Usinage entre deux épaulements – focus sur le rainurage

Usinage entre deux épaulements – focus sur le rainurage

Rainurage, tronçonnage, rainurage de profil : le rainurage est l’un des procédés les plus exigeants du tournage. Contrairement au tournage longitudinal ou frontal classique, lors du rainurage et du tronçonnage, l’arête de coupe usine la pièce entre deux épaulements. Ce sont précisément ces conditions limites qui caractérisent fondamentalement le procédé. Alors que les copeaux peuvent s’écouler relativement librement lors du tournage longitudinal, dans le rainurage, les épaulements de la pièce confinent l’arête de coupe à gauche et à droite. Depuis plus de 50 ans, la société Paul Horn GmbH développe des solutions spécialement adaptées à ces opérations d’usinage et est reconnue dans le monde entier comme un spécialiste dans ce domaine.

Lors du rainurage, le copeau quitte essentiellement la zone d’usinage vers le haut et dans le sens opposé à celui de l’avance. Cela impose des exigences accrues en matière de géométrie de l’outil, de formation des copeaux, de refroidissement et de stabilité du processus. Même des écarts minimes peuvent entraîner un enroulement des copeaux, une usure accrue, une mauvaise qualité de surface, voire la rupture de l’outil. Le rainurage est donc loin d’être un processus simple. Seule la coordination entre la technologie de l’outil, le revêtement, la stabilité de la machine, la technologie de serrage et le contrôle du processus garantit des résultats constants. L'objectif est toujours de façonner le copeau de manière contrôlée, de l'évacuer en toute sécurité de la rainure et, parallèlement, d'obtenir une longue durée de vie de l'outil ainsi que des résultats d'usinage reproductibles

Importance de la géométrie de l'arête de coupe

La géométrie de l'arête de coupe exerce une influence significative sur le rainurage et le tronçonnage. Ses principales fonctions consistent à guider les copeaux de manière contrôlée et à leur donner une forme précise. En matière de contrôle des copeaux, la géométrie permet d'obtenir des copeaux courts et faciles à évacuer, tels que des copeaux hélicoïdaux, en spirale, en forme de virgule, segmentés ou discontinus. Cela évite l'enroulement des copeaux et réduit les perturbations du processus. En revanche, les longs rubans de copeaux s’enroulent autour de la pièce ou de l’outil, entravent l’écoulement des copeaux et dégradent la qualité de surface. Parallèlement, la géométrie remodèle et effile sélectivement les copeaux. Cet effilement permet d’évacuer les copeaux en toute sécurité de la rainure, même dans des conditions d’usinage exiguës. Sans brise-copeaux ciblé, on obtient des copeaux larges qui frottent contre les parois de la rainure et endommagent la surface de la pièce.

L'influence de la géométrie est particulièrement évidente lorsqu'on compare différents profils de brise-copeaux. Les profils de brise-copeaux rectifiés et ronds n'ont souvent qu'un effet minime sur le copeau, qui s'écoule de manière largement incontrôlée et forme de longs rubans. En revanche, les géométries dotées de profils de brise-copeaux prononcés produisent des copeaux courts, contrôlés et fortement déformés. Cette formation contrôlée des copeaux est la base de processus d'usinage stables. En particulier avec les matériaux inoxydables tels que le 1.4305, une géométrie adaptée est déterminante pour la fiabilité du processus et la durée de vie de l’outil. Même à des vitesses de coupe d’environ 100 m/min et des avances d’environ 0,12 mm/tr, la formation des copeaux a une influence significative sur le résultat de l’usinage.

Rainurage trochoïdal

Le rainurage trochoïdal élargit les possibilités offertes par les procédés de rainurage classiques. Au lieu d'usiner la rainure dans son intégralité en une seule passe à pleine profondeur, l'outil se déplace le long de la pièce en suivant une trajectoire superposée. Cette stratégie réduit la charge exercée sur l'outil. Parallèlement, l'évacuation des copeaux est améliorée, car ceux-ci présentent une section transversale plus petite. Cette méthode offre des avantages particuliers pour le rainurage profond ou lors de l'usinage de matériaux difficiles à usiner. Les paramètres de processus typiques comprennent, par exemple, des vitesses de coupe d’environ 280 m/min et des avances allant jusqu’à 0,6 mm/tr. On utilise des profondeurs de coupe minimales d’environ 0,7 mm et des profondeurs de coupe maximales pouvant atteindre 1,5 mm. L’angle de coupe se situe généralement entre 40° et 60°. Des angles d’engagement plus faibles réduisent les forces radiales. Parallèlement, la charge thermique sur l’arête de coupe est réduite. Ce procédé est particulièrement adapté à l’usinage moderne à haute performance et permet d’atteindre des taux d’enlèvement de matière élevés.

