Maximiser le MRR avec des outils pour High

Les outils de coupe avancés peuvent maximiser les taux d'enlèvement de métal (MRR) lors de l'usinage des matériaux les plus difficiles à usiner. Propulsées par les derniers programmes de FAO, ces stratégies d'usinage sont connues sous le nom d'ébauche optimisée à grande vitesse, à haut rendement et également par des marques propriétaires telles que le fraisage dynamique de Mastercam. Les outils tels que les outils multidents en carbure monobloc bénéficient des dernières technologies avancées en matière d'anticipation des machines, de broches à grande vitesse, de revêtements et de géométries.

Voici comment les principaux fabricants d'outils aident leurs clients à utiliser ces outils dans l'usinage du titane, des alliages à base de nickel, des superalliages, de l'Inconel et de l'acier inoxydable.

Enlever le métal est important, et le faire assez rapidement pour gagner de l'argent est plus important. Pour tirer parti des dernières stratégies d'usinage pour le fraisage de matériaux difficiles à usiner, Iscar Metals Inc., Arlington, Texas, continue d'ajouter à ses gammes de fraises en carbure monobloc à dents multiples, selon Bryan Stusak, chef de produit national –le fraisage. Iscar a conçu des fraises en bout en carbure monobloc spécifiquement pour les stratégies de fraisage, y compris le fraisage à grande vitesse, le fraisage à haut rendement, l'ébauche optimisée et les stratégies de FAO propriétaires comme le fraisage dynamique de Mastercam.

"Ces quatre stratégies sont essentiellement les mêmes", a déclaré Stusak. "Nous avons développé des outils multi-dents, et plus particulièrement un outil à sept dents avec technologie de séparation des copeaux pour permettre des largeurs de coupe très légères en fonction de la longueur de la dent sur la fraise en bout. Ces stratégies gèrent activement les quatre attributs de la Les systèmes de FAO, y compris la largeur radiale de coupe, l'arc de contact, l'épaisseur des copeaux et la vitesse d'avance, pour des performances optimisées », a-t-il déclaré.

La technologie de fractionnement des copeaux réduit la pression radiale de l'outil rencontrée avec de longues longueurs de coupe et aide à briser les copeaux, produisant des copeaux plus gérables pour l'opérateur ou le bac à copeaux ou le convoyeur à retirer, a expliqué Stusak. "La clé de l'usinage de matériaux difficiles à usiner est l'engagement radial", a-t-il déclaré. "Vous voulez minimiser la largeur de coupe ou l'arc de contact pour vaincre la chaleur." En minimisant la largeur de coupe, moins de transfert de chaleur dans l'outil en raison du temps de coupe limité sur la fraise en bout.

Il y a d'autres avantages. "En minimisant la largeur de coupe, vous pouvez élever le métrage de surface sur la plupart des alliages, à l'exception des alliages à base de nickel", a déclaré Stusak. "Vous ne pouvez pas augmenter autant la vitesse de coupe car il est impossible d'éliminer la chaleur dans la coupe, mais pour Ti6Al4V, nous avons des études de cas où nous avons usiné jusqu'à 400 sfm à 4 % d'engagement radial avec ces outils."

Comprendre la composition de ces matériaux est essentiel pour comprendre les limites de la vitesse de coupe. "La dureté de la pièce et la composition du matériau ont une incidence énorme sur l'usinabilité", a-t-il expliqué. "Les superalliages à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer contiennent certains éléments d'alliage qui ne permettent pas d'élever le sfm car vous ne pouvez pas éliminer la chaleur dans la coupe, peu importe ce que vous faites avec la largeur de coupe ou vitesse de coupe. [Les vitesses de coupe doivent] rester entre 80 et 110 sfm selon la dureté du matériau.

C'est différent avec l'acier inoxydable PH, certains aciers inoxydables duplex et les alliages de titane où la vitesse peut être augmentée pour obtenir plus de productivité de l'outil. "Les aciers inoxydables duplex qui contiennent beaucoup de nickel et de chrome ressemblent davantage à des matériaux Inconel en raison de leur teneur élevée en nickel. Il est donc essentiel, dans l'usinage d'alliages à haute température, de comprendre les éléments d'alliage qu'ils contiennent", a-t-il déclaré.

Stusak a souligné les avantages de ces stratégies d'usinage en expliquant que le principe de base de la coupe du métal consiste à former correctement un copeau par rapport à la géométrie des bords, de sorte que vous cisailliez le matériau et non le labourez. L'ébauche et la finition bénéficient de stratégies d'usinage optimisées, mais surtout l'ébauche, où le temps d'usinage peut être considérablement réduit.

