Usinabilité

L' usinabilité est la propriété d'un matériau par usinage pour le faire traiter. Elle représente l'un des paramètres les plus importants des matériaux de construction mécanique.La norme DIN 6583 définit l'usinabilité comme "[...] la propriété d'une pièce ou d'un matériau qui peut être usiné dans des conditions données". Corrélativement, coulabilité , formabilité et soudabilité s'entendent des propriétés des matériaux pouvant être traités par coulée , formage ou soudage .

L'usinage, comme le tournage , le fraisage et le perçage , modifie la forme des pièces. Les matériaux facilement usinables présentent des surfaces lisses après usinage, entraînent des copeaux qui n'entravent pas le processus de production, les forces d' usinage sont faibles et la durée de vie de l' outil est longue . Souvent, certains de ces critères, mais pas tous, sont facilement réalisables. La bonne usinage d'un matériau dépend donc également des exigences. En raison de l'utilisation élevée d'acier et de fonte, l' usinabilité de l'acier et l' usinabilité de la fonte sont également d'une grande importance. Pour les deux, cela dépend du type exact de matériau, les types les plus courants (acier de construction et fonte à graphite lamellaire) sont considérés comme faciles à usiner.

Facteurs qui influencent

L'usinabilité d'un matériau dépend de nombreux paramètres. Habituellement, la force et la ténacité sont des facteurs importants. Par exemple, les matériaux à haute résistance sont moins faciles à usiner car des forces de coupe plus élevées et donc une énergie plus élevée sont nécessaires pour l'usinage.

D'autres facteurs, tels que la conductivité thermique du matériau, sont également importants. Pour cette raison, les matériaux à faible conductivité thermique, tels que les plastiques, sont moins faciles à usiner car la chaleur de friction qui se produit ne peut pas être dissipée assez rapidement.

L'évaluation quantitative de l'usinabilité est difficile car elle dépend non seulement du matériau mais aussi des conditions d'usinage. Cela signifie les tailles de copeaux et les paramètres d' intervention profondeur et largeur de coupe ainsi que la vitesse de coupe et le matériau de coupe (matériau de l'outil). L'utilisation de lubrifiants réfrigérants a également une influence. De plus, les différents procédés de fabrication nécessitent également des conditions de coupe différentes.

Quantification de l'usinabilité

Non seulement les variables d'influence de l'usinabilité sont complexes, mais la quantifiabilité de l'usinabilité elle-même n'est pas non plus triviale. Plusieurs paramètres peuvent être utilisés pour décrire quantitativement l'usinabilité.

Outil de la vie

La durée de vie d'un outil est le temps pendant lequel un outil peut usiner un matériau dans des conditions données avant de devoir être remplacé. A grande échelle, la durée de vie de l'outil est importante car elle a un sens important sur les intervalles de maintenance des machines et la consommation d'outils et donc sur les coûts d'usinage.

Cependant, la durée de vie de l'outil n'est pas une mesure absolue de l'usinabilité d'un matériau car elle dépend non seulement du matériau, mais aussi des conditions d'usinage (par exemple la vitesse de coupe) et de l'outil.

Usure de l'outil

L'usure de l'outil est un autre critère d'évaluation de l'usinabilité. Il a une influence directe sur la durée de vie. Mais la force de coupe est également influencée par l'usure de l'outil, car un outil usé et émoussé nécessite une force de coupe plus élevée. La qualité de surface du matériau diminue également avec l'augmentation de l'usure de l'outil. En tant que mesure de l'usure de l'outil qui sert à la largeur d'usure ou à la profondeur d'affouillement .

Force de coupe

La force de coupe est importante pour la rentabilité du processus de coupe, car elle est directement liée à la consommation d'énergie. Les entraînements des machines ne peuvent fournir qu'une puissance limitée, qui est calculée comme le produit de la force de coupe et de la vitesse effective. Plus les forces sont élevées, plus la vitesse de coupe doit être faible, ce qui entraîne des temps d'usinage plus longs.

Finition de surface

Un critère de qualité important de la pièce finie est sa qualité de surface . Les paramètres de rugosité usuels sont utilisés comme paramètres pour la qualité de surface .

