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Jun 11, 2023

Choix des plaquettes PCD et CBN

Les inserts en nitrure de bore cubique sont mieux utilisés dans la semi-finition et la finition légères

Les inserts en nitrure de bore cubique sont mieux utilisés dans les opérations légères de semi-finition et de finition.

La fabrication des couteaux les plus durs de la planète implique des processus et une chimie intenses. Les outils en diamant polycristallin (PCD) et en nitrure de bore cubique (CBN) sont respectivement un et deux sur la liste des matériaux d'insert les plus durs, mais leurs compositions sont assez différentes.

Sans entrer dans le vif du sujet de la chimie, la chaleur extrême, le frittage et la pression sont tous utilisés pour former les différentes qualités de ces inserts en fonction de leur rapport matériau/liant.

BIG Daishowa, qui se spécialise dans les porte-outils mais propose également des plaquettes à plaquettes CBN et PCD avec des formes de brise-copeaux personnalisées pour ses outils d'alésage, reçoit souvent des questions sur ce style d'outillage. Matt Tegelman, spécialiste produit principal, a répondu à certaines des questions les plus courantes. Ici, nous partageons ses réponses.

Q : En tant qu'expert en porte-outils, comment décrivez-vous l'importance de l'interface outil/porte-outil ? R : Seules les conditions les plus stables conviennent au PCD et au CBN. Avec une dureté élevée vient des caractéristiques très fragiles. Si la rigidité de l'outillage ou de la fixation n'est pas idéale, ou si une pièce présente de graves harmoniques causées par des vides excessifs, des vibrations peuvent se manifester dans la coupe. Cela conduit à une faible durée de vie de l'arête de coupe diamantée. Dans ces cas, il est préférable de coller avec des inserts en carbure.

Q : Quelle est la plus grande différence entre les inserts PCD et CBN ?R : Une plaquette PCD devrait être le premier choix dans les applications d'aluminium et de magnésium, ainsi que pour les pièces en fibre de carbone, car son extrême dureté offre une très longue durée de vie dans ces matériaux non ferreux.

Parce qu'il s'agit d'un diamant synthétique (carbone presque pur), il ne peut pas être utilisé pour usiner des matériaux ferreux, tels que les aciers et les fontes, car à des températures supérieures à 700 degrés F, les atomes de carbone réagissent avec le matériau de la pièce pour former du carbure de fer et provoquer le structures de diamant à s'effondrer.

Le PCD est particulièrement nécessaire lorsque l'aluminium contient plus de 5 % de silicium pour résister à l'abrasivité qui entraîne l'usure.

Le CBN utilise le bore comme élément principal. Alors que le bore a une structure cristalline similaire à celle du carbone, il n'a pas son affinité avec le fer.

C'est le deuxième matériau connu le plus dur et peut tolérer des températures de coupe supérieures à 1 800 degrés F. Le CBN convient à l'usinage de l'acier ou du fer et est l'un des premiers choix pour travailler avec des aciers trempés, généralement plus d'au moins 50 HRC, et devrait être utilisé uniquement pour la finition. Toute coupe interrompue nécessite l'outil le plus stable possible, sinon il ne fonctionnera pas bien.

Le CBN est disponible en différentes qualités, dans lesquelles des liants, tels que des céramiques et des métaux, sont ajoutés pour modifier les caractéristiques. La taille des grains de la structure cristalline peut également être modifiée pour certaines caractéristiques. Une teneur élevée en CBN avec des grains ultrafins est la combinaison la plus dure, adaptée à l'usinage continu de la fonte trempée et des métaux en poudre.

Les outils en nitrure de bore cubique sont disponibles en différentes qualités, dans lesquelles des liants, tels que la céramique et les métaux, sont ajoutés pour modifier les caractéristiques.

Les inserts CBN peuvent également être revêtus. Par exemple, un matériau CBN à grain moyen avec un revêtement TiCN est recommandé pour l'usinage des aciers trempés.

Q : Quelle est la meilleure profondeur de coupe minimale/maximale pour les plaquettes PCD et CBN ? R : Les plaquettes PCD et CBN sont mieux réservées aux opérations légères de semi-finition et de finition. Je recommanderais généralement un maximum de 0,040 po de stock sur le diamètre et des minimums jusqu'à 0,004 po, selon le rayon du nez de l'insert.

Q : Quelle est la relation entre l'état de surface et le rayon du bec d'un outil ? R : Un rayon de bec plus grand produit une meilleure finition de surface pour une vitesse d'avance donnée. Par conséquent, plus le rayon est grand, plus vous pouvez avancer l'outil rapidement tout en obtenant une bonne finition. Le compromis vient de la pression de l'outil. Un rayon plus grand provoque plus de déviation sur l'outil et, à un certain point, peut entraîner un broutage. L'astuce consiste à trouver le plus grand rayon qui produit des résultats sans bavardage.

