Matériaux et Fluides pour Outils de Coupe

Point 3.1 - Propriétés des matériaux

Dureté à chaud : Capacité d'un matériau à conserver sa dureté, sa résistance à la déformation plastique et sa résistance à l'usure à haute température.

Résistance (Ténacité) : La capacité d'un matériau à dissiper l'énergie de déformation plastique avant d'atteindre la rupture.

La ductilité : La capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans rupture.

Résistance aux impacts (R. impact) : La capacité mécanique d'un matériau à absorber l'énergie d'impact en diminuant la production de fissures.

Résistance à l'usure (R. usure) : Résistance offerte par un matériau pour éviter de s'éroder au contact d'un autre matériau.

Résistance aux chocs thermiques (R. impact thermique) : Capacité thermique d'un matériau à résister à des cycles rapides de température lors d'un usinage interrompu.

Dureté : Résistance offerte par un matériau à la pénétration, à la rayure, au rainurage, etc.

Caractéristiques des matériaux

Acier rapide (HSS), alliages de cobalt, carbures non revêtus, carbures revêtus, céramique, nitrure de bore cubique, diamant polycristallin.

Évolution directe : La dureté à chaud, la résistance à l'usure, la vitesse de coupe, les coûts du matériel.

Évolution inverse : La ténacité, la résistance aux chocs, la résistance à l'usure, la résistance à l'écaillage, la résistance aux chocs thermiques.

Acier rapide (HSS)

Apparu au début du XXe siècle.

• Propriétés : Haute ténacité, résistance à l'usure, relativement peu coûteux.
• Adapté pour : Outils pour de grands angles d'attaque positifs, coupes interrompues, machines-outils à faible rigidité sujettes aux vibrations, outils complexes et d'une seule pièce, forets, tarauds et engrenages.
• Limites : Faibles vitesses de coupe en raison d'une faible résistance thermique.
• Types :
  • Série M (molybdène) : Représente 95 % des HSS. Offre une résistance à l'abrasion accrue, moins de distorsion pendant le traitement thermique et est moins coûteuse que la série T.
  • Série T (tungstène).

Alliages de cobalt

Apparus en 1915.

• Composition : 38-53 % Co, 30-33 % Cr et 10-20 % W.
• Propriétés : Ténacité inférieure à celle du HSS, bonne résistance à l'usure, maintien de la dureté à des températures supérieures à celles du HSS.
• Conviennent pour : Coupes d'ébauche profondes et continues, taux d'avance élevés (le double du HSS).
• Limitations : Non adaptés pour la finition, moins adaptés pour les opérations de coupe interrompue que le HSS.

Carbures cémentés

Développés pour la première fois dans les années 1930, ce sont les matériaux les plus utilisés, polyvalents et rentables (qu'ils soient frittés, revêtus ou non).

• Propriétés : Haut module d'élasticité, dureté élevée sur une large plage de températures, conductivité thermique élevée, faible dilatation thermique, relativement peu coûteux.
• Comparaison avec le HSS et les alliages de cobalt : Ils ont une ténacité et une résistance aux chocs similaires, mais améliorent la résistance et la dureté à chaud. Ils peuvent être utilisés plus efficacement pour des vitesses de coupe élevées (températures élevées).
• Types : Carbure de tungstène (WC) et carbure de titane (TiC).

Outils revêtus

L'avènement des revêtements pour outils de coupe : Développement de nouveaux matériaux (alliages, à partir de 1960) offrant une haute résistance et une grande ténacité.

• Caractéristiques :
  • Réduction des frottements.
  • Augmentation de l'adhérence intermoléculaire.
  • Augmentation de la résistance à l'usure.
  • Action de barrière contre la diffusion.
  • Plus grande dureté à chaud et meilleure résistance aux chocs.
  • Les outils revêtus peuvent avoir une durée de vie multipliée par 10.
  • Permettent des vitesses de coupe plus élevées (augmentation de la productivité).
  • 40 à 80 % des outils de coupe utilisés sont revêtus.

Matériaux de revêtement et procédés

Matériaux utilisés : TiN, TiC, TiCN (carbonitrure de titane) et Al₂O₃.

Épaisseur : De 2 à 15 µm.

Procédés de dépôt :

• Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : La méthode la plus couramment utilisée pour le revêtement de carbures multiphasés et de céramiques.
• Dépôt physique en phase vapeur (PVD) : Revêtements de TiN sur carbures, offrant une plus grande force de l'arête de coupe, moins de frottement, moins de tendance à former des arêtes rapportées, et un fini plus lisse et plus uniforme (2 à 4 µm minimum).

