Outils utilisés sur le tour CNC

Le tournage à commande numérique par ordinateur (CNC) est un pilier de la fabrication moderne. Ce procédé, dans lequel un outil de coupe enlève de la matière sur une pièce en rotation pour créer des formes cylindriques, est essentiel dans des industries très exigeantes comme l'aéronautique, l'automobile et le médical. Le potentiel des machines CNC ne se concrétise qu'avec le bon choix et la bonne utilisation de leur composant le plus critique : l'outil de coupe.

L'outil de coupe est le lien entre la machine et la pièce, le point où les instructions numériques deviennent réalité physique. Le choix éclairé du matériau de l'outil, de sa géométrie et de son système de fixation influe directement sur tous les indicateurs de performance :

• Précision dimensionnelle.

• Qualité de l'état de surface.

• Durée des cycles de production.

• Rentabilité et compétitivité de l'opération.

Types d'outils pour tour CNC

Pour comprendre la large gamme d'outils disponibles, il faut les classer selon leur fonction, leur structure et leur sens de coupe.

Classement par opération d'usinage

Ce classement regroupe les outils selon la tâche spécifique pour laquelle ils ont été conçus. Les principales opérations sont :

• Outils de tournage (chariotage): pour réduire le diamètre extérieur de la pièce.

• Outils à dresser: Pour usiner la face avant de la pièce.

• Outils d'alésage: Pour agrandir ou finir des diamètres intérieurs.

• Outils à gorge: Pour créer des gorges ou des rainures d'une largeur spécifique.

• Outils à tronçonner: Pour séparer la pièce terminée de la barre brute.

• Outils à fileter: Pour réaliser des filetages intérieurs ou extérieurs.

• Outils à chanfreiner: Pour créer une arête inclinée.

• Outils de forme: Avec un profil spécifique pour créer des géométries complexes en une seule passe.

Classement par structure

L'architecture physique de l'outil définit sa rigidité, son coût et sa modularité.

• Type monobloc: L'outil entier est fabriqué d'une seule pièce de matériau (par ex. HSS ou carbure monobloc). Il offre une excellente rigidité, mais une fois l'arête usée, tout l'outil doit être remplacé ou réaffûté.

• Type brasé: Il se compose d'une pointe en matériau dur (par ex. carbure) brasée sur un corps en acier plus économique. C'était une solution répandue avant l'essor des outils à plaquettes.

• Type à bridage (porte-plaquette ou à plaquette amovible): C'est le système dominant dans l'usinage CNC moderne. Il se compose d'un porte-outil réutilisable qui maintient une plaquette de coupe remplaçable. Lorsque l'arête est usée, la plaquette est tournée ou remplacée rapidement et à moindre coût.

Classement par sens d'avance

Le « sens » de l'outil détermine la direction dans laquelle il peut couper efficacement.

• Outil à droite (Right-Hand): C'est le type le plus courant, conçu pour usiner en avançant de la contre-poupée (à droite) vers la poupée (à gauche).

• Outil à gauche (Left-Hand): Conçu pour l'opération inverse, il coupe de la poupée vers la contre-poupée.

• Outil neutre: Il n'a pas de sens de coupe préférentiel et peut usiner dans les deux directions, ce qui le rend utile pour les opérations de profilage et de contournage.

Matériaux les plus utilisés pour les outils de coupe CNC

Les performances d'un outil sont intrinsèquement liées aux propriétés du matériau de son arête. Le matériau idéal doit offrir une combinaison optimale de dureté (résistance à l'usure) et de ténacité (résistance à la rupture).

• Aciers rapides (HSS): Ce sont des alliages d'acier complexes d'une ténacité supérieure à celle des autres matériaux, ce qui leur permet de résister aux chocs et aux coupes interrompues. Ils sont utilisés pour les opérations à basse vitesse, sur des machines moins rigides et pour des matériaux tendres comme l'aluminium ou les aciers à faible teneur en carbone.

• Carbures métalliques (carbures cémentés): Ce sont les plus polyvalents et les plus utilisés en tournage CNC. Ils sont constitués de particules dures de carbure de tungstène (WC) liées dans une matrice de cobalt (Co). Ils offrent une excellente dureté à chaud et une excellente résistance à l'usure, ce qui permet des vitesses de coupe bien supérieures à celles du HSS.

• Cermets et céramiques: Les cermets offrent une meilleure résistance à l'usure que les carbures et produisent des états de surface exceptionnels ; ils sont donc privilégiés pour les opérations de finition à grande vitesse. Les céramiques, encore plus dures et plus résistantes à la chaleur, permettent des vitesses de coupe extrêmement élevées mais sont très fragiles. Elles sont utilisées pour l'usinage de la fonte grise et des aciers trempés.

• Matériaux ultradurs (CBN et PCD) :

• Nitrure de bore cubique (CBN): C'est le deuxième matériau le plus dur connu, et c'est le choix de référence pour le « tournage dur » (usinage d'aciers d'une dureté supérieure à 45 HRC), des fontes et des superalliages.

