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Aug 24, 2023

Outils en carbure : solides comme un roc

Les machinistes à la retraite lisant ceci pourraient se remémorer les morceaux aiguisés à la main de

Les machinistes à la retraite qui lisent ceci pourraient se remémorer les mèches affûtées à la main en carbure Carboloy 883 poussiéreuses et couvertes de poussière au dos de leurs boîtes à outils. Par rapport aux forets en acier rapide sur lesquels ces anciens opérateurs de Cincinnati Milacron et Davenport se sont fait les dents, l'adoption généralisée du carbure de tungstène à l'époque signifiait des avances et des vitesses plus rapides, une durée de vie plus longue de l'outil, une meilleure qualité des pièces et une plus grande pile de pièces sur le banc à la fin de chaque quart de travail.

Les temps ont changé, tout comme le carbure, plus précisément connu sous le nom de carbure de tungstène ou parfois de carbure cémenté. Nous n'explorerons pas sa longue histoire ici, sauf pour dire que le 100e anniversaire de ce plus important de tous les matériaux d'outils de coupe approche, et comme pour tous les centenaires, il nous appartient d'évaluer s'il est temps de transformer ce vétéran de l'atelier d'usinage en pâturage.

Au contraire, a déclaré une foule de fabricants d'outils de coupe; chacun des fournisseurs interrogés pour cet article est entièrement d'accord sur le fait que le carbure a une longue et productive vie devant lui.

"L'utilisation du carbure monobloc augmente et augmente énormément", a déclaré Thomas Raun, directeur technique chez Iscar USA, Arlington, Texas. « Certes, les systèmes indexables et interchangeables bénéficient d'une grande part du gâteau, mais il existe encore un grand nombre d'applications où vous ne pouvez pas remplacer une fraise en bout ou un foret en carbure monobloc.

La technologie des substrats et des revêtements continue de progresser, permettant des outils toujours plus performants qui amélioreront considérablement l'efficacité et la rentabilité de l'industrie de l'usinage. C'est selon Sarang Garud, chef de produit chez Walter USA LLC, Waukesha, Wis. "Cela étant dit, nous nous attendons à voir plus d'aluminium utilisé dans l'industrie automobile et d'autres industries, donc le diamant polycristallin (PCD) augmentera également un peu, même si le carbure restera le numéro un."

Et Steve Lind, vice-président des outils ronds monoblocs pour les Amériques chez Sandvik Coromant, Mebane, Caroline du Nord, a déclaré que son entreprise s'attend à voir une croissance continue sur le marché du carbure monobloc dans un avenir prévisible. "J'attribue une grande partie de cela aux capacités de conception accrues des fabricants d'outils de coupe, ainsi qu'à des équipements de meulage plus avancés. Le résultat est une large sélection de produits qui permettent à l'industrie de tirer pleinement parti de la technologie d'usinage sophistiquée d'aujourd'hui."

Ce n'est qu'un échantillon de l'enthousiasme général suscité par les outils de coupe en carbure monobloc et les gains de productivité qu'ils apportent. Malgré la concurrence, les experts de Kennametal, Ingersoll Cutting Tools, Horn USA, Ceratizit et Scientific Cutting Tools ont tous convenu que l'utilisation du carbure continuera de prospérer au cours de la prochaine décennie et au-delà.

Mais comme Walter's Garud y a fait allusion, qu'en est-il des outils de coupe avancés en PCD et en nitrure de bore cubique (CBN) ? Et que s'est-il passé avec tout le battage autour des fraises en bout en céramique monobloc, avec des photographies de magazines sur papier glacé montrant des flammes jaillissant de pièces en Inconel semblant annoncer un certain destin pour le carbure, du moins en ce qui concerne le fraisage de superalliages ? Le carbure ne peut sûrement pas rivaliser avec ces matériaux d'outils de coupe ultra-durs et résistants à l'abrasion ?

