Comment obtenir une bonne qualité de pièce en tournage

Le contrôle des copeaux est l'un des paramètres les plus importants dans les opérations de tournage ; il est essentiel pour la qualité des pièces. Il convient de choisir des conditions de coupe correctes et de respecter les indications sur les applications pour obtenir des pièces de qualité.

Bon contrôle des copeaux

Le contrôle des copeaux est l'un des facteurs clés en tournage. Il existe trois méthodes de fragmentation :

• Fragmentation spontanée (par exemple avec les fontes grises)
• Fragmentation contre l'outil
• Fragmentation contre la pièce

Fragmentation spontanée

Fragmentation contre l'outil

Fragmentation contre la pièce

Facteurs qui influencent la fragmentation des copeaux

• Géométrie de plaquette : En fonction de la géométrie de la plaquette, de la largeur de l'espace copeau et de la conception de la micro/macro-géométrie, le copeau est plus ou moins ouvert ou compressé
• Rayon de bec : Un petit rayon de bec offre un meilleur contrôle des copeaux qu'un grand
• Angle d'attaque : En fonction de l'angle d'attaque, le copeau est orienté dans différentes directions : vers l'épaulement ou en s'éloignant de l'épaulement
• Profondeur de coupe : En fonction de la matière de la pièce, la profondeur de coupe influence la fragmentation des copeaux ; plus elle est importante, plus la force pour fragmenter et évacuer le copeau est importante
• Avance : Une grande avance produit des copeaux plus épais. Dans certains cas, cela favorise la fragmentation et le contrôle des copeaux
• Vitesse de coupe : Une modification de la vitesse de coupe peut influencer la fragmentation des copeaux
• Matière : Les matières à copeaux courts (par ex. les fontes) sont en général faciles à usiner. Avec les matières qui ont une excellente résistance mécanique et une excellente résistance au fluage
  (tendance à se déformer lentement sous la contrainte, par ex. Inconel) la fragmentation des copeaux pose plus de problèmes

Conditions de coupe pour le tournage

Pour choisir une vitesse et une avance correctes pour le tournage, il faut tenir compte de la machine, de l'outil, de la plaquette et de la matière usinée.

• Commencer avec une avance réduite pour garantir la sécurité de la plaquette et l'état de surface, puis augmenter l'avance pour améliorer la fragmentation des copeaux
• Appliquer une profondeur de coupe supérieure au rayon de bec. Ceci réduit la déflexion radiale de la plaquette, c'est important en usinage intérieur.
• Une vitesse de coupe trop faible entraînera une durée de vie d'outil inadéquate. Toujours appliquer la vitesse de coupe recommandée, v_c m/min (pieds/min)

Amélioration de la qualité des pièces grâce à l'arrosage

Un arrosage correctement appliqué améliore la qualité du process, les performances de l'outil et la qualité de la pièce usinée. Éléments à prendre en compte pour l'arrosage :

• Les outils spécialement développés pour l'arrosage de précision sont recommandés pour les applications de finition
• La pression d'arrosage nécessaire pour fragmenter les copeaux dépend du diamètre de la buse d'arrosage, de la matière usinée, de la profondeur de coupe et de l'avance
• Le débit de liquide de coupe nécessaire dépend de la pression et de la surface totale des orifices d'arrosage de l'outil
• Pour les applications d'ébauche et semi-finition, il est recommandé d'utilisé l'arrosage par le dessous
• Pour les opérations de finition, il est recommandé d'utiliser à la fois l'arrosage de précision et l'arrosage par le dessous

Résolution des problèmes par application correcte de l'arrosage

• Problèmes de contrôle des copeaux : Utiliser l'arrosage par le dessus
• Cotes incorrectes : Ceci est généralement provoqué par une chaleur excessive ; utiliser à la fois l'arrosage par le dessus et par le dessous à une pression aussi élevée que possible
• État de surface de mauvaise qualité : Si le problème est dû aux copeaux, utiliser l'arrosage par le dessus
• Durée de vie d'outil imprévisible dans les opérations d'ébauche : Utiliser l'arrosage par le dessous uniquement
• Durée de vie d'outil imprévisible dans les opérations de finition : Utiliser à la fois l'arrosage par le dessus et par le dessous
• Mauvaise évacuation des copeaux dans les opérations intérieures : Utiliser à la fois l'arrosage par le dessus et par le dessous à une pression aussi élevée que possible