Objectifs des revêtements :

• Augmenter la dureté à des températures élevées (résistance à l'usure).
• Stabilité chimique et neutralité (résistance à l'usure).
• Faible conductivité thermique (pour éviter une élévation de température dans le substrat).
• Compatibilité et bonne adhérence au substrat.
• Faible porosité du matériau de revêtement (maintien de l'intégrité et de la force).

Types de revêtements :

1. Revêtements de nitrure de titane (TiN - couleur or) : Faible frottement, dureté élevée, résistance aux températures élevées, bonne adhérence sur le substrat. Améliorent la durée de vie des outils en carbure et HSS. Bonnes performances à des vitesses de coupe et d'avance élevées, avec une usure mineure de l'arête. Inconvénient : Mauvais comportement à basse vitesse (adhérence des copeaux), nécessite l'utilisation de fluides de coupe.
2. Revêtements de carbure de titane (TiC) : Appliqués sur des inserts en carbure de tungstène, ils confèrent une grande résistance à l'usure de flanc lors de l'usinage de matériaux abrasifs.
3. Revêtements céramiques (Al₂O₃) : Neutralité chimique, faible conductivité thermique, résistance à l'usure en cratère et en flanc à des températures élevées. L'oxyde utilisé est l'alumine (Al₂O₃), très stable, mais se liant faiblement au substrat.
4. Revêtement en diamant polycristallin commercial : Substrats de carbure de tungstène (WC) et de nitrure de silicium (Si₃N₄) revêtus de minces couches déposées par techniques PVD et CVD. Efficacité dans l'usinage des métaux non ferreux et des matériaux abrasifs (alliages d'aluminium-silicium, composites à matrice métallique renforcés de fibres, et graphite). Durée de vie utile 10 fois supérieure à celle d'autres revêtements.

Autres revêtements : Le carbonitrure de titane (TiCN) est plus tenace et plus dur que le TiN. Nitrure d'aluminium et de titane (TiAlN), carbure de chrome (CrC), nitrure de zirconium (ZrN), revêtements composites, nitrure d'hafnium (HfN), nanorevêtements.

Céramiques à base d'alumine

Apparues dans les années 1950.

• Structure : Formées principalement de grains fins d'Al₂O₃ de haute pureté. Pressées à froid pour donner la forme de l'insert, puis frittées à haute température. L'ajout de TiC et de ZrO₂ améliore la ténacité et la résistance aux chocs thermiques.
• Propriétés : Résistance à l'abrasion et dureté à chaud élevée. Plus stables chimiquement que le HSS et le carbure, elles sont donc moins sujettes à la formation d'arêtes rapportées.
• Limites : Faible ténacité, ce qui peut entraîner une défaillance prématurée.
• Applications : Efficaces pour la coupe continue à haute vitesse (usinage de pièces moulées). Usinage à sec ou avec une grande quantité de fluide de coupe (pour éviter le choc thermique).

Cermets

Apparus dans les années 1950.

• Composition et mise en forme : Matrice métallique contenant des particules de céramique (généralement 70 % d'Al₂O₃ et 30 % de TiC).
• Inconvénients : Coût élevé et fragilité.
• Avantages : Stabilité chimique et résistance à la formation d'arêtes rapportées. Améliorations significatives ces dernières décennies (ténacité, résistance et fiabilité). Leurs propriétés se situent entre celles des carbures métalliques et des céramiques pures.
• Applications : Passes d'ébauche et de finition légère à haute vitesse. Le contrôle du brise-copeaux est critique pour les cermets.

Nitrure de bore cubique (cBN)

Après le diamant, le nitrure de bore cubique (cBN) est le matériau le plus dur existant.

• Structure : Une couche de cBN est liée à un substrat en carbure par frittage à haute température et sous haute pression.
• Propriétés : Le substrat en carbure offre une résistance aux chocs (impacts), tandis que la couche de cBN apporte une très haute résistance à l'usure et renforce l'arête de coupe.

Céramiques à base de nitrure de silicium

Apparues dans les années 1970.

• Structure : Frittées avec des ajouts d'Al₂O₃, de TiC et d'oxyde d'yttrium.
• Propriétés : Haute ténacité, dureté à chaud et excellente résistance aux chocs thermiques.
• Limitations : En raison de leur affinité chimique avec le fer à haute température, les outils à base de nitrure de silicium ne conviennent pas pour l'usinage des aciers.

Diamant

Le diamant est la substance la plus dure connue.