"La céramique monobloc peut être utilisée à la place du carbure monobloc dans certaines applications, en particulier pour l'ébauche", a déclaré Danny Davis, ingénieur senior chez Kennametal Inc, basé à Pittsburgh. "Cependant, le carbure est généralement encore nécessaire en conjonction avec la céramique pour compléter de nombreuses pièces. De plus, la céramique nécessite des vitesses de surface très élevées pour plastifier correctement le matériau et faire fonctionner les outils comme il se doit. diamètres et développer des céramiques capables de faire face à des paramètres de fonctionnement moins contraignants. Pour autant, ce n'est pas toujours la solution parfaite."

Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, est un autre fabricant d'outils de coupe actif dans le domaine du fraisage de la céramique. Et bien que le Dr Uwe Schleinkofer, responsable de la recherche et du développement du groupe Ceratizit, ait convenu que le développement de la céramique est en cours, il ne le voit pas défier les outils de coupe en carbure monobloc de si tôt. "La céramique a sa place et est souvent la meilleure solution dans des conditions sèches et des vitesses de broche accélérées, mais son utilisation à l'avenir continuera à être dans ces applications de niche."

En ce qui concerne l'outillage PCD, Todd White, directeur des ventes pour Scientific Cutting Tools (SCT) Inc., Simi Valley, Californie, a fait écho à ce que d'autres ont dit ici : les constructeurs automobiles et en particulier l'industrie aérospatiale passant de plus en plus de matériaux aux composites, les fabricants d'outils de coupe devraient s'attendre à une demande accrue de produits PCD ainsi que d'outils en carbure monobloc avec des revêtements spéciaux de type diamant (DLC) pour aider à les couper.

"Les pièces en fibre de carbone et en aluminium continuent de devenir plus répandues", a déclaré Ed Woksa, directeur de la gestion des produits et du marketing chez Ingersoll Cutting Tools Inc., Rockford, Illinois. "Pour cette raison, les outils PCD et DLC continueront de remplacer les fraises et les forets en carbure monobloc dans certaines applications non ferreuses et composites, en particulier dans la production à grand volume. Comme tous ceux qui l'utilisent le savent, le PCD permet des vitesses de coupe nettement plus élevées par rapport au carbure monobloc, ce qui conduit à une productivité accrue. Ceci est particulièrement important sur les équipements CNC modernes, où des broches plus rapides et une technologie logicielle d'anticipation permettent un meilleur rendement. fabrication."

Les experts en outillage de Sandvik Coromant le pensent également. "Là où la céramique et d'autres matériaux avancés sont conçus pour bien fonctionner, ils le font généralement", a déclaré Lind. « Souvent, ils sont ensuite utilisés en conjonction avec des outils en carbure monobloc pour l'ébauche. Dans les deux cas, cela indique l'utilisation croissante par l'industrie d'outils de coupe plus spécifiques aux matériaux et aux applications. Cela est particulièrement vrai pour les groupes de matériaux des superalliages résistants à la chaleur (HRSA), mais aussi dans les composites et pour les applications à volume élevé où la durée de vie et le coût par pièce constants sont essentiels.

Comme ses pairs, Davis de Kennametal pense que les outils de coupe spécifiques aux matériaux ont du bon sens. Oui, les outils polyvalents ou dits "GP" ont leur place, notamment pour les ateliers et autres qui usinent des matériaux et des géométries de pièces divers. Pourtant, ce sont des outils adaptés à une application spécifique qui offrent souvent le meilleur retour sur investissement.

"Un outillage haute performance signifie moins de changements d'outils, une durée de vie plus longue, des temps de cycle plus rapides et des processus plus prévisibles", a déclaré Davis. « Au total, le coût un peu plus élevé d'un de ces outils est très facile à justifier. Et contrairement à ce que beaucoup pourraient penser, les outils de coupe représentent une si petite fraction du coût global de fabrication d'une pièce qu'il serait dommage de ne pas optimiser au maximum les performances d'une machine-outil à commande numérique en utilisant le bon outillage.