"La finition est généralement effectuée avec une fraise en bout à hélice de 45o pour les matériaux durcis jusqu'à 65 HRC, car l'angle d'hélice plus élevé cisaille le matériau plus efficacement", a-t-il déclaré. "Les fraises en bout avec un angle d'hélice de 60o sont utilisées sur des matériaux non ferreux comme l'aluminium et même les alliages à haute teneur en nickel dans les applications de finition. En général, une fraise en bout à pas variable avec un angle d'hélice de 35 à 38o est la plus courante que nous voyons dans le car elle présente un bon équilibre entre la résistance des arêtes et le diamètre du noyau, et elle est un peu plus nette dans la coupe où elle coupe le matériau plus efficacement par rapport à une fraise en bout à hélice de 30o.

Les familles de fraises en bout d'Iscar pour le fraisage à grande vitesse comprennent les éléments suivants :

La fraise en bout à dents multiples ECP-H7-CF (sept dents) a un substrat dur, une nuance de carbure ultra-fin IC902 avec 9 % de cobalt, et est revêtue de TiAlN PVD. Il convient à l'usinage de divers matériaux, y compris l'acier dur et la fonte, à des vitesses de coupe élevées, selon Iscar.

La fraise en bout ECY-S5 à cinq dents est dotée d'un substrat à usage général et d'un revêtement AlTiCrSiN (IC608) pour le fraisage à grande vitesse d'épaulements ou de rainures complètes ou le fraisage trochoïdal ou par pelage. Son application principale est l'acier inoxydable, mais il peut également être utilisé pour usiner des alliages à base de nickel à haute température.

La fraise en bout ECI-H4S-CFE est une conception courte à quatre cannelures avec différentes hélices (35o et 37o) et un pas variable pour l'amortissement du broutage. Il peut être utilisé pour l'ébauche et la finition à MRR élevé, avec fraisage de rainures complètes jusqu'à 1 × D. Il est également disponible avec le nouveau revêtement AlTiCrSiN IC608 pour l'usinage à des températures élevées.

La fraise en bout à quatre dents ECKI-H4R-CF présente des rayons d'angle pour les applications aérospatiales et l'un des deux revêtements, IC300 TiCN ou IC900 AlTiN. Il offre un pas variable et une hélice variable ainsi qu'une préparation spéciale des arêtes pour l'usinage du titane.

Les alliages à base de nickel résistants aux hautes températures étant plus couramment utilisés par ses clients, Seco Tools LLC, Troy, Michigan, se concentre sur la maximisation des taux d'enlèvement de métal en utilisant des stratégies d'ébauche optimisées à haute vitesse et à haut rendement, selon Jay Ball, chef de produit carbure monobloc.

"Le traitement de ces matériaux avec des procédés d'usinage conventionnels a tendance à les durcir", a-t-il expliqué. « Grâce au fraisage à haut rendement et à l'ébauche optimisée, il y a beaucoup moins de chaleur générée parce que vous prenez des pas radiaux et des profondeurs de coupe (DOC) plus légers, mais que vous n'injectez pas beaucoup de chaleur dans la pièce », a-t-il déclaré. "Là où la fraise en carbure monobloc typique utilisée pour l'ébauche et la finition avait généralement quatre et cinq dents, avec le fraisage à haut rendement qui prend désormais le contrôle de l'industrie, nous avons ajouté des outils à six, sept et neuf dents."

L'avantage des fraises en bout à dents multiples est que les opérateurs peuvent prendre des vitesses d'alimentation plus élevées en raison de la réduction du COD et du dépassement avec des matériaux résistants à haute température et à la chaleur. "Ces métaux n'aiment pas être usinés de manière conventionnelle avec de grands DOC et de grands sauts radiaux et des vitesses d'alimentation lentes", a déclaré Ball. "Les outils à dents multiples permettent d'augmenter les MRR sans écrouissage, car vous pouvez exécuter des vitesses d'avance plus rapides et des pas radiaux plus légers avec plus de dents."

Il a souligné que même si l'ébauche du matériau est difficile et peut causer de multiples problèmes, l'ébauche optimisée avec des pas radiaux maximum de 6 à 10 % est efficace sur les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) et le titane. "Et vous pouvez également utiliser ces mêmes outils pour finir un grand nombre de ces pièces, de sorte que vous utilisez une finition de fraisage latéral plus traditionnelle", a-t-il déclaré.