Application de l'arrosage en tournage

Pour obtenir de bons états de surface en tournage

Règles générales pour la qualité de l'état de surface :

• L’état de surface peut souvent être amélioré par le choix de vitesses de coupe plus élevées
• La géométrie de plaquette (angles d'attaque neutres, positifs et négatifs ainsi qu'angles de dépouille positifs) influence l'état de surface
• Le choix de la nuance de plaquette a une certaine influence sur l'état de surface
• En cas de vibrations, sélectionner un plus petit rayon de bec

Plaquettes wiper

Les plaquettes wiper autorisent des avances plus élevées sans perte de qualité au niveau des états de surface ni problèmes de fragmentation des copeaux

Recommandations générales : Avance doublée = Etat de surface inchangé. Avance inchangée = État de surface deux fois meilleur.

Conçues pour lisser l'état de surface généré par le déplacement de la plaquette le long de la pièce, les arêtes wiper servent surtout pour le tournage et le dressage en ligne droite.

Rayon standard

Rayon Wiper

Choix d'une géométrie wiper

Comparaison des plaquettes standard et wiper en fonction de l'avance

Note ! Toutes les valeurs pour les rayons standard sont calculées théoriquement. Les valeurs pour les rayons wiper sont basées sur des essais dans un acier faiblement allié.

1. Les valeurs pour le rayon de 1.6 mm (0.06 pouce) sont basées sur une plaquette DNMX.

Indications sur les applications de tournage extérieur

Pièces sujettes aux vibrations

Coupe en une seule passe (par ex. pour les tubes)

Il est recommandé d'effectuer la coupe en une seule passe afin de diriger les forces dans le sens axial vers le mandrin/la broche.

Exemple :
Diamètre extérieur (OD) 25 mm (0.984 pouce)
Diamètre intérieur (ID) 15 mm (0.590 pouce)
Profondeur de coupe, a_p = 4.3 mm (0.169 pouce)
Épaisseur de paroi résultante = 0.7 mm (0.028 pouce)

OD = 25 mm (0.984 pouce)	ap 4.3 mm (0.169 pouce)
	ID = 15 mm (0.590 pouce)

Un angle d'attaque proche de 90° permet de diriger les forces de coupe dans la direction axiale. Ceci permet d'exercer des forces de flexion minimales sur la pièce.

Coupe en deux passes

L'usinage simultané avec la tourelle supérieure et la tourelle inférieure équilibre les forces de coupe radiales et permet d'éviter les vibrations ainsi que la flexion de la pièce.

Pièces minces ou à parois minces

Pour le tournage de pièces minces ou à parois minces, tenir compte des points suivants :

• Utiliser un angle d'attaque proche de 90°. Même une petite modification (d'un angle de 91 degrés à un angle de 95 degrés) a une influence sur la direction des forces de coupe pendant l'usinage
• La profondeur de coupe, a_p, doit être supérieure au rayon de bec, RE. Une grande a_p augmente la force axiale,Fz, et réduit la force de coupe radiale, F_x, ce qui provoque des vibrations
• Utiliser une plaquette avec une arête vive et un petit rayon de bec, RE, pour réduire les forces de coupe.
• Envisager une nuance Cermet ou PVD pour avoir une meilleure résistance à l'usure et une arête de coupe vive, ce qui est préférable dans ce type d'opération

Épaulements / tournage d'épaulements

Suivre les étapes 1 à 5 pour éviter d'endommager l'arête de coupe. Cette méthode est particulièrement recommandée pour les plaquettes avec un revêtement CVD ; elle réduit considérablement les risques de fractures.

Etapes 1 à 4 :

La distance de chaque étape (1 à 4) doit être identique à l'avance pour éviter les bourrages de copeaux.

Etape 5 :

La coupe finale doit être faite en une seule passe verticale du diamètre extérieur vers le diamètre intérieur.

Des problèmes d'enroulement des copeaux sur le rayon peuvent aussi survenir en cas d'usinage du diamètre intérieur vers le diamètre extérieur lors du dressage de l'épaulement. La modification de la trajectoire de l'outil peut inverser la direction des copeaux et résoudre le problème.

Surfaçage

Commencer par le dressage (1) et le chanfrein (2). Si c'est possible, et si la configuration géométrique de la pièce le permet, usiner le chanfrein (3). La coupe longitudinale (4) est la dernière opération. La plaquette entre en coupe et en ressort avec douceur.

Le dressage doit être la première opération pour définir le point de référence de la pièce pour la passe suivante.