Une solution consiste à utiliser une géométrie Wiper, désormais proposée pour certaines plaquettes PCD et CBN. Un essuie-glace est un rayon secondaire plus petit ou une série de rayons plus petits qui suivent le rayon du coin principal pour lisser en plus le profil festonné de la coupe du coin principal. C'est un moyen d'obtenir un meilleur rapport alimentation/état de surface.

Q : Doit-on utiliser un arrosage avec les plaquettes PCD et CBN ? R : Utilisez soit beaucoup de liquide de refroidissement, soit pas du tout. La fracture thermique de ces matériaux se produit avec de grandes fluctuations de température. Si l'arrosage est utilisé efficacement, il contribue à augmenter la durée de vie de l'outil et à améliorer l'évacuation des copeaux. Si le liquide de refroidissement ne peut pas être dirigé vers l'action de coupe avec un débit constant, cela nuira à l'opération.

Q : La préparation des arêtes est-elle importante avec les plaquettes PCD et CBN ? R : Les processus extrêmes utilisés pour créer ces matériaux de coupe très durs rendent la préparation des arêtes importante pour les outils CBN et PCD, à la fois pour le renforcement et le contrôle des copeaux. De plus, vous trouverez toujours des défauts de bord microscopiques sur presque tous les outils avant la préparation des bords. Lorsque des performances élevées sont requises, comme c'est souvent le cas avec ces fraises, la préparation élimine les défauts qui entraînent des performances erratiques.

Les plaquettes PCD et CBN sont désormais proposées avec presque autant de styles de préparation des arêtes que les plaquettes carbure. Ils sont classés par types de "terrains", et chaque type offre des avantages pour des matériaux et des conditions de coupe spécifiques.

Q : Comment associer un type de terrain à une application ou à un matériau ? R : La plupart des préparations d'arêtes consistent toujours en un affûtage de rayon, et un rayon plus petit est généralement préféré afin qu'il reste plus de matière sur l'arête de coupe, ce qui prolonge la durée de vie de l'outil. Un affûtage en cascade biaise le rayon pour laisser plus de matière sous le tranchant afin de le renforcer pour les coupes plus lourdes ou les applications de coupe interrompue, mais ce style entraîne également des pressions d'outil plus élevées.

Q : Existe-t-il des vitesses minimales et maximales pour les inserts PCD et CBN ?R : Contrairement à la plupart des perceptions, le PCD a une large gamme de paramètres de surface admissibles en pieds par minute (SFM) pour l'aluminium, allant d'aussi peu que 200 SFM à 6 000 SFM, et il dure généralement au moins 10 fois plus longtemps que les inserts en carbure, ce qui permet aux outils de rester dans la tolérance sans ajustements pendant de très longues périodes de temps de coupe.

Avec les plaquettes CBN, des avances aussi faibles que 200 SFM sont souvent utilisées dans les applications en acier trempé.

Les outils diamantés polycristallins sont souvent utilisés pour usiner de l'aluminium contenant plus de 5 % de silicium, car il peut résister à son abrasivité.

La vitesse dépend également de l'assemblage de l'outil dans son ensemble. Pour les outils d'alésage, par exemple, il est souvent nécessaire de tenir compte de la rigidité de l'assemblage de l'outil et de la configuration de la pièce lors de la décision d'utiliser l'usinage à grande vitesse avec ces types de plaquettes. Souvent, une tête d'alésage avec des contrepoids intégrés pour l'équilibre est nécessaire pour pouvoir exécuter les vitesses dont ces inserts sont capables.

Q : Quelles sont les modalités d'usure courantes de ces inserts ? R : L'usure en cratère se produit dans l'usinage CBN d'alliages à base de fer et de titane lorsque la chaleur des copeaux de la pièce dissout et disperse les liants au carbure cémenté et forme des cratères sur le dessus de l'outil. Une fois que les cratères deviennent suffisamment grands pour provoquer un micro-effondrement de la structure cristalline, une déformation et une usure rapide des flancs se produisent.

Le bord rapporté (BUE) se produit lorsque des fragments de la pièce sont collés au bord de coupe par soudage à chaud (une combinaison de haute pression et de température ainsi qu'une affinité chimique dans la zone de coupe).

Cette accumulation finira par échouer et, le cas échéant, elle pourra également emporter une partie de l'avant-garde avec elle. Ce problème peut être identifié par des changements anormaux dans la taille ou la finition de surface de la pièce et des zones brillantes sur la surface de l'arête de coupe. Le BUE peut souvent être contrôlé en augmentant la charge de coupe de l'outil (vitesse de coupe et/ou avance plus élevées) ou en modifiant le débit ou la concentration du liquide de refroidissement dans la zone de coupe.

BIG Daishowa, www.bigdaishowa.com

En raison de leur extrême dureté, les outils diamantés polycristallins offrent une très longue durée de vie dans les matériaux non ferreux.