White, Lind et Davis ont noté qu'une grande partie de cette demande de PCD et d'autres outils de coupe spécifiques aux matériaux proviendra du marché automobile, où la production de véhicules électriques (VE) continuera d'augmenter à mesure que le monde s'éloigne des moteurs à combustion interne (ICE). Duane Drape, directeur national des ventes pour Horn USA, Inc., Franklin, Tenn., voit à peu près la même tendance, bien qu'il ait tempéré ses remarques en déclarant que les hybrides gaz-électriques serviront probablement de passerelle vers les véhicules électriques tous azimuts.

"Les véhicules électriques commencent en effet à avoir un effet sur la quantité globale de carbure que les constructeurs automobiles utilisent", a-t-il déclaré. "Cependant, les véhicules électriques ne représentent encore qu'une très petite partie du marché, et je pense que nous sommes probablement à deux décennies de leur prise d'une part significative. D'ici là, la nécessité de produire simultanément des ICE, des hybrides et des véhicules électriques augmentera probablement la demande d'outils de coupe de toutes sortes. "

Lorsque le changement entrera pleinement en vigueur, cependant, la diminution pourrait être dramatique. Drape et d'autres ont expliqué que, là où un moteur à essence typique peut contenir 120 à 140 composants et nécessiter 30 à 40 outils en carbure uniques pour l'usinage, un EV réduit ces deux éléments de peut-être 80 % ou plus. Et bien que ce soit un chiffre important, "le plus gros impact sur l'utilisation du carbure proviendra des transmissions", a-t-il déclaré. "Ceux-ci contiennent beaucoup plus de pièces qui seront probablement inutiles lors de la transition des constructeurs automobiles vers les véhicules électriques. Les moteurs sont de petites pommes de terre en comparaison."

Schleinkofer du groupe Ceratizit a appuyé cette idée, citant des études européennes comparant le nombre de composants d'un moteur de groupe motopropulseur traditionnel à un moteur entièrement électrique afin de déterminer le volume et la quantité de matériaux de la machine. "Les résultats ont montré que, pour les véhicules à groupe motopropulseur électrique, il y avait 70% d'usinage en moins par rapport aux automobiles traditionnelles", a-t-il déclaré. "Cela affectera considérablement l'industrie de la découpe des métaux."

Pourtant, Walter Tools a suggéré que le pourcentage plus élevé de composants en aluminium d'un véhicule électrique met également la pression sur la fonte, la coqueluche de longue date de l'industrie automobile. Ironie du sort, cette tendance va réduire la consommation d'outillage céramique et surtout CBN de ce secteur, ce dernier pouvant supporter des vitesses de coupe bien plus élevées dans la fonte et les aciers trempés, et a donc gagné des parts de marché ces dernières années. Là encore, le carbure devrait sortir vainqueur.

"Le carbure a une combinaison unique de dureté et de ténacité qui est difficile à égaler dans d'autres matériaux d'outils de coupe", a déclaré Garud. "Lorsqu'il est combiné avec les revêtements avancés que nous avons actuellement et que nous continuerons à développer, il offre une très large gamme d'applications qui ne peut être égalée."

Mis à part l'évolution de la technologie automobile, d'autres facteurs sont également en jeu. Le responsable de l'ingénierie de conception d'Ingersoll Cutting Tools, Dennis Roepsch, a souligné les améliorations apportées à la technologie de moulage par injection plastique, de fabrication additive et de moulage de précision, notant que "certains composants de pièces ne nécessitent plus d'usinage ou ont des exigences d'usinage minimales. Par exemple, les collecteurs d'admission en aluminium sont souvent remplacés par des plastiques composites moulés. De plus, les pièces de forme quasi nette réduisent la quantité de matériau à dégrossir, ce qui réduit encore l'utilisation de carbure".

