Une collaboration tournée vers l'avenir : usinage fiable du laiton sans plomb
Une coopération tournée vers l'avenir : l'usinage fiable du laiton sans plomb
REACH et RoHS : depuis quelques années, les exigences réglementaires de l'Union européenne modifient profondément le paysage des matériaux. Avec ces règlements, l'UE limite considérablement l'utilisation de substances dangereuses pour la santé. L'ajout de plomb dans les alliages à base de cuivre fait notamment l'objet d'une attention particulière. Pour de nombreuses applications, notamment dans les domaines de la plomberie, de l’électrotechnique ou de l’automobile, les exigences réglementaires et les clients exigent des matériaux sans plomb. Cela supprime toutefois un composant d’alliage qui, pendant des décennies, a contribué de manière déterminante à la bonne usinabilité du laiton. La société Paul Horn GmbH et le groupe Wieland, leader mondial des produits semi-finis en cuivre et en alliages de cuivre, relèvent ce défi grâce à une étroite collaboration technologique. L’objectif de cette coopération est d’usiner des matériaux en laiton sans plomb de manière rentable, avec une grande fiabilité des processus et en garantissant une qualité élevée des composants.
Dans les laitons classiques destinés aux machines-outils, le plomb remplit plusieurs fonctions. Dans la structure du matériau, il se présente sous forme de particules finement dispersées aux limites des grains. Celles-ci agissent comme des brise-copeaux pendant l'usinage. Le copeau se brise prématurément, les forces d'usinage diminuent et l'évacuation des copeaux s'effectue de manière contrôlée. De plus, le plomb, de nature molle, agit comme un film lubrifiant entre l'outil et la pièce. Il réduit le frottement, abaisse la température au niveau de l'arête de coupe et minimise l'usure de l'outil. En l'absence de plomb, le comportement à l'usinage change. Les alliages de laiton sans plomb présentent une structure dépourvue de particules de plomb, qui, dans les variantes contenant du plomb, agissent comme des points de séparation locaux sans pour autant affaiblir le matériau lui-même. Le laiton sans plomb a donc tendance à présenter une propension nettement plus forte à la formation de copeaux fluides. De plus, les forces de coupe et la contrainte thermique au niveau de l’arête de coupe augmentent. Dans la pratique, cela se traduit par un manque de rupture des copeaux, un engorgement des copeaux dans l’espace de travail ainsi qu’une usure accrue des faces de dépouille et des gorges.
Contrôle de la structure
Wieland répond à ces exigences avec des alliages sans plomb spécialement développés, regroupés au sein de la gamme de produits ecoline®. Grâce à des compositions d'alliages adaptées, à un contrôle ciblé de la structure et à des processus de fabrication optimisés, l'entreprise propose des matériaux dont les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion égalent, voire surpassent, celles des laitons de décolletage classiques. La combinaison de ces mesures améliore considérablement le comportement à la rupture des copeaux. L'usinage reste toutefois plus exigeant qu'auparavant avec le plomb, et la coordination entre le matériau, l'outil et les paramètres permet d'obtenir des processus stables.
Wieland développe ses laitons pour l'usinage de manière ciblée pour des applications exigeantes, notamment dans les secteurs de la plomberie et de l'électrotechnique. Ces alliages reposent sur une structure finement équilibrée qui, en fonction de la composition de l’alliage, présente des propriétés essentielles telles que la résistance, la formabilité et la conductivité, adaptées à l’application visée. Grâce à un contrôle précis des éléments d’alliage et des étapes thermomécaniques du processus, Wieland obtient une structure homogène à grains fins qui favorise considérablement l’usinabilité, en particulier l’usinage par enlèvement de copeaux.
