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Ils travaillent plus vite, plus profond et plus longtemps

Mirel Scherer

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Les fabricants mettent au point des structures de plus en plus fines, des revêtements de plus en plus durs et des formes encore mieux adaptées...

Les outils de coupe constituent l'un des éléments les plus sensibles dans la vie des ateliers de mécanique. Ils influencent aussi bien la qualité des usinages que leur coût. Les utilisateurs regardent donc à deux fois la durée de vie et les performances de ces produits indispensables. Un message reçu cinq sur cinq par les fabricants d'outils qui multiplient les solutions pour répondre à leurs desiderata.

Passée l'année dernière dans le giron du fonds d'investissement Berkshire Hathaway, la société israélienne Iscar propose des outils pour le fraisage, le perçage ou le tournage qui améliorent fortement la productivité. « Nous étudions aussi bien la forme géométrique de l'outil pour l'adapter à un usinage donné que le substrat ou le revêtement idoines », explique Pascal Brun, responsable marketing d'Iscar France. Le but est de garantir une durée de vie plus longue, un usinage économique et des productivités décuplées. Très tenaces, les nuances micrograins ont le vent en poupe car elles assurent une meilleure résistance à l'usure, « tout comme la forme géométrique tangentielle innovante que nous avons mise au point pour nos outils de tournage et qui autorise des usinages beaucoup plus rapides », affirme le spécialiste.

Destinée aux opérations de fraisage, la plaquette Helido 490 d'Iscar comporte quatre arêtes de coupe hélicoïdales pour l'usinage à 90°. Cette plaquette épaisse et très dure supporte des grandes profondeurs de passe et de fortes avances. Ce qui améliore la productivité par un facteur trois par rapport aux solutions précédentes du fabricant.

C'est aussi le cas de la tête d'alésage Bayot-Ream, toujours chez Iscar. Elle supporte des avances jusqu'à trente fois plus rapides que celles d'outils de la génération précédente. De quoi autoriser l'usinage à grande vitesse. Mêmes performances pour son outil de perçage Chamdrill Jet. Il dispose d'une tête interchangeable dotée de trous pour la lubrification interne. « C'est une configuration adaptée à l'usinage à haute température ou à cellui des alliages d'aluminium », explique Pascal Brun.

L'une des clés de ces performances est l'utilisation des nuances en carbure de tungstène, qui arrive à point nommé pour améliorer la dureté des outils en fonction de l'application. On peut ainsi faire varier la taille des grains de tungstène dans la proportion de quelques micromètres. Une évolution intéressante pour les usinages des pièces aéronautiques en titane, Inconel ou celui des alliages haute température.

Des revêtements de très grande dureté

La technique tangentielle est également proposée par Mapal avec des outils d'ébauche et de finition ou d'alésage, comme le TSW doté de plaquettes à six arêtes de coupe.

Côté revêtement, le développement est tout aussi spectaculaire et... microscopique. La preuve ? Les derniers développements d'Oerlikon Balzers Coating, le nouveau nom de Balzers. Baptisés Balinit Alcrona et Helica, ces revêtements de la génération G6 sont basés sur un alliage AlCrN. Selon ses spécialistes, ils surpassent les performances des revêtements traditionnels à base de titane (par exemple : TiAlN, AlTiN ou TiCN) grâce à une grande dureté (au moins 3 000 HV), une excellente résistance thermique (1 100 °C) et un très bon coefficient de frottement. Leur secret : une texture multicouche obtenue grâce au procédé PVD (physical vapor deposition ou dépôt physique en phase vapeur).

Les revêtements permettent également d'augmenter les performances des composants et des pièces d'usure, notamment leur fiabilité, leur puissance et leur durée de vie. Exemple : le Balinit C, un dépôt constitué de nanocouches de carbure de tungstène et de carbone, particulièrement recommandé pour résoudre les problèmes de corrosion, de piqûre d'un métal par un acide, de grippage et d'usure adhésive sur tous les supports aciers, aciers inoxydables, alliages titane, etc.

L'avenir toutefois semble appartenir aux revêtements plasma. C'est du moins ce qu'incitent à penser les performances du procédé haute fréquence, PACVD (plasma assisted chemical vapor deposition ou dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma). Il est utilisé pour produire des couches de carbone sans métal par le même Oerlikon Balzers Coating. L'installation utilisée pour ce procédé est similaire à celle de la pulvérisation, mais après pulvérisation de la couche métallique, une tension alternative haute fréquence est appliquée. Avantages : une température de dépôt inférieure à 250 °C et des couches dont l'épaisseur varie de 0,5 à 5 µm.