• Diamant polycristallin (PCD): C'est le matériau d'outil le plus dur disponible. Il offre une résistance à l'usure inégalée. Il ne convient pas à l'usinage des aciers en raison de sa réactivité chimique avec le fer. Son application concerne les matériaux non ferreux (aluminium, cuivre) et les matériaux très abrasifs (composites, plastiques renforcés).

• Revêtements (PVD et CVD): Ce sont de très fines couches céramiques déposées sur un substrat (généralement du carbure) pour améliorer ses propriétés de surface sans compromettre la ténacité du cœur.

• CVD (dépôt chimique en phase vapeur): Il produit des revêtements épais, idéaux pour l'ébauche à grande vitesse des aciers et des fontes.

• PVD (dépôt physique en phase vapeur): Il produit des revêtements plus fins et plus lisses, privilégiés pour les opérations de finition et pour usiner des matériaux qui ont tendance à adhérer à l'arête, comme les aciers inoxydables et les superalliages.

Comment choisir l'outil adapté à chaque opération

Le choix de l'outil optimal doit suivre une démarche logique et systématique pour garantir que toutes les variables critiques sont prises en compte.

1. Analyse de la pièce et du matériau: Le point de départ est toujours la pièce. Il faut identifier le matériau (aciers, inox, fontes, etc.) pour choisir la nuance (matériau et revêtement) de la plaquette. Il faut également analyser la géométrie, les tolérances et les exigences d'état de surface.

2. Définition de l'opération: Il faut déterminer le type d'usinage (chariotage, rainurage, etc.) et bien distinguer ébauche (priorité à l'enlèvement de matière) et finition (priorité à la précision et à l'état de surface).

3. Choix de la géométrie de la plaquette :

• Angle de pointe: Un grand angle (par ex. 80°) offre une arête résistante, idéale pour l'ébauche, tandis qu'un petit angle (par ex. 35°) offre une meilleure accessibilité pour les profils complexes.

• Taille de la plaquette: Elle doit être proportionnelle à la profondeur de coupe pour garantir la stabilité.

• Rayon de bec (RE): Un grand rayon permet des avances plus élevées et donne une arête plus solide, mais peut provoquer des vibrations. Un petit rayon réduit les vibrations et permet de meilleures finitions, mais limite l'avance.

4. Choix de la nuance et du brise-copeaux: En fonction du matériau et de l'opération, on choisit la nuance de carbure et le revêtement (CVD pour l'ébauche des aciers, PVD pour les inox et la finition). On choisit un brise-copeaux correspondant à la plage d'avance et de profondeur de coupe pour assurer un bon contrôle des copeaux.

5. Choix du porte-outil: Il faut choisir un porte-outil qui offre une rigidité maximale (le porte-à-faux le plus court possible) et qui garantisse un libre accès à la zone d'usinage sans risque de collision.

Conseils pour bien utiliser les outils de tour CNC

Une utilisation et un entretien adaptés sont essentiels pour optimiser la durée de vie de l'outil et l'efficacité du processus.

Diagnostic et gestion de l'usure de l'outil

L'usure est un phénomène inévitable qui fournit de précieuses informations sur l'usinage. Surveiller l'usure est essentiel pour éviter les défaillances catastrophiques. Les types d'usure courants et leurs solutions sont :

• Usure en dépouille: Elle est principalement causée par une vitesse de coupe trop élevée. La solution consiste à réduire la vitesse ou à choisir une nuance plus résistante à l'usure.

• Usure en cratère: Formation d'un cratère sur la face de coupe de l'outil, causée par des températures élevées. La solution consiste à utiliser un revêtement plus épais (de type CVD) ou à réduire la vitesse.

• Arête rapportée (BUE): Matière de la pièce soudée sur l'arête, fréquente à basse vitesse. La solution consiste à augmenter la vitesse de coupe ou à utiliser un revêtement plus lisse (de type PVD).

• Écaillage/ébréchure: Petites ruptures de l'arête, souvent dues à un manque de ténacité ou à des vibrations. On y remédie en choisissant une nuance plus tenace ou en réduisant l'avance.

Utilisation des liquides de coupe

Le fluide de coupe ou liquide de refroidissement remplit plusieurs fonctions : réduire la température, lubrifier, protéger contre la corrosion et aider à évacuer les copeaux.

• Arrosage abondant: C'est la méthode traditionnelle, qui applique un grand volume de liquide de coupe à basse pression.

• Arrosage haute pression (HPC): Il dirige des jets de liquide de coupe à haute pression directement sur l'arête de coupe. Il est extrêmement efficace pour fragmenter et évacuer les copeaux, ce qui permet d'augmenter considérablement les paramètres de coupe.

Entretien préventif de la machine

Une machine mal entretenue peut engendrer des vibrations ou des imprécisions qui provoquent une usure prématurée de l'outil. Un programme d'entretien régulier comprenant le nettoyage, la vérification des lubrifiants, le contrôle de l'alignement et l'étalonnage des axes est essentiel pour garantir une plateforme stable et précise permettant aux outils de bien fonctionner.