Le tournage à commande numérique (CNC) est une pierre angulaire de la fabrication moderne. Ce procédé, dans lequel un outil de coupe enlève de la matière d'une pièce en rotation pour créer des formes cylindriques, est essentiel dans des secteurs exigeants tels que l'aérospatiale, l'automobile et le médical. Le potentiel des machines CNC ne se réalise pleinement qu'avec le choix et l'utilisation appropriés de leur composant le plus critique : l' outil de coupe .

L'outil de coupe est le lien entre la machine et la pièce à usiner, le point où les instructions numériques se concrétisent. Un choix judicieux du matériau, de la géométrie et du système de serrage de l'outil influe directement sur toutes les performances.

• Précision dimensionnelle.

• Qualité de la finition de surface.

• Durée des cycles de production.

• Rentabilité et compétitivité de l'opération.

Types d'outils de tour CNC

Pour comprendre la vaste gamme d'outils disponibles, il est nécessaire de les classer selon leur fonction, leur structure et leur direction de coupe.

Classification par opération d'usinage

Cette classification regroupe les outils selon la tâche spécifique pour laquelle ils ont été conçus. Les principales opérations comprennent :

• Outils de tournage (cylindrage) : Pour réduire le diamètre extérieur de la pièce.

• Outils de dressage : Pour l'usinage de la face avant de la pièce.

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

• Outils de rainurage : Pour créer des canaux ou des rainures d'une largeur spécifique.

• Outils de coupe : Pour découper la pièce finie à partir de la matière première.

• Outils de gestion des threads : Pour créer des threads internes ou externes.

• Outils de chanfreinage : Pour créer un bord biseauté.

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

Classification par conception structurelle

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

• Outil monobloc : L’outil est entièrement fabriqué à partir d’une seule pièce de matériau (par exemple, acier rapide ou carbure monobloc). Il offre une excellente rigidité, mais une fois le tranchant usé, l’outil entier doit être remplacé ou réaffûté.

• Type soudé (brasé) : Il s’agit d’une pointe en matériau dur (par exemple, en carbure) brasée sur une tige en acier moins coûteuse. C’était une solution courante avant l’avènement des outils interchangeables.

• Porte-outil à indexation : Ce système, prédominant dans l’usinage CNC moderne, se compose d’un porte-outil réutilisable qui maintient une plaquette de coupe remplaçable. Lorsque l’arête de coupe est usée, la plaquette est rapidement et économiquement tournée ou remplacée.

Classification selon le sens d'avancement

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

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

• Outil pour gaucher : Conçu pour le fonctionnement inverse, la coupe se faisant de la poupée fixe vers la poupée mobile.

• Outil neutre : Il ne possède pas de direction de coupe privilégiée et peut usiner dans les deux sens, ce qui le rend utile pour les opérations de profilage et de contournage.

Matériaux les plus couramment utilisés dans les outils de coupe CNC

Les performances d'un outil sont intrinsèquement liées aux propriétés du matériau de son tranchant. Le matériau idéal doit présenter 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 présentant une ténacité supérieure à celle d’autres matériaux, ce qui leur permet de résister aux chocs et aux usinages interrompus. Ils sont utilisés pour les opérations à basse vitesse, dans les machines moins rigides et pour les matériaux tendres tels que l’aluminium ou les aciers à faible teneur en carbone.

• Métaux durs (carbures cémentés) : Ce sont les plus polyvalents et les plus utilisés en tournage CNC. Ils sont composés de particules de carbure de tungstène (WC) dures cémentées dans une matrice de cobalt (Co). Ils offrent une excellente dureté à chaud et une résistance à l’usure remarquable, permettant des vitesses de coupe bien supérieures à celles des aciers rapides.

• Cermets et céramiques : Les cermets offrent une résistance à l’usure supérieure aux carbures et produisent des états de surface exceptionnels, ce qui les rend 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 superdurs (CBN et PCD) :

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

• Diamant polycristallin (PCD) : C’est le matériau d’outillage 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 utilisation est principalement axée sur les matériaux non ferreux (aluminium, cuivre) et les matériaux très abrasifs (composites, plastiques renforcés).

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

• CVD (dépôt chimique en phase vapeur) : Produit des revêtements épais idéaux pour le meulage à grande vitesse des aciers et des fontes.