Amélioration des stratégies d'usinage

Très actives, les équipes de recherche et développement du fabricant suédois Seco Tools proposent, elles aussi, ces revêtements innovants. Son dernier-né : le DurAtomic, un revêtement à structure atomique modifiée. « C'est la première fois que nous exploitons la manipulation atomique pour concevoir un revêtement », souligne Silvia Dahlund, responsable de l'équipe R&D qui a mené ce projet. Sa structure de base est l'oxyde d'aluminium (Al2O3), très intéressante pour l'usinage des aciers parce que les capacités de résistance mécanique du revêtement, déjà très ductile, peuvent être augmentées. Selon l'experte de Seco Tools, « cette modification atomique améliore les capacités de fonctionnement d'une manière prévisible même dans des conditions de chaleur élevée ».

De fait, le revêtement DurAtomic allie ténacité extrême et résistance à l'usure maximale tandis que la surface de frottement unique limite la formation d'arête rapportée. La première famille de plaquettes utilisant cette toute nouvelle technologie, la TP2500, sera commercialisée prochainement. Testée dans plus de 80 applications d'usinage d'ébauche, de surfaçage, de finition de différents matériaux, cette plaquette de tournage a apporté une augmentation de la durée de vie de 80 à 400 %, de 55 à 100 % de la productivité et une diminution de 40 à 80 % de l'usure.

Les équipes de R&D de Seco Tools France participent aussi à l'amélioration des stratégies d'usinage. « Nous collaborons avec des métallurgistes, mais aussi avec des fabricants de machines et des éditeurs de FAO », confirme Benjamin Michelet, ingénieur au service R&D de l'entreprise. Exemple : la mise au point avec GP Software, éditeur du logiciel de FAO XCap, de stratégies d'usinage adaptées au fraisage trochoïdal. « Loin d'être réservée à la réalisation d'empreintes de moules ou de matrices, voire aux machines à grande vitesse, cette technique d'ébauche commence à intéresser les entreprises de mécanique générale pour des opérations aussi courantes que la réalisation de rainurages ou de poches », explique Benjamin Michelet. Cette stratégie d'usinage permet de gagner du temps en ébauche, de mieux utiliser l'outil et n'impose pas l'utilisation de machines très rigides, ni d'outils spécifiques.

En revanche, son intégration dans une FAO nécessite une parfaite connaissance des stratégies d'usinage et du couple outil/matière. Dans ce cas, selon l'éditeur, le temps d'ouverture d'une rainure peut être diminué par deux. Le revêtement PVD déposé sur un substrat à base d'oxyde d'aluminium est présent dans l'offre d'autres fabricants. Walter, par exemple, utilise cette technologie pour les outils de sa famille Tiger-tec. Une offre déclinée comme il se doit dans une foule de plaquettes et de nuances différentes en fonction des applications. Précisons que la solution PVD est considérée par les aficionados de la coupe comme meilleure que la technologie CVD (chemical vapor deposition ou dépôt chimique en phase vapeur), car elle autorise des couches plus fines (de 2 à 6 µm comparées à 5-15 µm pour le CVD). « Grâce à cette solution, la durée de vie des outils Tiger-tec est doublée lors de l'usinage de l'acier inoxydable », souligne Matthias Brehm de Walter France.

Améliorer les performances de l'usinage est également l'objectif de Sandvik avec, par exemple, les plaquettes GC1030 et GC4240. Destinées au fraisage des aciers, elles disposent d'un revêtement PVD pour les premières, ce qui améliore leur résistance à l'usure, ou CVD pour les secondes, qui offrent plus de sécurité. À signaler également dans la panoplie du fabricant suédois la fraise CoroMill 365 qui apporte un nouveau concept dans l'usinage des fontes. Très rigide, le corps de l'outil assure la stabilité de l'usinage et améliore les profondeurs de passe. Les plaquettes utilisées ont huit arêtes de coupe. Pour le perçage, les utilisateurs peuvent choisir le CoroDrill 805 qui usine des trous dont la profondeur est de quinze fois le diamètre de l'outil. Sans avoir à déplacer la pièce sur une machine dédiée ni à assurer la lubrification avec des pompes surpuissantes.

Une durée de vie de 35 à 100 % supérieure

L'usinage des fontes connaît d'ailleurs un intérêt particulier. Ceratizit propose, par exemple, une nuance haute performance HyperCoat-C CTC 3110 qui utilise un substrat assurant la ténacité et la tenue à chaud requises. Le revêtement à base de matériaux durs résiste aux phénomènes d'usure maximale : les températures supérieures à 1 000 °C, les croûtes de moulage dures et les profondeurs de coupe variables font souvent partie des difficultés à surmonter dans l'usinage des fontes. Composé de carbonitrure de titane avec une structure spéciale et d'un revêtement multicouche à base d'oxyde d'aluminium d'une composition atomique particulière, ce revêtement résiste à l'usure la plus sévère. L'aspect brillant de ces plaquettes de coupe permet en outre à l'opérateur de détecter facilement une usure éventuelle et protège l'arête de coupe. Lors de l'usinage des pièces en fonte grise telles que des disques, des tambours de freins, des carters de différentiel ou des poulies à courroie, la durée de vie de ces outils a été de 35 à 100 % supérieure à celle des outils de la gamme précédente.