Forme de puce

La forme de la puce permet de tirer des conclusions directes sur le processus d'usinage, ce qui affecte l'usure de l'outil et la qualité de la surface. Un juste milieu entre les copeaux courts et compacts qui permettent un retrait facile et les copeaux longs et réguliers qui permettent une meilleure qualité de surface de la pièce est souhaitable. Si les copeaux sont trop longs, il y a un risque, par exemple lors du perçage, que les copeaux se coincent et bloquent l'évacuation des copeaux, ce qui entraîne une casse de l'outil ou au moins une usure accrue de l'outil. Les chips qui s'enroulent en spirale sont moins chères que celles qui se plient en forme de leporello , car ces dernières comportent un risque élevé de bourrage.

Influence des conditions d'usinage

Vitesse de coupe et avance

En principe, il est souhaitable d'usiner avec les vitesses de coupe les plus élevées possibles et les grandes avances. Cela permet de minimiser les temps de cycle . Cependant, une mauvaise usinabilité nécessite parfois une réduction drastique de ces paramètres de vitesse si des vitesses excessivement élevées entraîneraient une usure excessivement élevée de l'outil et donc une courte durée de vie de l'outil et une qualité de surface inadéquate.

Lubrifiant de refroidissement

Tous les critères d'évaluation de l'usinabilité peuvent être améliorés en utilisant un lubrifiant réfrigérant . Les tâches principales du lubrifiant réfrigérant sont le refroidissement et la lubrification du processus d'usinage. Le refroidissement garantit que l'outil et la pièce ne surchauffent pas localement. Cette température de coupe réduite entraîne une usure moindre. En permettant des forces de coupe plus faibles, la lubrification entraîne également une usure moindre et une consommation d'énergie moindre. De plus, la lubrification améliore la rugosité de la surface.

Usinabilité de certains matériaux

Matériaux ferreux

Les matériaux ferreux sont des matériaux qui contiennent principalement du fer. Une distinction est faite entre l'acier et la fonte.

Aciers

L'acier est le matériau le plus usiné. Avec la fonte, elle appartient au groupe des matériaux ferreux et se caractérise par une teneur en carbone inférieure à 2 %, tandis que la fonte en contient plus de 2 %. Les aciers sont des matériaux très divers. Leur usinabilité dépend principalement de la structure, qui à son tour dépend de la teneur exacte en carbone et de l'état du traitement thermique. De nombreux éléments d'alliage jouent également un rôle. Certains sont délibérément ajoutés à l'alliage afin d'améliorer l'usinabilité, d'autres afin d'augmenter les propriétés telles que la résistance, une détérioration de l'usinabilité étant acceptée pour les meilleures propriétés de performance. D'autres éléments tels que le phosphore sont en fait indésirables, mais améliorent l'usinabilité.

fonte

La fonte, avec l'acier, est un matériau ferreux et se caractérise par une teneur en carbone de plus de 2%. La fonte est très souvent utilisée, peut être très bien coulée mais pas refaçonnée. La mise en forme s'effectue donc principalement par fonderie et ensuite par usinage fin par usinage.

L'usinabilité dépend fortement de la structure et de la formation précise du graphite. Les types de fonte à forte proportion de cémentite sont très difficiles à travailler. D'autres nuances contenant de la ferrite ou de la perlite sont considérées comme plus faciles à usiner en raison du graphite incrusté, car le matériau est interrompu par le graphite et a donc une résistance moindre, ce qui entraîne des forces de coupe plus faibles et une rupture des copeaux plus facile. De plus, le graphite développe un effet lubrifiant sur la face de coupe et forme ainsi une couche protectrice de sorte que la durée de vie peut être très longue.