La plupart des experts ici ont mentionné un corollaire similaire dans le domaine de la fabrication additive. Ici, les pièces imprimées en 3D sortent du réservoir de résine ou de la chambre de construction pas tout à fait complètes. Les surfaces critiques doivent être usinées, les trous alésés ou percés, et même des caractéristiques de tolérance relativement ouvertes doivent être introduites dans les spécifications. En raison de la valeur relativement élevée de ces pièces, dont certaines prennent des heures ou des jours à imprimer, il est probable que les outils de coupe au carbure seront la solution préférée pour les finir.

"De plus, toute pièce imprimée en 3D nécessitant un filetage nécessitera probablement un voyage au centre d'usinage ou au tour", a déclaré White de SCT. « De mon côté, le moyen le plus rentable d'y parvenir, surtout compte tenu des faibles quantités de production associées à l'impression 3D, est d'utiliser une fraise à fileter en carbure monobloc.

C'est vrai pour les pièces en métal et en polymère, mais Raun d'Iscar a déclaré que c'est le premier qui présentera le plus grand défi pour les fabricants d'outils de coupe. "Les technologies additives telles que le lit de poudre métallique et le jet de liant augmentent le potentiel pour des alliages entièrement nouveaux, à la fois plus solides et plus résistants à l'usure que les métaux existants. J'ai entendu parler du tungstène mélangé à de l'aluminium, par exemple, ce qui, j'imagine, serait assez difficile à usiner. Comme de plus en plus de ces matériaux hybrides sont mis en ligne, les entreprises d'outils de coupe seront obligées de trouver des solutions capables d'usiner ces matériaux de manière productive."

C'est Drape chez Horn qui résume peut-être le mieux la situation, déclarant que "l'impression 3D finira par priver les ateliers d'usinage et les fabricants d'outils de coupe de certaines activités, mais tant qu'elle ne sera pas en mesure de fournir une plus grande précision et une meilleure qualité de surface, vous aurez toujours besoin d'outils en carbure monobloc pour le travail de finition".

La conclusion est claire : même si l'impression 3D pourrait éventuellement accomplir ce que beaucoup dans l'industrie craignaient depuis sa création il y a plus de trois décennies, à savoir une demande moindre pour la fabrication traditionnelle, il est plus probable que l'additif et le soustractif se complètent.

Selon Garud de Walter Tools, les deux auront probablement besoin l'un de l'autre également. Comme pour toutes les nouvelles technologies, il a suggéré qu'il peut être difficile de voir l'univers des possibilités et des effets que l'impression 3D aura sur l'outillage en carbure monobloc à long terme. Et pourtant, l'additif a déjà acquis la capacité d'imprimer des composants en titane et en Inconel pour l'aérospatiale et d'autres industries, et ce, bien plus rapidement que la plupart ne l'auraient prévu. Les outils de coupe imprimés semblent une possibilité.

"Si cela peut être fait, le carbure imprimé en 3D ouvrira de nouvelles possibilités pour la conception d'outils et nous donnera la possibilité de les personnaliser rapidement pour des applications spécifiques", a-t-il déclaré. "Il a certainement le potentiel de changer les règles du jeu pour l'ensemble de l'industrie, offrant des avantages à ceux qui peuvent l'utiliser efficacement."

Ceratizit n'était pas d'accord, du moins du point de vue de la production. "Gardez à l'esprit que nous et d'autres pressons des inserts en deux secondes, donc je ne vois pas comment cela fonctionnerait avec l'impression 3D", a déclaré Schleinkofer. "Le processus est beaucoup trop cher. De plus, considérez que le carbure cémenté dense ne peut pas être produit par frittage laser. Vous ne pouvez imprimer que des pièces vertes, donc un passage au four pour le frittage après le processus d'impression 3D est toujours nécessaire. Cependant, l'impression 3D nous offre plus de flexibilité en termes de mise en œuvre des exigences des clients et ouvre de nouvelles possibilités de conception, que nous pouvons utiliser pour offrir à nos clients des solutions individuelles hautement optimisées en un minimum de temps. C'est une solution idéale pour les petits volumes et la complexité élevée des composants."