Seco Tools a développé des géométries, des revêtements, des substrats en carbure et des préparations d'arêtes spécifiques pour ces matériaux difficiles à usiner. Le dernier développement de la société en matière de revêtements est son revêtement breveté à base de silicium HXT pour une résistance thermique et une résistance à l'abrasion plus élevées. "Ce que nous avons découvert, c'est que ces mêmes outils peuvent être utilisés pour couper des métaux plus faciles à usiner, tels que les aciers à outils, les aciers inoxydables et la fonte. Nous sommes donc désormais en mesure d'utiliser ces stratégies de fraisage à haut rendement pour augmenter la durée de vie de l'outil. et la productivité sur une gamme plus large de matériaux plus faciles à usiner », a déclaré Ball.

Il a ajouté : « Nous avons commencé à jouer beaucoup plus avec les index variables et [les hélices] dans les outils de coupe à plusieurs goujures en raison de leur potentiel d'augmentation de la pression de coupe en raison du contact accru de l'outil avec la pièce. Cependant, il est nécessaire de changer [les hélices ], des râteaux et des index pour faire varier la géométrie de manière à briser le broutage et les harmoniques tout en conservant la capacité de l'outil à couper efficacement. »

Ces stratégies d'usinage optimisées à grande vitesse et à haut rendement sont la voie de l'avenir. Et ils sont là aujourd'hui. Selon Ball, 80 à 90 % des fournisseurs de logiciels de FAO ont une sorte de stratégie de fraisage optimisée pour l'ébauche et 80 à 90 % des principaux fabricants d'outils de coupe ont une sorte de produits à dents multiples pour ces stratégies.

L'objectif des stratégies d'usinage à grande vitesse et à haut rendement est d'améliorer le MRR, selon Yair Bruhis, responsable mondial des produits et des applications pour YG-1 Tool Co., Vernon Hills, Illinois. L'usinage à haut rendement augmente la coupe en limitant le temps de coupe à l'air. "Parce que les deux stratégies d'usinage sont si efficaces, les gens veulent tout basculer vers elles", a déclaré Bruhis. "Mais tout dépend de la pièce et des paramètres d'usinage. Parfois, je peux regarder la pièce et dire qu'elle ne peut pas être usinée avec des stratégies à haut rendement en raison de la forme et de la complexité de la pièce, ou des capacités de la machine, ou les caractéristiques et la programmation de la pièce, entre autres facteurs.

"Je parle à beaucoup de gens dans l'aérospatiale et la tendance a changé au cours des 10 ou 15 dernières années", a poursuivi Bruhis. "Ce n'est plus le coût de l'outil. Les clients veulent connaître le coût réel de l'enlèvement de métal. Il y a beaucoup de cas où je rencontre des ingénieurs ou des programmeurs et ils expriment clairement qu'ils ne se soucient pas du prix de l'outil . Le temps de cycle et la durée de vie de l'outil sont les considérations les plus importantes."

Il a également noté que la tendance dans les alliages de titane et l'usinage exotique au cours des quatre ou cinq dernières années est à l'usinage à grande vitesse pour les pièces moyennes à grandes car le coût d'élimination du titane ou de l'inconel est beaucoup plus élevé que celui de l'aluminium ou de l'acier.

"En évaluant l'usinage de grandes pièces aérospatiales, par exemple, bien que je ne sois pas programmeur, dans la plupart des cas, je peux regarder le programme et dire ce qui doit être changé", a déclaré Bruhis. "Au cours des dernières années, entre voyager et travailler dans le monde entier, si je ne peux pas revoir le programme, je demande à mon client d'envoyer une vidéo de la simulation et d'organiser une réunion en ligne pour discuter d'éventuelles modifications du programme. Grâce aux interactions Skype, je faire des simulations et modifier constamment les programmes."

YG-1 a développé des outils standard spécifiquement pour l'usinage à grande vitesse du titane, mais environ 30 % de ses outils pour cette application sont toujours fabriqués sur mesure, avec des longueurs et des rayons d'angle spéciaux. "L'une des tendances de l'usinage à grande vitesse est l'augmentation du nombre de flûtes nécessaires pour effectuer des coupes légères et fonctionner très rapidement", a-t-il déclaré. "La tendance des cinq dernières années est aux cinq, six, sept et neuf flûtes", a-t-il déclaré. L'avantage est une durée de vie plus longue et un meilleur contrôle de la chaleur et des copeaux ainsi que des performances d'usinage.

