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May 14, 2023

Faits concrets sur les outils de coupe les plus durs

Les outils de coupe au diamant et au CBN sont des armes puissantes, mais quand et comment doivent-ils

Les outils de coupe au diamant et au CBN sont des armes puissantes, mais quand et comment les utiliser ?

Deux choses que tout le monde sait sur les diamants : ils sont très durs et très chers. Il en va de même pour les outils de coupe en diamant polycristallin (PCD) et en nitrure de bore cubique (CBN). Ils sont assez durs pour couper des matériaux extrêmement difficiles à usiner, mais à un coût qui les a gardés comme outil de dernier recours dans la plupart des cas, utilisés uniquement lorsqu'il n'y a pas de solution meilleure et moins chère.

"Les technologies CBN et PCD sont quelque peu en marge de l'application des outils de coupe", a noté Tom Raun d'Iscar USA. "Et ils ont donc tendance à être négligés la plupart du temps.

Il y a cependant deux vérités que les fabricants plus dans le courant dominant de la coupe des métaux devraient considérer. Tout d'abord, bien que le coût initial des outils de coupe durs puisse sembler un formidable obstacle à leur utilisation, ils peuvent en fait générer un excellent retour sur investissement et réduire le coût par pièce lorsqu'ils sont utilisés dans la bonne application. Et deuxièmement, les outils PCD et CBN s'améliorent, ce qui les rend plus polyvalents et élargit les types d'applications auxquels ils conviennent.

Avec l'aide de quatre experts (dont Raun), nous examinons comment les deux types sont utilisés et comment ces outils s'améliorent et deviennent plus utiles.

"Les matériaux PCD et CBN sont généralement utilisés pour les applications à production élevée, ce qui signifie qu'un grand volume de pièces doit être produit", a déclaré Steve Howard, directeur du marketing et de l'ingénierie pour NTK Cutting Tools USA, Wixom, Michigan. "Être l'outil de coupe le plus difficile matériaux de l'industrie, ils peuvent offrir la meilleure durée de vie pour divers matériaux de pièces.Dans le cas du CBN, il existe d'autres matériaux d'outils de coupe sur le marché qui effectueront la même opération d'usinage à une vitesse de coupe plus élevée, mais ceux-ci ne peuvent pas atteindre les CBN. CBN peut offrir plus de pièces et moins d'indexation d'insert à des métrages de surface inférieurs [pour] un temps de cycle amélioré sur une pièce.

Les nuances CBN sont principalement utilisées pour couper l'acier trempé et les métaux en poudre, tandis que les PCD sont plus applicables à l'usinage des matériaux non ferreux, a noté Howard.

"Cependant, les fabricants de pièces voient une évolution de la composition des matériaux et de nouveaux matériaux sont inventés chaque jour", a-t-il déclaré. "Il est important de prendre le temps d'étudier la composition et les caractéristiques du matériau à usiner pour déterminer quel outil de coupe et quels paramètres fonctionneront le mieux pour l'usiner."

Le prix du PCD et du CBN les exclut de la liste des solutions possibles pour de nombreux magasins jusqu'à ce qu'ils découvrent qu'ils n'ont pas d'autre choix, puis certains d'entre eux franchissent le pas sans rechercher adéquatement les matériaux à couper, selon Howard.

"Avec les options PCD et CBN, le coût de la plaquette est le principal facteur dissuasif pour les clients lors de la sélection de l'outil de coupe pour leur application", a-t-il déclaré. "L'une des choses les plus difficiles à juger est [quelle] sera la durée de vie exacte de ces deux matériaux d'outils de coupe. Les tests sont la clé pour déterminer le nombre maximum de pièces que ces plaquettes peuvent couper avant de s'user. En raison de leur haute coût, vous voulez en tirer le meilleur parti possible. De nombreux utilisateurs ne savent pas s'ils obtiennent une durée de vie maximale de l'outil et peuvent ne pas en avoir pour leur argent de chaque index.

Craig Bastian a vu la tendance à l'allégement dans l'industrie automobile entraîner une plus grande utilisation des outils PCD dans son rôle de directeur général d'IT.TE.DI North America, une société sœur d'Ingersoll Cutting Tools Co. Les deux sociétés sont basées à Rockford, Illinois. , et font partie du groupe IMC.

"De plus en plus de composants automobiles au cours des 10 ou 15 dernières années sont passés de la fonte à l'aluminium, l'utilisation des PCD se développe donc comme une folle dans cette industrie", a déclaré Bastian.

"De nos jours, presque toutes les voitures particulières et camions légers ont un bloc en aluminium et une tête en aluminium. Et dans les véhicules électriques, encore plus de composants sont en aluminium. Le PCD va continuer à croître au cours des 20 à 25 prochaines années."

La même tendance à l'allègement étend également l'utilisation du CBN, a-t-il déclaré, en donnant l'exemple du passage à la fonte CGI (fer à graphite compacté) de la fonte dans la fabrication de camions.