Woksa d'Ingersoll a peint un tableau similaire. Il a noté que, bien que la technologie d'impression 3D d'outils en carbure monobloc et indexable soit en cours de développement, il est pratiquement impossible de rivaliser avec la technologie actuelle de production de carbure. Cependant, le développement des produits de plaquettes en carbure sera impacté, car les outils et plaquettes en carbure spéciaux et en petits lots peuvent être produits plus rapidement et plus économiquement si un jeu de matrices n'est pas nécessaire. "De plus, il existe un potentiel de développement de capacités uniques telles que des trous de refroidissement avec une précision extrême qui seraient autrement impossibles", a-t-il déclaré.

La réponse de Sandvik Coromant a été sensiblement la même que celle d'Ingersoll. "Comme d'autres fabricants d'outils de coupe, nous en sommes vraiment au stade du développement, bien que nous nous attendions à ce que l'impression 3D contribue à notre offre de manière unique et très productive", a déclaré Lind. "Cela pourrait être du point de vue du prototypage, comme on peut s'y attendre, mais il existe également un potentiel pour des solutions d'ingénierie complexes et avancées. Comme je l'ai dit, il est encore tôt dans le jeu, mais restez à l'écoute."

Rester à l'écoute est un bon conseil pour toute technologie, et les outils de coupe au carbure ne font pas exception. Le blanc de SCT nous assure que les substrats en carbure et les revêtements d'outils continueront d'évoluer pour suivre le rythme des progrès des matériaux.

Et Drape of Horn a déclaré que les outils de coupe au carbure et au carbure s'améliorent toujours, "mais à moins qu'il y ait un nouveau minéral qui se trouve en abondance et qui soit relativement facile à obtenir, ce sera à petits pas plutôt qu'à pas de géant". Il a suggéré que ces améliorations se présenteront principalement sous la forme de préparations et de revêtements de bord plus avancés que le carbure, bien que les trois soient des piliers nécessaires des outils de coupe haute performance.

Davis de Kennametal est entièrement d'accord et a remercié les progrès de la technologie des logiciels informatiques et des machines-outils au cours de la dernière décennie ou deux d'amélioration continue. Dans cet esprit, il pense également que l'industrie de l'outillage en carbure connaîtra des changements fondamentaux dans un proche avenir. "Nous continuons tous à développer de meilleures géométries de coupe et de meilleurs revêtements, mais la clé sera de les ramener au niveau micro plutôt qu'au niveau macro", a-t-il déclaré.

Les fabricants d'outils de coupe utilisent l'analyse par éléments finis (FEA) pour comprendre la quantité de chaleur et de force qui sera générée pendant la coupe, et déterminer les angles d'hélice et la formation de copeaux optimaux bien avant la fabrication de l'outil. Les machines-outils s'améliorent également, de nombreux fournisseurs utilisant des meuleuses CNC capables de maintenir une précision de 1 μm ou plus. Les deux permettent la production d'outils de coupe qui, il n'y a pas si longtemps, étaient impossibles à fabriquer. Dit Davis, "Depuis que j'ai commencé avec Kennametal il y a près de quatre décennies, la technologie a progressé à pas de géant."

Raun of Iscar a une histoire tout aussi longue dans le secteur des outils de coupe. "Par rapport à la tige en carbure qui était disponible lorsque je suis entré dans l'industrie, la dureté et la densité ont atteint un niveau très élevé", a-t-il déclaré. « Pour cette raison, il peut résister à l'usure et aux forces de coupe bien mieux qu'auparavant. Ajoutez à cela les revêtements avancés d'aujourd'hui et, comme d'autres l'ont mentionné, les géométries et les préparations de bord qui sont maintenant disponibles, et vous vous retrouvez avec des outils de coupe beaucoup plus performants qu'auparavant. Je pense que ces progrès ne se poursuivront qu'à mesure que la technologie sous-jacente s'améliorera.

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