L'importance des revêtements modernes

Le revêtement des plaquettes de rainurage modernes influe sur la rentabilité et la fiabilité du processus. Il réduit l'usure, minimise le frottement entre le copeau et l'outil, empêche la formation de bords d'accumulation et permet d'utiliser des paramètres de coupe plus élevés. Parallèlement, un revêtement adapté facilite la détection de l'usure et améliore la stabilité du processus. De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du développement des revêtements d’outils. Parmi ceux-ci figurent l’interaction chimique entre l’outil et le matériau de la pièce, le rayon de l’arête de coupe, le procédé de revêtement et les propriétés mécaniques du revêtement. Cependant, l’interaction entre tous ces éléments reste déterminante. Si la géométrie, le substrat et le revêtement ne sont pas compatibles, des contraintes internes apparaissent au sein du revêtement. Celles-ci peuvent améliorer la dureté et la ténacité, mais peuvent également provoquer des fissures ou des écaillages.

Un revêtement adapté au processus influe sur la durée de vie de l'outil. Cependant, le revêtement ne doit pas être considéré isolément. L'interaction de l'ensemble du processus d'usinage reste déterminante. La stabilité de la machine, le serrage de la pièce, le porte-outil, la stratégie de refroidissement et les paramètres de coupe influent directement sur les performances de la plaquette. Des essais pratiques montrent qu'il est possible d'augmenter considérablement la durée de vie de l'outil simplement en utilisant des revêtements adaptés. Dans le même temps, des combinaisons inadaptées entre la géométrie, le revêtement et les paramètres de processus entraînent rapidement une usure prématurée. La conception du processus nécessite toujours une vision globale de l'ensemble du système d'usinage.

Refroidissement pendant le rainurage

Le refroidissement joue un rôle crucial dans le rainurage. Il réduit les contraintes thermiques exercées sur l'arête de coupe, tandis que le fluide de refroidissement facilite activement l'évacuation des copeaux de la zone de coupe. Des températures élevées sont générées, en particulier lors du rainurage de l'acier inoxydable. Des études pratiques mettent en évidence des différences entre les diverses stratégies de refroidissement. Lorsque l'alimentation externe en fluide de refroidissement est à basse pression, une usure importante se produit souvent sur la face de coupe. Si la pression du fluide de refroidissement est augmentée, l'usure est considérablement réduite.

Les systèmes qui dirigent le liquide de refroidissement vers la face de coupe avant donnent d’excellents résultats. Les porte-outils modernes dotés d’une alimentation en liquide de refroidissement intégrée permettent un refroidissement ciblé directement au niveau de la zone de coupe. Cela réduit les contraintes thermiques exercées sur l’arête de coupe. De plus, l’évacuation des copeaux est améliorée. Les systèmes de porte-outils modernes alimentent avec précision la face de coupe et les flancs grâce à des canaux de refroidissement intégrés. L’alimentation directe en liquide de refroidissement soulève les copeaux dès le début et les transporte hors de la rainure de manière contrôlée. Les porte-outils sont généralement équipés de raccords universels pour le liquide de refroidissement, sous forme de fentes ou d’orifices G1/8”.

Ce n'est pas seulement l'alimentation en liquide de refroidissement, mais aussi la composition de celui-ci qui influence le processus d'usinage. Même de légères variations de la teneur en huile d'une émulsion peuvent avoir un impact significatif sur la durée de vie de l'outil. Des exemples concrets montrent que l'augmentation de la teneur en huile de 11 % à 13 % lors de l'usinage de l'Inconel 718 peut doubler la durée de vie de l'outil. En particulier avec les matériaux résistants aux hautes températures, une teneur plus élevée en lubrifiant réduit le frottement entre le copeau et l'outil. Cela permet de réduire la température et l'usure, tout en améliorant la formation des copeaux..

Tronçonnage selon les axes X et Y

Le tronçonnage est l'étape finale d'usinage sur la broche principale. Les erreurs commises lors de ce processus entraînent directement la mise au rebut ou l'endommagement de la pièce.