La formation de bavures est souvent un problème à la fin de la coupe (fin de passe). Ceci peut être réduit ou évité en usinant un chanfrein ou un rayon (interpolation autour d'un angle) de manière à repousser les bavures hors de la pièce.

Un chanfrein sur la pièce permet d'avoir une entrée en coupe plus douce de l'arête (pour le dressage et pour le chariotage).

Coupes interrompues

Usinage avec interruptions :

• Utiliser une nuance PVD pour avoir une bonne ténacité d'arête dans les applications avec des interruptions rapides, par exemple les barres hexagonales
• Utiliser une nuance CVD tenace pour avoir une bonne ténacité d'ensemble dans les applications avec de grandes pièces et des interruptions lourdes
• Le cas échéant, utiliser un brise copeaux fort pour avoir une bonne résistance à l'écaillage
• Il peut être utile d'arrêter l'arrosage pour éviter les fissures thermiques

Finition avec usinage d'un dégagement (pour la rectification)

Utiliser le plus grand rayon de bec, RE, possible pour le chariotage et le dressage :

• Arête plus résistante et fiable
• Bonne qualité d'état de surface
• Possibilité de grande avance

Ne pas dépasser la largeur du dégagement et usiner celui-ci à la fin pour retirer les bavures.

Indications sur les applications de tournage intérieur

• Choisir le plus grand diamètre de barre possible tout en veillant à ce qu'il y ait assez d'espace libre pour l'évacuation des copeaux entre la barre et les parois de l'alésage
• Veiller à ce que l'évacuation des copeaux soit suffisante au regard des conditions de coupe appliquées et s'assurer que le type de copeau produit est correct
• Choisir le porte-à-faux le plus petit possible, mais veiller à ce que la longueur de la barre d'alésage autorise une longueur de serrage suffisante en fonction des recommandations. La longueur de serrage ne doit jamais être inférieure à 3 fois le diamètre de la barre
• Utiliser une barre antivibratoire si les pièces produites sont sensibles aux vibrations
• Sélectionner un angle d'attaque aussi proche que possible de 90° de manière à diriger les forces de coupe le long de la barre d'alésage. L'angle d'attaque ne doit en aucun cas être inférieur à 75°
• Choisir de préférence une plaquette avec une forme de base et une géométrie positives de manière à réduire la déflexion de l'outil
• Choisir un rayon de bec plus petit que la profondeur de coupe
• Un engagement insuffisant de l'arête de coupe peut donner lieu à des vibrations en raison du frottement pendant la coupe. Appliquer un engagement de l'arête de coupe supérieur au rayon de bec pour avoir une bonne action de coupe
• Un engagement trop important de l'arête de coupe (grande profondeur de coupe et/ou grande avance) peut augmenter les vibrations provoquées par la déflexion de l'outil
• Les plaquettes avec des revêtements minces et les plaquettes non revêtues donnent des forces de coupe plus faibles que les plaquettes avec un revêtement épais. Ceci est particulièrement important si le rapport entre la longueur et le diamètre de l'outil est grand. Les arêtes vives améliorent, en principe, la qualité des alésages usinés car elles réduisent les risques de vibrations
• Les géométries avec un brise-copeaux ouvert sont souvent avantageuses en tournage intérieur
• Dans certaines opérations, une nuance plus tenace peut être envisagée s'il existe des risques de bourrage des copeaux ou de vibrations
• Si la formation des copeaux a besoin d'être améliorée, envisager des trajectoires d'outil différentes

Indications sur les applications de tournage dur

En plus des recommandations générales pour le tournage, certains facteurs spécifiques doivent être pris en compte pour le tournage dur (si le process de production comprend la préparation de la pièce avant la trempe) :

• Eviter les bavures
• Produire des cotes proches de la tolérance
• Usiner les chanfreins et produire les rayons avant la trempe
• Eviter les entrées ou sorties abruptes de la matière
• Entrer ou sortir de la matière par interpolation

Mesure de la surface

Axe X : Longueur

Axe Y : Déviation du diamètre

Surface critique

Montage

• Il est impératif d'avoir une bonne stabilité machine, un bridage sûr et un bon alignement de la pièce
• En règle générale, un rapport longueur-diamètre de 2:1 est normalement acceptable pour les pièces bridées à une seule extrémité. Avec une contre-broche, ce rapport peut être plus grand
• Pour une meilleure stabilité dimensionnelle, la broche et la contrepointe doivent être symétriques sur le plan thermique
• Utiliser le système Coromant Capto®
• Utiliser les porte-à-faux les plus petits possibles pour une meilleure rigidité du process
• Envisager l'utilisation d'une barre d'alésage carbure et de Silent Tools pour le tournage intérieur

Micro géométrie de plaquette

Les préparations d'arête typiques des plaquettes CBN sont le type S et le type T.