"Lorsque les principaux OEM m'appellent, c'est généralement pour améliorer la durée de vie de l'outil, le processus ou les deux", a poursuivi Bruhis. "Cela pourrait être un nouveau projet avec eux confrontés à un problème sérieux. Cela pourrait être un problème de qualité des pièces, ou de temps de cycle ou de livraison des pièces dans les délais ou le coût total, mais ce n'est presque jamais à cause du coût de l'outil depuis YG-1 offre un package performance-coût très attractif."

Bruhis a décrit comment il évalue et détermine une approche pour un projet d'usinage du titane. "Je me renseigne généralement d'abord sur la capacité de la machine, qu'elle soit à trois, quatre ou cinq axes, verticale ou horizontale, de montage et d'outillage", a-t-il déclaré. Il a ajouté que dans la majorité des cas, des fraises en bout spécifiques sont sélectionnées en fonction de la coupe axiale ou radiale, des vitesses et des avances, et de la programmation pour un usinage à grande vitesse et à haut rendement.

Les chemins de coupe varient et peuvent inclure le profilage, le rainurage et la formation de poches. Les pièces peuvent également varier en complexité et en taille. YG-1 dispose d'outils pour des matériaux spécifiques comme le titane, l'inconel ou l'aluminium ainsi que des outils à usage général pour les petits ateliers et les applications multiples.

"Nous déterminons le processus et le programme et l'exécutons dans une plage de vitesses et d'alimentations et estimons un temps de cycle", a déclaré Bruhis. "Une fois que le client a la possibilité d'exécuter le programme que nous avons défini, nous pouvons alors obtenir des commentaires avec des résultats de temps d'usinage réels et, si le temps de cycle est trop long et que le coût n'est pas conforme aux résultats attendus, nous faisons le nécessaire ajustements."

Comme d'autres entreprises ayant contribué à cet article, Horn USA Inc., Franklin, Tenn., souligne à la fois l'importance de la conception d'outils à goujures multiples et la collaboration des clients pour le succès de l'outillage. "Je nous décrirais comme une entreprise axée sur l'ingénierie qui aborde les solutions d'outillage pour ses clients avec finesse", a déclaré Edwin Tonne, spécialiste de la formation et technique. Horn, qui est bien connu pour ses outils de tournage de gorges et de tronçonnage, propose une large gamme de produits, y compris des fraises en carbure monobloc, des forets et des fraises indexables, ainsi que ses produits de tournage. Plus de 40 % de ses outils de coupe sont spéciaux. Horn a développé des fraises en bout à dents multiples utilisées pour usiner le titane, l'Inconel, l'acier inoxydable et d'autres métaux résistants aux hautes températures en utilisant des stratégies d'usinage à grande vitesse et à haut rendement pour atteindre le MRR le plus élevé.

Voici le compte rendu consensuel d'un entretien avec Tonne, Eric Carbone, ingénieur d'application et commercial ; John Kollenbroich, responsable de la gestion des produits ; et Jeff Shope, ingénieur d'application et de vente.

Toutes les pièces ne sont pas de bonnes candidates pour l'usinage à grande vitesse. Le choix de la stratégie est fonction de la géométrie et de la taille de la pièce. Certains des tests en cours ont nécessité l'usinage d'Inconel, de titane et d'acier inoxydable avec de faibles profondeurs de coupe, des vitesses élevées et de faibles taux d'engagement radial et d'avance.

S'il s'agit d'une "profondeur de pièce" très faible, le machiniste n'obtiendra pas l'économie de la fraise en bout et de la vitesse élevée et subira beaucoup de vibrations excessives. La raison en est que si un atelier exécute une faible profondeur de coupe axiale, cela réduit le MRR et l'opération peut ne pas être aussi efficace que d'autres méthodes avec des sauts radiaux plus grands et axiaux moins profonds.

Ces stratégies d'usinage nécessitent plus que la bonne nuance de carbure, la bonne plaquette et la bonne géométrie : la manière d'aborder le matériau est également critique. L'objectif de l'usinage à haut rendement est de réduire la largeur de coupe et d'augmenter la longueur de coupe pour réduire les efforts de coupe, ce qui permet un usinage plus rapide. Parfois, c'est plus rapide de cette façon, et parfois c'est plus rapide avec des fraises traditionnelles à grande avance. Souvent, avec l'usinage dynamique, il peut y avoir beaucoup de mouvement gaspillé. Son application dépend de l'application et de la complexité des caractéristiques, telles que les poches, qui sont impliquées.