Métaux non-ferreux

Aluminium et alliages d'aluminium

L'aluminium et les alliages d'aluminium sont considérés comme faciles à usiner. Il est en particulier dans l' aviation et l' industrie aérospatiale et l' industrie automobile un important matériau de construction, ce qui est bon pour le poids léger approprié. Jusqu'à 90 % des pièces brutes sont usinées. Cependant, les qualités à faible résistance peuvent former de longs copeaux et ont tendance à coller au tranchant. Les efforts de coupe sont généralement faibles, l'usure dépend de la structure. L'aluminium et ses alliages sont bien adaptés à l'usinage à grande vitesse . Les températures qui se produisent ne sont que d'environ 300 ° C, ce qui est très faible par rapport aux températures qui se produisent avec l'acier, mais relativement élevées par rapport au point de fusion des alliages d'aluminium (580 ° C à 660 ° C). La vitesse de coupe peut varier dans de larges limites; vers le bas , il est limité par le intégré jusqu'à bord et vers le haut par la température de fusion. Malgré les faibles forces de coupe, des entraînements sont nécessaires en raison des vitesses de coupe élevées, qui doivent fournir environ cinq fois la puissance nécessaire pour l'usinage de l'acier. Les aciers rapides sont utilisés comme matériaux de coupe pour des usinages simples tels que le perçage. Les types de métaux durs sont souvent à base de carbure de tungstène. En revanche, les nuances au titane ou au tantale ne conviennent pas, car ces éléments entrent en réaction chimique avec l'aluminium. Les revêtements ne conviennent donc pas non plus. Les céramiques de coupe ne sont pas non plus résistantes aux produits chimiques et s'usent très rapidement. Le diamant , en revanche, est bien adapté à l'usinage de l'aluminium et est utilisé en raison de sa très longue durée de vie et de sa haute qualité de surface. Ceci est particulièrement avantageux lors de l'usinage de miroirs. L'usure est généralement faible, mais certains alliages contiennent des additifs abrasifs durs qui augmentent l'usure mais améliorent la rupture des copeaux. L'usure est presque toujours sur l'espace ouvert; L'usure en cratère ne se produit qu'avec des composants structurels hautement abrasifs à des vitesses de coupe élevées.

Les conditions exactes dépendent fortement de l'alliage.

• Les matériaux tendres tels que les alliages corroyés non durcissables et les durcissables à l'état mou ont tendance à produire de longs copeaux et la formation d'arêtes rapportées. La qualité de surface est plutôt médiocre, à des vitesses de coupe élevées, elle peut être améliorée. Si possible, ces matériaux sont usinés après formage à froid, car l' écrouissage conduit à des formes et des surfaces de copeaux plus favorables.
• Les matériaux plus résistants tels que les alliages corroyés durcis sont généralement plus faciles à usiner
• Les alliages coulés contiennent souvent du silicium qui a un effet abrasif. Plus la teneur en silicium est élevée, plus l'usure de l'outil est importante. Les formes de puces sont bonnes.

Comme l'aluminium a tendance à coller, il est souvent usiné avec un grand angle de coupe.

Titane et alliages de titane

Le titane et les alliages de titane sont considérés comme des matériaux difficiles à usiner. Sa résistance est relativement élevée, la résistance liée à la masse est encore plus élevée que celle de l'acier ou de l'aluminium, c'est pourquoi elle est bien adaptée à la construction légère . Les applications sont dans l'aérospatiale et le sport. Il est biologiquement compatible et convient donc également aux implants.

La conductivité thermique du titane est très faible, ce qui signifie que jusqu'à 80 % de la chaleur doit être dissipée via l'outil. Avec l'acier, il n'est que d'environ 20 %. De la poussière de titane peut être produite lors de l'usinage à sec. Étant donné qu'il est hautement inflammable (température d'inflammation 33 °C), la poussière de titane peut exploser. Les machines sont donc équipées de systèmes d'extinction au dioxyde de carbone. Pour la coupe humide, un lubrifiant réfrigérant est utilisé, à base d'huile à basse vitesse de coupe. Des lubrifiants contenant du phosphore et du chlore sont utilisés, mais la concentration de chlore ne doit être que de 0,01 % lors de l'usinage de rotors de moteur fortement sollicités, sinon la surface est trop pauvre. À des vitesses de coupe plus élevées, des lubrifiants réfrigérants à base d'eau sont utilisés, ce qui peut mieux dissiper la chaleur. Le titane a une formation de copeaux spéciale, avec des copeaux en dents de scie, qui est similaire à la formation de copeaux dans l'usinage à grande vitesse . Le carbure de tungstène est généralement utilisé comme matériau de coupe. Les céramiques réagissent chimiquement avec le titane et s'usent donc très rapidement.

Magnésium et alliages de magnésium

Le magnésium et les alliages de magnésium sont souvent utilisés pour la construction légère en raison de leur faible densité. Ils sont pour la plupart traités par moulage sous pression ; Le moulage au sable ou les alliages corroyés n'ont donc qu'une importance secondaire. Le magnésium est présent dans une structure en treillis hexagonal en dessous de 225°C, qui n'a que deux plans de glissement et est donc fragile. Au-dessus de cette température, il y a une structure en treillis cubique et le matériau devient ductile.