Traditionnellement, le tronçonnage s'effectue le long de l'axe X. Dans ce cas, les forces de coupe agissent perpendiculairement au porte-outil. À mesure que la distance entre l'arête de coupe et le porte-outil augmente, le porte-à-faux et, par conséquent, le moment de flexion s'accroissent, ce qui entraîne une augmentation des contraintes et de la sensibilité aux vibrations. Lors d’un tronçonnage selon l’axe Y, la direction de la force de coupe résultante change. La majeure partie de la force est absorbée par la structure rigide de la machine, tandis qu’une petite partie seulement s’exerce sur le mécanisme d’avance. La force résultante est transmise au porte-outil selon un angle d’environ 30 degrés. Par conséquent, la tendance effective à la flexion est considérablement réduite. De plus, l’évacuation des copeaux est améliorée, car ceux-ci sont évacués directement vers le bas, dans le banc de la machine.

Les différents rapports de force ont une incidence directe sur la charge exercée sur le logement de la plaquette. En supposant des forces de 2 000 N perpendiculaires à l'arête de coupe et de 400 N dans le sens radial, le tronçonnage le long de l'axe X entraîne une charge nettement plus élevée en raison du moment de flexion important.

Avec un tronçonnage le long de l'axe Y, cette charge est réduite d'environ 30 %. Par conséquent, les processus se déroulent plus en douceur et avec moins de vibrations. Des exemples concrets montrent que le passage d’une coupe sur l’axe X à une coupe sur l’axe Y améliore à la fois la durée de vie de l’outil et la stabilité du processus.

Dans certaines applications, la durée de vie de l’outil a été plus que doublée tout en conservant les paramètres de coupe inchangés. Parallèlement, le niveau sonore est réduit. Cependant, la coupe sur l’axe Y nécessite que la machine et le système de commande prennent en charge les courses d’axes et les stratégies d’usinage requises.

Rainurage de contours complexes

Les contours complexes, tels que les profils à plusieurs dents, imposent des exigences strictes en matière de stratégie d'usinage. Une option consiste à réaliser le contour de manière conventionnelle, étape par étape, à l'aide d'un outil de rainurage. Dans ce cas, les rainures individuelles sont programmées et usinées de manière séquentielle. Cette méthode est particulièrement adaptée aux prototypes ou aux petites séries. Pour les grandes séries, cependant, l’effort de programmation et d’usinage augmente considérablement. Une alternative consiste à utiliser des outils de rainurage de forme, qui permettent de réaliser l’ensemble du contour en une seule opération d’usinage grâce à une arête de profilage spécialement conçue qui crée toute la géométrie en une seule passe. Les avantages sont une grande répétabilité et des temps d’usinage courts. Cependant, la grande longueur de l’arête de coupe engagée à tout moment génère des forces d’usinage élevées, susceptibles de provoquer des vibrations, des marques de surface et des écarts dimensionnels.

Le rainurage tangentiel élargit le procédé classique de rainurage de forme grâce à une stratégie nettement plus stable. La plaquette est généralement positionnée selon un angle d’environ 45° dans son logement. L’outil ne pénètre pas radialement dans la pièce, mais est guidé tangentiellement le long de celle-ci. Dans ce procédé, les différents éléments du contour sont créés les uns après les autres. Contrairement au rainurage radial, toute la largeur de l'arête de coupe n'entre pas en contact simultanément avec le matériau. Les mesures effectuées à l'aide de systèmes de mesure de force montrent des différences nettes entre les deux méthodes. Dans le rainurage conventionnel, des forces de coupe pouvant atteindre près de 6 000 N peuvent être observées. Dans le rainurage tangentiel, ces forces sont nettement inférieures. La réduction de la charge garantit des processus de coupe plus fluides, moins de contraintes sur la machine et des niveaux sonores plus faibles. De plus, l'état de surface de la pièce tournée est amélioré.

Conclusion

Horn est reconnu comme un spécialiste du rainurage fiable et rentable. Des géométries de tranchants optimisées, des revêtements modernes, un refroidissement ciblé et une grande stabilité de la machine sont essentiels pour garantir la stabilité des processus. Une formation des copeaux optimisée et un refroidissement interne améliorent considérablement l'évacuation des copeaux, la qualité de surface et la durée de vie de l'outil. Des procédés tels que le rainurage trochoïdal ou le tronçonnage sur l'axe Y réduisent les efforts, augmentent la stabilité du processus et améliorent la rentabilité.