Cette structure homogène et à grains fins constitue également la base de propriétés constantes et d’un comportement reproductible du matériau. Des éléments non critiques tels que le silicium, le phosphore et le soufre sont micro-alliés de manière ciblée dans cette structure. Même sans utilisation de plomb, ils favorisent de manière ciblée l’usinabilité et la résistance à la corrosion, et amènent ces propriétés à un niveau comparable à celui des alliages de décolletage classiques contenant du plomb. Wieland crée ainsi une base matérielle constante sur laquelle des géométries d’outils adaptées permettent un processus d’usinage contrôlé et fiable. Parallèlement, l’utilisation de ces éléments, établis depuis des décennies, facilement disponibles et recyclables, offre une solution pérenne qui ne perturbe pas les cycles de matières existants.
Le passage du laiton au plomb au laiton sans plomb a d’abord posé des défis considérables à de nombreux utilisateurs. Les paramètres de coupe éprouvés et les géométries standard ne donnaient pas de résultats satisfaisants. L’absence de bris de copeaux fiable s’est avérée particulièrement critique lors de la rainure, du tournage longitudinal et de l’usinage intérieur. Horn analyse systématiquement, en collaboration avec Wieland, le comportement d’usinage des nouveaux alliages. Des séries d’essais approfondies réalisées sur des centres de tournage modernes ont montré que les géométries favorisant la rupture des copeaux, issues notamment du domaine de l’acier, donnaient des résultats prometteurs. Les plaquettes de coupe dotées d’éléments de formation des copeaux prononcés pour les barres
Géométries spéciales
De plus, Horn a mis au point des géométries spéciales usinées au laser qui accumulent de manière ciblée les copeaux et les forcent à se briser. La préparation définie des arêtes stabilise l'arête de coupe et réduit les micro-ébréchures. Parallèlement, Horn adapte les revêtements aux contraintes thermiques et mécaniques accrues. Des revêtements modernes à base de matériaux durs, présentant une dureté à chaud élevée et une adhérence optimisée, prolongent considérablement la durée de vie des outils.
Lors du rainurage et du tournage longitudinal, la formation des copeaux est déterminante pour la fiabilité du processus. Les copeaux longs et en ruban peuvent s’enrouler autour de la pièce ou de l’outil et perturber le fonctionnement automatisé. Horn mise ici sur des plaquettes de coupe dotées de gradins de guidage des copeaux prononcés et de gorges étroites. Ces géométries augmentent localement le degré de déformation du copeau. Le copeau subit une forte courbure et se rompt de manière fiable dès de faibles avances. Les essais menés en collaboration avec Wieland montrent que la combinaison d’une géométrie adaptée, d’un choix approprié de matériau de coupe et de paramètres de coupe optimisés permet de mettre en œuvre des processus stables. Les utilisateurs bénéficient d’une durée de vie reproductible, de faibles écarts de temps de cycle et d’une excellente qualité de surface des composants. Parallèlement, cela réduit les interventions manuelles nécessaires dans le processus de production.
Zoom sur l'usinage intérieur
L'usinage intérieur constitue l'un des principaux défis liés à l'usinage du laiton sans plomb. Le tournage intérieur ou l'alésage génère souvent des copeaux longs et tenaces. Ceux-ci s'enroulent autour de l'outil, obstruent les alésages profonds ou, dans le pire des cas, provoquent la rupture de l'outil. Le risque de formation incontrôlée de copeaux augmente notamment avec les petits diamètres et les faibles avances. Jusqu’à présent, de nombreux utilisateurs misaient sur des géométries de coupe spécialement découpées au laser ou rectifiées. Ces solutions donnaient certes de bons résultats, mais augmentaient considérablement le coût de la plaquette de coupe. Horn a donc développé des systèmes d’outils universels dotés d’une géométrie de coupe frittée, alliant rentabilité et fiabilité du processus.