"Beaucoup de grands constructeurs de camions qui utilisaient encore la fonte pour les blocs moteurs et les culasses se tournent vers CGI car ils peuvent conserver toute la résistance de la fonte mais alléger le poids en réduisant l'épaisseur des parois", a-t-il déclaré. "Le CGI est un matériau très difficile à usiner, vous avez donc besoin de la haute résistance à l'usure du CBN."

Une autre application automobile courante du CBN concerne les matériaux durcis utilisés pour les boîtes de vitesses ou les composants de transmission. Encore une fois, en raison des exigences d'allègement, celles-ci doivent être adaptées à des tolérances de plus en plus strictes, selon Robert Keilmann, chef de projet de tournage chez Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvanie.

L'industrie aérospatiale a également élargi son utilisation des outils de coupe CBN, notamment dans la fabrication de moteurs, a déclaré Keilmann. "Si vous regardez le moteur à réaction, vous avez la zone froide à l'avant, où l'entrée d'air est [faite de] composants généralement en titane, en raison de son faible poids. Mais la zone de combustion doit avoir ses pales très précisément fabriquées. et des disques et autres composants en matériaux à base de nickel résistants à la chaleur tels que l'Inconel ou l'Hastelloy."

Dans le passé, ces matériaux résistants à la chaleur étaient généralement coupés à l'aide d'outils avec des inserts en carbure, a-t-il déclaré. Mais le CBN permet une durée de vie plus longue et des vitesses de coupe plus élevées. "Si vous comparez la coupe de l'Inconel 718, par exemple, avec le carbure et le CBN, vous constaterez que la vitesse à laquelle vous pouvez faire fonctionner le CBN est dix fois plus élevée", a-t-il déclaré.

Un autre domaine mûr pour la croissance dans l'aérospatiale est l'utilisation d'outils durs pour l'usinage des composites de carbone, a noté Raun d'Iscar. Il a décrit le système élaboré d'un client pour percer avec précision des trous dans les composites de la cellule pour les fixations à l'aide de forets en carbure. Le défi était la durée de vie plus courte du carbure par rapport aux PCD et aux CBN, ce qui était compliqué par les mesures prises pour assurer la précision du perçage.

"Ils avaient une douille spéciale qui servait à maintenir l'alignement de la perceuse", a-t-il expliqué. "Cela signifiait qu'une configuration complexe devait avoir lieu chaque fois qu'ils devaient remplacer une perceuse. Ils devaient démonter toute la douille et le changement prenait 10 à 15 minutes à chaque fois, à chacune des multiples stations de forage."

La solution proposée par Iscar était double : premièrement, en utilisant du PCD plutôt que du carbure, la durée de vie de l'outil a été considérablement augmentée, de sorte que le nombre de fois où le perçage devait être interrompu a été considérablement réduit. Et deuxièmement, a déclaré Raun, le système Iscar SUMOCHAM d'utilisation d'outils - des forets, dans ce cas - avec des têtes remplaçables a permis au client de ne changer rapidement que les têtes de forage, plutôt que d'effectuer le processus fastidieux de remplacement de l'ensemble du foret. Sans déranger la douille, "ils ont de la place pour y entrer et changer rapidement la tête. Cela prend littéralement quelques secondes au lieu de 15 minutes par exercice", a-t-il déclaré. Les économies qui en ont résulté étaient "astronomiques", selon Raun.

Les PCD et les CBN ont au départ l'avantage d'une durée de vie plus longue que leur rival le plus courant, le carbure. Dans la bonne application, la durée de vie de l'outil est suffisamment longue pour que les coûts initiaux plus élevés de l'ancien ne soient pas pertinents lorsque l'on considère le coût total de production.

Mais pour certains fournisseurs, ce coût initial est néanmoins un obstacle. Tous les fabricants de ces outils continuent de trouver des moyens d'améliorer leurs produits afin d'en faire de meilleures solutions dans une sphère d'applications toujours plus large.

Par exemple, la technologie de tête interchangeable d'Iscar peut permettre au PCD d'être utilisé dans les composites et d'autres domaines. Selon Raun, la société améliore également sa méthode de braisage du PCD ou du CBN sur un insert en carbure. "Habituellement, le braisage se produit sur des bords droits, le bord du carbure contre le bord droit de la minuscule plaquette plate de PCD ou de CBN", a-t-il déclaré. "Cette jointure peut être un point de faiblesse."

Iscar a augmenté la surface à braiser en changeant la forme des deux bords (voir photo page 61).

"C'est presque comme une cannelure ou une forme en 'S', avec un motif d'accouplement sur le substrat", a-t-il expliqué. "Cela crée une connexion brasée beaucoup plus solide, avec une meilleure rigidité, et cela nous permet d'être plus agressifs avec nos profondeurs de coupe et nos vitesses d'avance." Et tandis qu'Iscar change la forme du PCD et du CBN là où il rejoint le carbure, il a également commencé à mettre des formeurs de copeaux à la pointe pour permettre un meilleur contrôle des copeaux, a-t-il déclaré.