• PVD (dépôt physique en phase vapeur) : Produit des revêtements plus fins et plus lisses, préférés pour les opérations de finition et pour l'usinage de matériaux qui ont tendance à adhérer au tranchant, tels que les aciers inoxydables et les superalliages.

Comment choisir l'outil adapté à chaque opération

Le choix de l'outil optimal doit suivre un processus logique et systématique afin de garantir la prise en compte de toutes les variables critiques.

1. Analyse des pièces et des matériaux : La pièce est le point de départ. Il est indispensable d’identifier le matériau (aciers, aciers inoxydables, fontes, etc.) afin de sélectionner la nuance appropriée (matériau et revêtement) de l’insert. La géométrie, les tolérances et les exigences en matière d’état de surface doivent également être analysées.

2. Définition de l'opération : Le type d'usinage (cylindrage, rainurage, etc.) doit être déterminé et une distinction claire doit être faite entre l'ébauche (privilégiant l'enlèvement de matière) et la finition (privilégiant la précision et la qualité de surface).

3. Sélection de la géométrie de la plaque :

• Angle de pointe : Un grand angle (par exemple, 80°) offre un bord dur, idéal pour l'ébauche, tandis qu'un petit angle (par exemple, 35°) offre une plus grande accessibilité pour les profils complexes.

• Dimension de l'insert : Elle doit être proportionnelle à la profondeur de coupe pour assurer la stabilité.

• Rayon de courbure (RI) : Un grand rayon permet des vitesses d’avance plus élevées et produit un tranchant plus robuste, mais peut engendrer des vibrations. Un petit rayon réduit les vibrations et permet d’obtenir de meilleures finitions, mais limite les vitesses d’avance.

4. Choix de la nuance de carbure et du brise-copeaux : En fonction du matériau et de l’opération, la nuance de carbure et le revêtement sont sélectionnés (CVD pour l’ébauche des aciers, PVD pour les aciers inoxydables et la finition). Un brise-copeaux adapté à l’avance et à la profondeur de passe est choisi afin d’assurer une bonne maîtrise des copeaux.

5. Choix du porte-outil : Il convient de choisir un porte-outil offrant une rigidité maximale (le porte-à-faux le plus court possible) et garantissant un accès libre à la zone d’usinage sans risque de collision.

Conseils pour une utilisation correcte des outils de tour CNC

Une utilisation et un entretien appropriés sont essentiels pour optimiser la durée de vie des outils et l'efficacité des processus.

Diagnostic et gestion de l'usure des outils

L'usure est un processus inévitable qui fournit des informations précieuses sur l'usinage. La surveillance de l'usure est essentielle pour prévenir les défaillances catastrophiques. Voici quelques types d'usure courants et leurs solutions :

• Usure en dépouille : principalement due à une vitesse de coupe excessive. La solution consiste à réduire la vitesse ou à choisir une nuance de bois plus résistante à l’usure.

• Cratérisation : Formation d’un cratère sur la face de l’outil, causée par des températures élevées. La solution consiste à utiliser un revêtement plus épais (comme le CVD) ou à réduire la vitesse.

• Arête de remplissage (AR) : Dépôt de matière provenant de la pièce soudé à l’arête de coupe, fréquent à basse vitesse. La solution consiste à augmenter la vitesse de coupe ou à utiliser un revêtement plus lisse (tel que le PVD).

• Écaillage : Petites fissures dans le tranchant, souvent dues à un manque de dureté ou à des vibrations. On peut y remédier en choisissant une nuance plus dure ou en réduisant la vitesse d’avance.

application de réfrigérant

Le fluide de coupe ou liquide de refroidissement remplit de multiples fonctions : abaisser la température, lubrifier, protéger contre la corrosion et faciliter l'évacuation des copeaux.

• Refroidissement par inondation : Il s'agit de la méthode traditionnelle, qui consiste à appliquer un grand volume de réfrigérant à basse pression.

• Arrosage haute pression (HPC) : Projette des jets d’eau sous haute pression directement sur l’arête de coupe. Extrêmement efficace pour fragmenter et évacuer les copeaux, il permet d’améliorer significativement les paramètres de coupe.

Maintenance préventive de la machine

Une machine mal entretenue peut engendrer des vibrations ou des imprécisions provoquant une usure prématurée des outils. Un programme d'entretien régulier , comprenant le nettoyage, la vérification des lubrifiants, le contrôle de l'alignement et l'étalonnage de la broche, est essentiel pour garantir une plateforme stable et précise permettant le bon fonctionnement des outils.