Le magnésium a tendance à former des copeaux lamellaires . La distance entre les lamelles dépend de la fréquence avec laquelle la force de coupe change. Elle peut être influencée par le couple matériau-matériau de coupe et la tribologie de l'interface, qui est influencée par la vitesse d'avance et la vitesse de coupe. Le chargement dynamique de l'outil peut donc être adapté à sa capacité de charge par un choix approprié des valeurs de coupe. La température est augmentée sur la face inférieure de la puce, de sorte que les lamelles de la puce y sont reliées par plastification. Il en résulte un bris de copeaux facile et des copeaux courts.

La géométrie de l'arête de coupe est similaire à celle utilisée pour l'usinage de l'aluminium. Lors d'un usinage fin, la rigidité de la pièce peut limiter les valeurs de coupe.

Les alliages de magnésium ne contiennent que quelques composants abrasifs, leur durée de vie est donc longue. Cela s'applique également aux zones de bord des pièces, car elles ont été principalement fabriquées par moulage sous pression. L'adhérence, c'est-à-dire la tendance du matériau à coller au tranchant, est faible. Les bords accumulés se produisent donc rarement. La température de fusion étant d'environ 420°C à 435°C, la température sur l'outil n'est que faible.

Les aciers rapides, les métaux durs et le diamant sont utilisés comme matériaux de coupe. Les carbures à grains très fins du groupe N10/20 ou les carbures diamantés sont souvent utilisés. Cela permet des vitesses de coupe et des avances élevées. De plus, ces matériaux de coupe sont très résistants à l'usure, ce qui conduit à un niveau élevé de sécurité de processus. Les alliages de magnésium ont tendance à former des pseudo copeaux . La force de coupe est faible et est à peu près la même que celle des alliages d'aluminium hypoeutectiques.

Cuivre et alliages de cuivre

Le cuivre et les alliages de cuivre sont utilisés dans la climatisation, les équipements techniques du bâtiment, la technologie alimentaire, les systèmes et appareils chimiques ainsi que les raccords . Les alliages de cuivre se composent d'au moins 50 % de cuivre et sont généralement considérés comme faciles à usiner. Les éléments d'alliage les plus importants sont l'étain ( bronze ), le zinc ( laiton ), l'aluminium ( bronze d'aluminium ), le nickel et le silicium. Alliages décolletage spéciaux, comme franco acier de coupe, contiennent de petites quantités de plomb, le soufre, le sélénium et le tellure, qui favorisent principalement la fragmentation des copeaux.

Les alliages de cuivre sont généralement divisés en alliages corroyés (pour le formage ) et alliages coulés pour le moulage. Au sein des deux groupes, une subdivision est généralement effectuée en fonction des éléments d'alliage. Cependant, étant donné que des groupes de même composition peuvent différer considérablement en termes d'usinabilité, ce schéma ne convient pas. Au lieu de cela, une distinction est faite entre les trois groupes suivants :

1. Cuivre pur et alliages avec zinc, étain, nickel et aluminium tant qu'ils ne forment qu'un cristal mixte homogène. Cela inclut surtout le laiton. Ces alliages se caractérisent par leur grande formabilité et peuvent être formés à froid. L'usinabilité est considérée comme plutôt médiocre.
2. Alliages avec zinc, étain, nickel, aluminium et silicium qui forment un deuxième cristal mixte, mais sans additifs brise-copeaux. Ces alliages sont plus durs et plus résistants, ont moins de formabilité et sont plus faciles à usiner. Ce groupe comprend notamment l' argent allemand , qui est constitué de cuivre-étain-zinc ou de cuivre-nickel-zinc.
3. Alliages de décolletage qui contiennent des ajouts de plomb, de soufre, de sélénium et de tellure pour améliorer la rupture des copeaux. Ils sont très faciles à usiner.

Les pièces coulées ont une peau coulée qui est très difficile à usiner. Le matériau du noyau, d'autre part, peut généralement être très bien usiné. Les alliages corroyés formés à froid ont une résistance accrue qui a un effet positif sur la rupture des copeaux. Les alliages durcissables par vieillissement sont pour la plupart usinés à l'état tendre. Seul l'usinage fin par meulage ou polissage a lieu à l'état trempé.