Un développement notable chez Ingersoll est la façon dont le tranchant PCD est formé, selon Bastian. Traditionnellement, cela se fait soit par électroérosion à fil, soit par meulage, qui ont tous deux une limitation.

"Les diamants polycristallins, comme leur nom l'indique, sont des centaines de milliers de minuscules particules de diamant compactées ensemble sous une chaleur et une pression intenses pour constituer cette tranche de PCD, sur laquelle un bord de coupe est usiné", a-t-il déclaré. "Mais si vous regardez le tranchant au microscope, vous verrez de petits pics et des vallées, comme une chaîne de montagnes sur ce qui devrait être un tranchant plat." La surface dentelée est due au fait que les processus d'EDM et de meulage extraient inévitablement certaines de ces minuscules particules de diamant du matériau compacté.

"Ces pics et ces vallées se prêtent à créer plus rapidement des échecs de pointe", a déclaré Bastian. "Donc, ces jours-ci, nous nous dirigeons davantage vers la préparation du tranchant au moyen du laser." Le laser coupe les particules de diamant plutôt que de les extraire, a-t-il expliqué. "Alors maintenant, nous avons un bord beaucoup plus lisse pour commencer, ce qui se prête à une durée de vie de l'outil beaucoup plus longue."

Bastian a noté que l'entreprise utilise la méthode laser depuis environ sept ans, et bien que certains concurrents le fassent également de cette façon, le coût élevé de l'équipement laser nécessaire est un obstacle pour certains de leurs plus petits rivaux. "Nous avons de la chance. Nous appartenons au groupe IMC et nous pouvons nous permettre des machines comme celle-là."

NTK Cutting Tools améliore ses produits en travaillant avec ses clients pour créer un tranchant optimal pour chaque application, selon Howard.

« La préparation des arêtes de plaquette est un élément essentiel au succès de l'usinage », a-t-il déclaré. "Une large gamme d'applications pour ces plaquettes peut conduire à des ajustements du traitement des arêtes, en fonction du matériau de la pièce et des conditions de coupe. L'analyse de l'application et l'identification de la préparation des arêtes appropriée peuvent jouer un rôle majeur dans la maximisation de la durée de vie de l'outil de plaquette. Comme nous le disons, un la taille ne convient pas à tous."

L'accent mis par ce dernier sur une collaboration étroite avec le client pour comprendre ses exigences, ses processus et les matériaux des pièces est primordial pour le succès du client et de NTK, a expliqué Howard.

"Nous travaillons en partenariat avec les clients pour développer une solution qui maximise la productivité et, à son tour, nous acquérons une meilleure compréhension du fonctionnement du PCD et du CBN. Les conditions réelles sont la plus grande aide pour les fabricants d'outils pour apprendre et perfectionner la combinaison optimale de la nuance de PCD ou CBN avec des préparations de bords pour chaque matériau. La collecte de données nous aide à offrir aux clients les meilleures solutions."

La préparation des bords ainsi que la technologie de revêtement sont ce qui a permis à Kennametal de respecter les tolérances de plus en plus strictes de ses clients, selon Keilmann.

"Les exigences de précision des outils ont été dictées par les besoins des applications, telles que des tolérances plus strictes sur les boîtes de vitesses automobiles pour améliorer l'efficacité énergétique", a-t-il déclaré. Et les outils ont parcouru un long chemin.

"Il y a vingt ou trente ans, nous n'aurions pas pu préparer une arête de coupe comme nous pouvons le faire aujourd'hui. La capacité des rectifieuses que nous utilisons maintenant pour traiter nos plaquettes permet une plus grande précision et des tolérances plus strictes qu'il y a dix ans."

Les améliorations de préparation de pointe sont encouragées par une nouvelle technologie de revêtement et d'autres innovations, a-t-il déclaré, en utilisant un CBN double face récemment lancé pour tourner les métaux durs à titre d'exemple.

« Les nuances KBH-10B et KBH-20B sont dotées d'un tout nouveau revêtement PVD TiN/TiAlN/TiN pour une meilleure résistance à l'usure. Mais parallèlement au revêtement, nous avons mis en place un nouveau type de processus de rodage.

Sur l'outil à double face, un bord comporte un aiguisage de style "trompette" pour les coupes plus lourdes et interrompues, tandis que l'autre a un aiguisage léger pour un tournage continu. Les aiguisages permettent « de réduire les efforts de coupe tout en améliorant la qualité de surface et la durée de vie de l'outil », a déclaré Keilmann. "C'était une belle combinaison de développement d'une nouvelle forme de bord et d'un nouveau revêtement, puis de leur mise en œuvre dans les inserts double face."

Pour Keilmann, même si certaines personnes ont une idée statique de ce que les outils PCD et CBN peuvent faire, le développement d'outils est tout sauf statique car les outils ne cessent de s'améliorer. "Ce que je dis toujours, c'est 'nous ne réinventons pas le carbure, nous ne réinventons pas le CBN. La seule chose que nous inventons, c'est la conception des outils et la manière dont ils peuvent être appliqués pour améliorer les processus et travailler avec une plus grande gamme de matériaux.'"

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