plus petite section de l’arête de coupe qu’un grand angle d’attaque avec de possibles répercussions sur la durée de vie de l’outil. En outre, l’angle d’attaque d’un outil affecte l’épaisseur des copeaux et la direction de leur évacuation. Le rayon de la plaquette doit être plus petit que la profondeur de coupe pour minimiser les efforts de coupe radiaux.

Contrôle des copeaux
Évacuer les copeaux de l’alésage est une question essentielle lors des opérations d’alésage. La géométrie de la plaquette, la vitesse de coupe et les caractéristiques de la matière à usiner ont toutes une influence sur le contrôle des copeaux. Il est préférable d’avoir des copeaux courts, car ils sont plus faciles à évacuer de l’alésage et réduisent l’effort sur l’arête de coupe. Mais les géométries très profilées des plaquettes conçues pour briser les copeaux ont tendance à consommer plus d’énergie et peuvent causer des vibrations.

Les opérations visant à créer un bel état de surface peuvent exiger une légère profondeur de coupe qui produira des copeaux plus minces qui aggravent le problème du contrôle des copeaux. Une plus grande vitesse d’avance peut briser les copeaux, mais peut augmenter les efforts de coupe et générer un broutage qui peut nuire à l’état de surface. Les vitesses d’avance élevées peuvent également générer des arêtes rapportées lors de l’usinage d’aciers à faible teneur en carbone. De cette manière, des vitesses d’avance ainsi qu’une alimentation interne optimale en fluide de refroidissement peuvent constituer une solution de contrôle des copeaux pour l’alésage d’alliages d’acier plus malléable.

Conclusion
L’alésage de trous profonds et le tournage avec des outils de longue portée sont des opérations d’usinage courantes et essentielles. La mise en œuvre efficace de ces process exige d’évaluer l’ensemble du système d’usinage pour s’assurer que les multiples facteurs impliqués dans l’atténuation des vibrations et assurant la qualité des produits se complètent pour une productivité et une rentabilité maximales.

(encadré)
La productivité grâce à des outils d’amortissement passif
Le système Steadyline® de Seco Tools peut permettre de réaliser des opérations avec de longs porte-à-faux deux fois plus vite qu’avec des outils non amortis tout en améliorant l’état de surface des pièces, en prolongeant la durée de vie de l’outil et en réduisant l’effort sur la machine-outil. Le système passif/dynamique d’amortissement des vibrations permet de réaliser certaines applications, comme l’emploi d’outils avec des rapports L/D supérieur à 6:1 qui, dans d’autres circonstances, ne seraient pas utilisables, même avec des paramètres d’usinage minimums. Les opérations d’alésage et de tournage à des profondeurs jusqu’à 10xD dans des trous petits et grands peuvent être fiables et productives.

Le système de contrôle des vibrations dynamique/passif Steadyline® fonctionne sur la base d’une interaction des forces vibrantes. Durant le fonctionnement, un effort de coupe produit un mouvement (vibration) dans le support. Pour lutter contre les vibrations, Steadyline® utilise les propriétés d’une seconde masse interne conçue pour posséder la même fréquence naturelle que l’enveloppe extérieure de la barre. La masse est conçue pour résonner en opposition de phase avec les vibrations gênantes, absorber leur énergie et réduire les mouvements parasites.

Dans le système Steadyline®, la masse de l’amortisseur de vibrations est placée à l’avant de la barre, où le potentiel de flexion est plus important et où la masse peut amortir les vibrations immédiatement lorsqu’elles sont transmises de l’arête de coupe au corps de la barre. Steadyline® comporte également des têtes courtes et compactes Seco GL qui positionnent l’arête de coupe à proximité de l’amortisseur pour optimiser l’effet d’absorption des vibrations. Le système peut être adapté à une large gamme d’applications et est particulièrement utile dans les opérations d’alésage en ébauche et en finition ainsi que pour le contournage et l’usinage de poche et le rainurage.

Seco Tools a développé son offre de solutions de tournage et d’alésage de longue portée en ajoutant à sa gamme Steadyline® des barres de tournage et des barres d’alésage amortissant les vibrations. Les nouveautés comprennent des barres Steadyline® 25 mm (1.00 pouce) et 100 mm (4.00 pouces), des têtes GL25 et une gamme de têtes à aléser BA pour les opérations d’ébauche et de finition jusqu’à un diamètre de 115 mm.

Les têtes des outils d’alésage et de tournage peuvent être changées rapidement en utilisant les connexions GL qui offrent une précision de centrage et une répétabilité de 5 microns et peuvent s’orienter à 180°.

Les barres de diamètre 25 mm (1.00 pouce) avec connexions côté pièce à usiner GL25 comprennent des barres renforcées au carbure pour un porte-à-faux d’outil maximal jusqu’à 250 mm avec Seco-Capto™, HSK-T/A et des interfaces à attachement cylindrique côté machine. Les barres d’un diamètre supérieur à 100 mm (4.00 pouces) accueillent les têtes de tournage GL50 existantes et incluent la technologie de refroidissement haute pression Jetstream Tooling® de liquide de refroidissement via des adaptateurs BA-à-GL50.

Là où les techniques classiques échouent, Steadyline® offre précision et fiabilité pour les opérations avec de longs porte-à-faux et réduit ainsi l’effort sur la broche, augmente le débit copeaux de métal, crée des états de surface lisses et prolonge la durée de vie de l’outil.