Avec le Supermini type 105 ainsi que le type Mini à géométrie en I, Horn propose des outils d’alésage performants pour un large éventail d’applications. La géométrie de formation des copeaux frittée s’étend loin dans le rayon d’angle de la plaquette de coupe. Elle assure ainsi le contrôle des copeaux même avec des avances très faibles. Le copeau est déformé très tôt et évacué de manière contrôlée. Ces outils conviennent non seulement à l’alésage intérieur classique, mais aussi au tournage à plat, au copiage et au tournage en sens inverse. Les utilisateurs bénéficient d’une grande flexibilité et réduisent leur gamme d’outils. Parallèlement, les outils porteurs de conception robuste garantissent une grande rigidité, ce qui s’avère particulièrement utile en cas de longues portées.
Zoom sur des exemples concrets : raccords et contacts enfichables
Dans le cadre d'un événement commun, Horn et Wieland présentent les résultats de leur collaboration à travers deux exemples concrets de pièces : un raccord en laiton destiné au secteur sanitaire et un contact enfichable de haute précision destiné à l'électrotechnique.
Le raccord en laiton Wieland eco SZ3® (CW728R) est un exemple typique de composant présentant des contours, des filetages et des surfaces d'étanchéité complexes. Sa fabrication nécessite plusieurs opérations de tournage, de rainurage et d'usinage intérieur. Le laiton sans plomb présentait initialement une forte tendance à la formation de copeaux longs, notamment au niveau du filetage intérieur et des alésages profonds. Grâce à l’utilisation de géométries de rainurage adaptées ainsi que de la fraise Supermini de type 105 dotée d’une géométrie de formation des copeaux frittée, les partenaires obtiennent une rupture sûre des copeaux et une production en série stable. Les outils, associés au matériau, garantissent des tolérances serrées, des surfaces d’étanchéité propres et une qualité de surface élevée – des critères décisifs pour des raccords sans fuite.
Le contact enfichable en Wieland eco SZ5® (CW509L) illustre bien les exigences de l’électrotechnique. Ici, la précision dimensionnelle, l’absence de bavures et une qualité de surface élevée sont primordiales. Parallèlement, les volumes de production élevés exigent des temps de cycle courts et des processus fiables. Lors du tournage longitudinal des contacts filigranes ainsi que lors du tronçonnage, les géométries de brise-copeaux issues du domaine de l’acier garantissent des copeaux courts et contrôlés. La préparation définie des arêtes de coupe minimise la formation de bavures et réduit les retouches. Les partenaires parviennent ainsi à une fabrication rentable tout en garantissant une grande fiabilité fonctionnelle des composants.
Une approche globale pour une fabrication durable
La coopération entre Horn et Wieland montre que les exigences réglementaires et une fabrication rentable ne s'excluent pas mutuellement. Les deux entreprises adoptent une approche globale. Wieland optimise en permanence ses alliages de laiton sans plomb afin de répondre aux exigences les plus diverses de ses clients. Parallèlement, Horn développe des solutions d’outillage sur mesure, parfaitement adaptées à ces matériaux. Grâce à des tests intensifs menés dans des conditions proches de la pratique, les partenaires définissent les paramètres de coupe appropriés, évaluent la durée de vie des outils et analysent l’usure. Les connaissances acquises sont directement intégrées dans le développement des matériaux et des outils. Les utilisateurs bénéficient ainsi de solutions éprouvées provenant d’un seul et même fournisseur et réduisent les risques liés au passage aux matériaux sans plomb.
Les laitons sans plomb imposent des exigences plus élevées en matière d'outils, de procédés et de savoir-faire technique que les alliages traditionnels contenant du plomb. L'absence de l'effet lubrifiant et brise-copeaux du plomb modifie fondamentalement le comportement à l'usinage. Des copeaux longs, des forces de coupe accrues et une usure accrue des outils exigent des solutions innovantes. La collaboration étroite entre Horn et Wieland montre comment relever ces défis avec succès. Grâce aux alliages de la gamme ecoline® de Wieland, à des géométries de copeaux adaptées, à des revêtements optimisés et à des systèmes d’outils universels tels que le Supermini type 105 ou le type Mini à géométrie en I, Horn met en œuvre des stratégies d’usinage fiables pour les laitons modernes sans plomb.