La nuance KC9320 de Kennametal est dédiée au tournage des fontes ductiles en usinage à sec ou sous arrosage. Son substrat à grains fins revêtu d'oxyde d'aluminium alpha et les arêtes de coupe micropolies assurent un bon compromis entre la résistance à l'usure et celle aux chocs.

Enfin, si la réduction des coûts et l'amélioration des performances d'usinage deviennent une véritable obsession chez les utilisateurs d'outils de coupe, un autre problème technique les préoccupe : comment faire travailler le plus longtemps possible leurs équipements. Une approche qui ne peut pas se faire sans une gestion intelligente du magasin d'outils.

EN DÉVELOPPEMENT

- Les revêtements plasma et diamant vont se généraliser pour l'usinage en grande série - La couche unique et multifonctionnelle remplacera les revêtements multicouches - Les nanotechnologies seront de plus en plus utilisées

CHEZ WONDE POUR USINER DES PAROIS À 90°

- Réputé pour ses outils destinés aux opérations d'usinage à grande vitesse (UGV), le fabricant allemand Pokolm sait aussi résoudre la quadrature du cercle. Le mouliste Wonde, dont l'usine se trouve outre-Rhin à Heiligkreuzsteinach, devait usiner sur une paroi verticale à 90° une couche d'acier de 1 mm d'épaisseur. La première solution envisagée, celle des fraises en carbure de 25 mm de diamètre disposant de plusieurs arêtes de coupe hélicoïdales, n'a pas donné satisfaction. Les spécialistes de Wonde se sont donc orientés vers un outil proposé par Pokolm, à savoir la fraise pour surfacer-dresser Slotworx de diamètre 52 mm. Une opération effectuée sur un centre d'usinage 5 axes DMU 100P de DMG avec un attachement d'outil HSK-63A rigide. Productivité et qualité au rendez-vous L'outil de Pokolm, à six arêtes de coupe, a un corps extrêmement stable ce qui réduit les vibrations. Sa conception diminue au minimum le balourd résiduel, ce qui explique ses performances dans l'usinage de parois verticales. Les plaquettes P40 utilisées sont produites dans la nouvelle nuance PVGO de Pokolm : un revêtement PVD (physical vapor deposition) doré avec une épaisseur de 2 à 4,5 µm et une microdureté de 3 150 HV, qui résiste à des températures maximales de 900 °C. Productivité et qualité étaient ainsi au rendez-vous pour le mouliste allemand qui a pu usiner sa pièce avec une vitesse de 314 m/min et une avance de 2 000 mm/min. La précision de l'usinage, l'un des points critiques de l'application, est quant à elle supérieure à 100 µm.

L'AVIS DE L'EXPERT

Le magasin d'outils joue un rôle essentiel dans la réussite des applications d'usinage à grande vitesse. Sa capacité doit être conséquente et modulable, tandis que le temps de changement d'outils copeau à copeau doit rester inférieur à quelques secondes. "

DEUX PROCÉDÉS RÉVOLUTIONNAIRES

- Mis en oeuvre par Hardinge et Air Products and Chemicals, le premier procédé baptisé IceFly assure la dispersion d'azote liquide au contact outil/matière. Il réduit, selon ses promoteurs, le coût des outils de 85 % tout en améliorant la qualité de l'usinage. La productivité est, elle, augmentée d'environ 40 % et la durée de vie des outils prolongée jusqu'à 250 %. Petits points noirs : il faut adapter la machine-outil, le coût de la pièce usinée est plus important et le système ne s'applique pour le moment qu'au tournage. - Le second procédé, proposé par Americhip International, est une unité laser autonome qui traite la surface de la pièce avant qu'elle soit usinée et élimine la formation des copeaux longs, dommageables pour les opérations d'usinage. Résultat : une réduction des coûts de l'ordre de 60 % et du temps d'usinage de 70 %. Selon les spécialistes d'Americhip, le système est si efficace que le parc machines et le nombre d'opérateurs d'un atelier peuvent être divisés par cinq !

UN OUTIL ORIGINAL

- Spécialisée dans la fabrication et l'affûtage d'outils coupants, la société AOS propose un "foret carré" original (ci-contre). L'outil en carbure monobloc micrograin a été développé pour l'usinage d'alliages d'aluminium, de fontes et de matériaux à haute résistance mécanique. Il permet la réalisation de trous cylindriques débouchants ou borgnes et peut disposer de canaux d'arrosage pour favoriser la lubrification et l'évacuation des copeaux pour des profondeurs jusqu'à 15 fois son diamètre. Le département génie mécanique et productique de l'IUT d'Angers Cholet (Maine-et-Loire) a comparé cet outil à un foret hélicoïdal. « Nous avons établi une norme présentant ses caractéristiques et nous avons déterminé les conditions optimales de son utilisation », précise Stéphane Lebuffe, professeur à l'université d'Angers. Avis aux usineurs intéressés...

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