• Propriétés : Faible frottement, très haute résistance à l'usure, capacité exceptionnelle à maintenir son tranchant.
• Applications : Utilisé lorsqu'une excellente finition de surface et une grande précision dimensionnelle sont requises.

Fluides de coupe

Fonctions :

• Réduire la friction et l'usure.
• Refroidir la zone de coupe.
• Réduire les forces de coupe et la consommation d'énergie.
• Évacuer les copeaux de la zone de coupe.
• Protéger la surface usinée contre la corrosion environnementale.

Types de fluides de coupe :

• A. Huiles : Utilisées pour des opérations à faible vitesse de coupe (V) où l'augmentation de température (T) n'est pas significative.
• B. Émulsions (huile, eau et additifs) : Utilisées pour des opérations à vitesse de coupe élevée (V) où l'augmentation de température (T) est significative.
• C. Semi-synthétiques : Émulsions chimiques contenant de l'huile minérale diluée dans de l'eau et des additifs qui permettent de réduire la taille des particules d'huile.
• D. Produits synthétiques : Additifs chimiques dilués dans de l'eau, sans huile minérale.

Méthodes d'application des fluides

1. Refroidissement par arrosage (inondation) : La méthode la plus courante.
2. Refroidissement par brouillard (brume) : Application sous forme de pulvérisation. Permet d'acheminer le fluide vers des zones inaccessibles. Nécessite une ventilation adéquate pour éviter l'inhalation.
3. Système à haute pression : Augmente la vitesse de dissipation de la chaleur. Ces systèmes agissent également comme des brise-copeaux.
4. Système interne à l'outil : Facilite l'approvisionnement en fluide directement dans la zone de coupe. Le liquide est appliqué à haute pression à travers des passages étroits intégrés à l'outil ou au mandrin (chuck).

Effets et choix du fluide de coupe : Le choix doit prendre en compte le matériau de la pièce, la machine-outil, les considérations biologiques et l'impact environnemental (pollution).

Usinage à sec ou presque sec (MQL) : Permet d'améliorer la qualité de l'air dans les usines, de réduire les risques sanitaires, de diminuer le coût des opérations d'usinage et d'améliorer la qualité de surface.

Durée de vie de l'outil

Les outils de coupe sont soumis à :

• Des contraintes élevées localisées à l'extrémité de l'outil.
• Des températures élevées.
• Le glissement du copeau sur la face de coupe (face d'attaque).
• Le glissement de l'outil sur la surface usinée.
• Une usure progressive de l'arête de coupe.

La vitesse d'usure dépend de : La pièce à travailler, la géométrie de l'outil, les paramètres du procédé et les caractéristiques de la machine-outil.

La durée de vie de l'outil : Décroît rapidement lorsque la vitesse de coupe augmente. Elle est influencée par les conditions de travail et dépend du type de matériau (microstructure) de la pièce.

Signes indiquant la nécessité de remplacer l'outil :

• La surface de la pièce commence à se détériorer.
• Les forces de coupe augmentent sensiblement.
• La température s'élève de façon significative.

Types d'usure :

• Usure en cratère : Située sur la face d'attaque. Elle est attribuée à la température élevée à l'interface outil-copeau et à l'affinité chimique entre l'outil et la pièce. Les facteurs d'usure des bords influencent également la cratérisation. Le revêtement des outils est très efficace pour minimiser cette usure. La profondeur maximale du cratère se situe dans la zone de température maximale de l'interface outil-copeau.
• Usure de pointe (arrondissement) : Arrondit la pointe de l'outil, ce qui affecte la formation des copeaux, provoque une friction accrue de l'outil sur la pièce, et génère des températures élevées ainsi que des contraintes résiduelles.
• Usure en entaille (notch) : Fente localisée à la limite de contact du copeau avec l'outil, souvent causée par une couche durcie qui peut provoquer un écaillage sévère.
• Écaillage (astillado) : Rupture d'un petit morceau de l'arête de l'outil. Ce n'est pas un processus graduel. Les causes principales sont l'impact mécanique et la fatigue thermique.

Supervision de l'état de l'outil

• Méthode directe :
  • Mesures optiques (microscope) : nécessitent des arrêts intermittents pour l'inspection.
  • Mesure par contact de l'outil avec un capteur après chaque cycle d'usinage.
• Méthode indirecte : Utilisation de capteurs pour traiter les signaux du procédé en temps réel (en ligne) : émission acoustique, force, accélération, etc. Les signaux recueillis sont traités, analysés et interprétés. Grâce à ces systèmes en ligne, l'usure peut être estimée en temps réel.