À basse température et en cas de formation continue de copeaux, des arêtes rapportées peuvent se produire, ce qui entraîne une usure accrue. En raison de la grande dureté et de la formabilité élevée du maillechort, la durée de vie est plus courte qu'avec le laiton, ce qui tend également à l'adhérence et à la formation d'arêtes rapportées. Les carbures du groupe K10/20 sont utilisés comme matériaux de coupe pour le fraisage HSC. Les types qui ont tendance à coller, tels que le cuivre pur, peuvent être usinés à moindre coût avec du diamant comme matériau de coupe, car cela permet également d'obtenir des qualités de surface élevées. Les céramiques de coupe, en revanche, ne conviennent pas car elles ont tendance à se coller les unes aux autres.

La force de coupe est bien inférieure à celle de l'acier et diminue avec l'augmentation de la vitesse de coupe. Avec une augmentation de 5 m/min à 160 m/min, elle chute à environ 33 %. Une augmentation supplémentaire n'entraîne qu'une légère réduction de la force de coupe, qui s'approche asymptotiquement d'une valeur limite. Etant donné qu'en pratique les vitesses de coupe sont supérieures à 160 m/min, l'influence de la vitesse de coupe est négligeable.

L' usure des flancs et la formation d'arêtes rapportées conduisent à de mauvaises surfaces. Étant donné que les matériaux en cuivre n'ont qu'un faible module d'élasticité , les pièces à paroi mince peuvent se déformer, ce qui peut également entraîner des erreurs dimensionnelles et des contraintes internes. Une force de coupe faible peut conduire à des améliorations ici, tout comme l'utilisation de lubrifiant réfrigérant.

Les formes des puces en maillechort varient considérablement en fonction des éléments d'alliage et de leur contenu, mais elles sont pour la plupart utilisables. Le cuivre pur a tendance à produire de longs copeaux de ruban. Les alliages de décolletage, en revanche, forment des copeaux à rupture courte.

bois

La plupart des bois peuvent être bien usinés. Cela est particulièrement vrai s'ils sont séparés dans le sens du grain. S'ils sont traités perpendiculairement à ce qui est nécessaire pour ce que l'on appelle le bois de bout , des évasions peuvent se produire.

Plastique

Littérature

• Eberhard Paucksch, Sven Holsten, Marco Linß, Franz Tikal : Technique d'usinage. 12e édition. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0279-8 .
• Fritz Klocke, Winfried König : Processus de fabrication I. 8e édition. Springer Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 2008, ISBN 978-3-540-23458-6 .

Preuve individuelle

1. ↑ DIN 6583 , 1981, p. 1.
2. ↑ Klocke, König : Procédé de fabrication 1 - tournage, fraisage, perçage , Springer, 8e édition, 2008, p. 260.
3. ↑ Herbert Schönherr : Usinage de production. Oldenbourg, 2002, p.60.
4. ^ Fritz Klocke, Wilfried König : Processus de fabrication. Tome 1 : tournage, fraisage, perçage. 8e édition. Springer, 2008, p. 307.
5. ^ Siège social de l'aluminium à Düsseldorf (éd.): Livre de poche en aluminium. Volume 3 : Poursuite du traitement et application. 16e édition. Aluminium-Verlag, 2003, p. 13-27.
6. ^ JR Davis : Aluminium et alliages d'aluminium. 4e édition. ASM International, 1998, p. 328-332.
7. ^ Friedrich Ostermann : Technologie d'application aluminium. 3. Édition. Springer, année ?, pp. 567-581.
8. ↑ Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen. 2e édition. Hanser, Munich 2014, p. 1274-1276.
9. ^ Edward M. Trent, Paul K. Wright : Découpe de métal. 4e édition. Butterworth-Heinemann, 2000, p. 303-306.
10. ^ Fritz Klocke, Wilfried König : Processus de fabrication. Tome 1 : tournage, fraisage, perçage. 8e édition. Springer, 2008, p. 321-325.
11. ^ Fritz Klocke, Wilfried König : Processus de fabrication. Tome 1 : tournage, fraisage, perçage. 8e édition. Springer, 2008, p. 341-345.
12. ↑ Bernd Wittchen, Elmar Josten, Thomas Reiche : Holzfachkunde. 4e édition. Teubner, 2006, ISBN 3-519-35911-1 , page 141.