• Type S : La meilleure résistance d'arête. Résistance au micro écaillage et état de surface de qualité constante.
• Type T : États de surface optimaux dans les coupes continues et peu de bavures dans les coupes interrompues. Forces de coupe plus faibles.

Type S

Chanfrein avec léger rodage

Type T

Chanfrein sans rodage

Géométrie des inserts

• Si les conditions sont stables, toujours utiliser une géométrie wiper pour obtenir de meilleurs états de surface.
• Utiliser une plaquette avec un petit angle d'attaque pour une productivité élevée.
• N'utiliser un rayon de bec normal que si la stabilité est mauvaise (pièce mince, etc.).

Usinage à sec ou sous arrosage

Le tournage dur se fait à sec, dans l'idéal, ce qui est tout à fait possible. Les plaquettes CBN ou céramique supportent des températures élevées et cela permet d'éliminer le coût du liquide de coupe ainsi que les difficultés associées.

Certaines applications peuvent nécessiter un arrosage, notamment s'il faut contrôler la stabilité thermique de la pièce. Dans ce cas, il convient d'appliquer un arrosage continu pendant toute l'opération.

En général, la chaleur produite par l'usinage se répartit dans les copeaux (80%), la pièce (10%) et la plaquette (10%). C'est pour cela qu'il est important d'évacuer les copeaux de la zone de l'arête de coupe.

Conditions de coupe et usure

Une élévation importante de la température dans la zone de coupe réduit les forces de coupe. Une vitesse de coupe trop faible ne génère pas suffisamment de chaleur et peut provoquer la rupture de la plaquette.

L'usure en cratère attaque progressivement la résistance de la plaquette, mais elle ne dégrade pas beaucoup l'état de surface. Par contraste, l'usure en dépouille a un effet sur les tolérances de cotes.

Proportion de l'usure déterminant la durée de vie d'outil
*) Usure en dépouille **) Usure en cratère

Critères de changement de plaquette

L'obtention d'un état de surface prédéfini (B) est un critère de changement de plaquette fréquent et pratique. L'état de surface est mesuré automatiquement dans un poste séparé et une valeur qualitative est attribuée.

Pour avoir un process optimal et stable, il faut définir le nombre de pièces (A) au bout duquel la plaquette doit être changée. Ce nombre doit être 10 à 20% inférieur à l'état de surface prédéterminé ; il est à déterminer au cas par cas.

A : Nombre de pièces prédéfini

B : Etat de surface prédéfini

Axe X : Nombre de pièces

Axe Y : État de surface

Ligne bleue : Usure de la plaquette

Ligne rouge : Valeur maximum pour R_a/R_z

Stratégie en une passe

Il est possible d'appliquer une stratégie en une seule passe, avec un débit copeaux important, tant pour les opérations extérieures qu'intérieures. Il est important que le montage soit stable ; le porte-à-faux de l'outil ne doit pas dépasser le diamètre de la barre pour le tournage intérieur (1xD). Pour de bons résultats, nous recommandons l'utilisation de plaquettes avec chanfrein et léger rodage ainsi qu'une vitesse et une avance réduites.

Avantages

• Temps d'usinage le plus court possible
• Une seule position d'outil

Inconvénients

• Il est difficile d'atteindre des tolérances dimensionnelles serrées
• Durée de vie d'outil plus courte (par rapport à la stratégie en deux passes)
• Erreurs de tolérances en raison de l'usure assez rapide

Stratégie en deux passes

Une stratégie en deux passes autorise un usinage sans surveillance et des états de surface de grande qualité. Nous recommandons l'utilisation de plaquettes d'ébauche avec un rayon de 1.2 mm (0.047 pouce) et de plaquettes de finition avec chanfrein seul. Ces deux sortes de plaquettes doivent avoir une géométrie wiper.

Avantages

• Outillage optimisé pour l'ébauche et la finition
• Sécurité plus élevée, tolérances plus serrées et séries plus longues entre les changements d'outils

Inconvénients

• Deux plaquettes sont nécessaires
• Deux positions d'outil
• Un changement d'outil supplémentaire