Porte-outils : conçu pour la vitesse

Il est de plus en plus difficile de se souvenir de l'époque où l'usinage se faisait à des vitesses lentes et avec de faibles profondeurs de coupe. Aujourd'hui, les ateliers d'usinage de toutes sortes, et pas seulement ceux qui travaillent avec des alliages de haute technologie sur des centres d'usinage autonomes multi-axes, se concentrent au laser sur la vitesse.

Il ne s’agit pas seulement de vitesse pour le plaisir. L’objectif est de produire davantage de pièces de qualité, de manière plus rentable et plus sûre. L'usinage à grande vitesse (HSM) est un moyen d'atteindre cet objectif en réduisant les forces de coupe, en augmentant les taux d'enlèvement de métal, en améliorant la dissipation thermique et en conférant de meilleurs états de surface.

Manufacturing Engineering a interrogé un certain nombre d'experts de l'industrie pour connaître leur point de vue sur le HSM, en mettant particulièrement l'accent sur le porte-outils. Une chose est devenue claire au cours de notre discussion : l’évolution à grande vitesse se poursuivra et le porte-outil jouera un rôle crucial.

De nombreuses technologies doivent être fusionnées pour tirer le meilleur parti du HSM. "Lorsque vous passez à une opération HSM, votre mentalité change rapidement", a déclaré Chris Herdman, ingénieur de support technique sur le terrain pour Rego-Fix Tool Corp., Whitestown, Indiana. "Vous devez être conscient de l'interconnexion du centre d'usinage, de la programmation, broches à grande vitesse, outils de coupe avancés, équilibrage et porte-outils haute performance afin de tirer pleinement parti du HSM.

L’industrie métallurgique a adopté le HSM pour la première fois dans les années 1990. Le terme « haute vitesse » signifie différentes choses selon les magasins.

« L'usinage à grande vitesse est une stratégie à régime et vitesse d'avance élevés, mais avec une faible profondeur de passe », a déclaré Brendt Holden, président de Haimer USA LLC, Villa Park, Illinois. « Même avec une profondeur de coupe plus faible, à ces vitesses et avances plus élevées, le taux d'enlèvement de matière augmente, ce qui est l'objectif ultime dans la mesure où cela permet aux ateliers de fabriquer des pièces plus rapidement. »

Bien qu'il n'y ait pas de ligne de démarcation spécifique du régime, nos experts ont convenu que les vitesses de broche comprises entre 15 000 et 30 000 tr/min sont définitivement élevées. En fait, Herdman de Rego-Fix a remarqué des porte-outils fonctionnant dans la plage de 120 000 tr/min dans des applications médicales et électroniques spécialisées. "Ce que nous considérons aujourd'hui comme étant à grande vitesse, ce sont des machines moins rigides, à quatre et cinq axes, fonctionnant à 12 000 tr/min ou plus", a déclaré Herdman. « Les applications concernent une faible coupe radiale, un nombre élevé de dents, une avance élevée, et la plupart d'entre elles utilisent un type de logiciel de fraisage dynamique. »

Matt Goss, ingénieur d'applications/développement de projets chez Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvanie, a déclaré que son entreprise considère la vitesse élevée comme une combinaison de deux facteurs : une vitesse de broche élevée et une vitesse d'avance élevée. « Cela se traduit par une vitesse d'alimentation élevée (ipm), qui permet non seulement de maximiser la quantité de matière retirée, mais également de réduire les temps de cycle. »

Preben Hansen, président de Platinum Tooling Technologies Inc., Prospect Heights, Illinois, a déclaré qu'à mesure que la vitesse de broche dépasse 20 000 tr/min, les ateliers commencent à aborder le travail un peu différemment. « Il se peut que vous ne préleviez pas autant de matière à chaque tour de l'outil, mais les vitesses d'avance sont généralement plus élevées », a-t-il déclaré.

À mesure que la vitesse augmente, le risque de graves problèmes d’équilibre et de précision augmente également. Un porte-outil parfaitement équilibré dans la broche est essentiel, selon Dan Doiron, chef de produit fraisage chez Emuge Corp., West Boylston, Massachusetts. « Même des fluctuations mineures réduiront la répétabilité, réduiront la durée de vie de l'outil et pourraient endommager les pièces. Avec du temps et de l'argent investis dans chaque composant, le glissement ou l'arrachement d'un outil de coupe suite à l'utilisation d'un mauvais porte-outil n'est pas une option.

Les mandrins conventionnels (tels que les porte-pinces ER et les plats Weldon) peuvent facilement être poussés au-delà de leurs limites et on ne peut généralement pas compter sur eux pour fonctionner de manière fiable dans l'environnement HSM. « Les pinces de serrage ER ont une faible force de serrage et les mandrins à faux-rond et à verrouillage latéral ont un faux-rond et un amortissement faibles dans les applications à grande vitesse », a déclaré Doiron.

Quelle que soit la vitesse, la broche est soumise à la force centrifuge. À grande vitesse, la force centrifuge est suffisante pour faire légèrement croître l’alésage de la broche. "Cette expansion peut entraîner des outils à forte conicité (CAT, BT, SK, etc.) dans la broche, provoquant une modification de la dimension de l'axe Z", a déclaré Holden de Haimer. « En revanche, les outils HSK (à tige creuse) grandissent avec la broche à des régimes élevés, maintenant le contact frontal et éliminant le mouvement de l'axe Z. »