Il est important d'avoir le bon logiciel de FAO pour éviter les déplacements rapides inutiles, ce qui augmente le temps de cycle. Il y a des moments où il vaut mieux prendre une passe de coupe plus conventionnelle. Un exemple est lorsque la largeur de coupe est courte avec, par exemple, une fraise en bout de 0,5" (12,7 mm) avec l'intention de couper une longueur de la pièce de 0,5" de long et que le processus doit enlever 0,3" (7,62 mm) Dans cet exemple, Horn préconise d'enlever toute la matière en une ou deux passes au lieu de 30. Pour être efficace, l'outil doit rester sur la pièce et limiter les reculs qui font perdre du temps.

Outre le composant, la stratégie de programmation et les logiciels jouent également un rôle. Si un atelier effectue un fraisage à haut rendement ou à grande vitesse, il doit disposer de la puissance et du couple nécessaires pour entraîner l'outil. S'il exécute le mauvais logiciel, il y aura beaucoup de mouvements coûteux et inutiles.

Les outils en carbure monobloc de Horn à sept ou neuf cannelures avec de grands DOC et un pas de 10 à 15 % - en règle générale pour commencer - aident à ces stratégies, mais la machine-outil doit avoir l'accélération et la décélération requises. Une machine plus ancienne avec des rapides de 600 ipm ne suffira pas. De même, l'anticipation des nouvelles machines est également nécessaire.

Les fraises en bout DSFT de Horn, qui font partie de la gamme DS d'outils à DOC élevé et à faible engagement radial, sont conçues pour l'usinage trochoïdal. Pour être efficaces, les outils DS nécessitent une broche de machine solide avec un faux-rond proche et un contrôleur capable de programmer. Des programmes de CAO sont disponibles pour créer une simulation des estimations de temps d'usinage afin de décider si le fraisage en bout traditionnel ou l'usinage à grande vitesse est le meilleur. En outre, il existe un certain nombre d'outils logiciels disponibles pour évaluer l'économie de ces décisions d'outillage.

Le MRR le plus élevé possible dans l'usinage à grande vitesse avec des outils à dents multiples se produit lorsque le processus engage toute la longueur de la goujure de l'outil. Plus il y a de cannelures, plus le diamètre du noyau est grand pour la rigidité. En règle générale, la première chose à considérer lors de l'examen de l'usinage à grande vitesse est la taille de la pièce et la longueur de goujure pour décider du diamètre de l'outil, selon Horn. Un pouce de longueur de cannelure réelle peut être manipulé par un outil de diamètre 3/8" (9,5 mm) et deux pouces de longueur de cannelure réelle par un outil de diamètre 5/8" (15,8 mm).

L'objectif est de maximiser la longueur de flûte car c'est ce qui fournira le meilleur MRR en combinaison avec des pas de 5 et 10 %. Une autre façon de déterminer la sélection de l'outil consiste à décider s'il faut simplement passer au fraisage à grande avance et accélérer avec une fraise en bout conventionnelle et arracher le stock.

Selon Emuge Corp, West Boylston, Mass. l'usinage peut être familier avec l'utilisation de fraises en bout à bout hémisphérique traditionnelles pour effectuer de petites passes, les fraises en bout à segments circulaires utilisent des passes à pas élevés jusqu'à 10 fois supérieures aux fraises en bout à bout hémisphérique pour découper de grandes surfaces de matériau, maximisant l'efficacité et minimisant la hauteur de pointe.

Selon l'entreprise, il en résulte des économies de temps et d'argent et une amélioration de la qualité des pièces. La durée de vie de l'outil est augmentée grâce à des trajectoires d'outil plus courtes. Les écarts de tolérance dus au gauchissement thermique au niveau de l'outil sont minimisés et les écarts axiaux de la machine sont lissés, offrant une finition de surface de meilleure qualité dans un délai plus court. Les fraises en bout à segments circulaires présentent des formes uniques avec de grands rayons dans les zones de coupe des fraises, permettant un COD axial plus grand pendant les opérations de préfinition et de finition.

Les fraises en bout sont disponibles en quatre géométries : forme tonneau, forme ovale, forme conique et forme lentille. Les fraises de forme ovale et conique conviennent aux formes incurvées telles que les lames ou les poches à parois droites, engageant librement une plus grande partie de l'arête de coupe. Selon Emuge, les fraises à barillet permettent un fraisage efficace des flancs des rainures en spirale et des applications similaires. Les broyeurs en forme de lentille excellent dans les canaux étroits ou dans les terrains sur moules. Des logiciels de systèmes de FAO spécifiques, tels que Mastercam et hyperMILL, sont nécessaires pour prendre en charge et calculer les géométries.

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