Quelles sont les exigences relatives aux outils de coupe et aux porte-outils pour le fraisage à grande vitesse ?

La coupe à grande vitesse (HSM) est une technologie importante largement utilisée dans la technologie de fraisage moderne. En appliquant la technologie de fraisage HSM, il est non seulement possible de fraiser divers matériaux mous et durs, mais également d'obtenir une excellente précision de la pièce. Cet article présente les exigences du HSM pour les outils de coupe et les porte-outils.

1, exigences de HSM pour les outils de coupe
1. Forme géométrique
Les vibrations de l’outil affectent directement la qualité de surface obtenue lors de l’usinage. Par conséquent, il est extrêmement important de maintenir une force de coupe uniforme sur l’outil pendant l’usinage de précision HSM afin d’éviter de provoquer des vibrations de l’outil.
L'influence des caractéristiques géométriques adjacentes des outils de coupe sur la force de coupe :
1) Une bonne concentricité favorise une répartition uniforme de la charge sur le tranchant ;
2) Un plus grand chevauchement des arêtes de coupe est bénéfique pour obtenir des caractéristiques de force de coupe uniformes (angle d'hélice et nombre de rainures plus grands) ;
3) Une longueur de coupe courte est bénéfique pour obtenir une meilleure rigidité (par rapport à la paroi raide de la machine-outil, le diamètre de l'arbre est légèrement réduit) ;
4) L'état de la section transversale du noyau est le meilleur et la concentration de contraintes au niveau de la rainure est la plus faible.

Le HSM peut être utilisé pour traiter des matériaux à haute résistance, ce qui signifie que la résistance à la déformation augmente avec la dureté du matériau à traiter. L'augmentation de la charge sur le tranchant nécessite une conception stable de la forme géométrique du tranchant. Cependant, dans des conditions de coupe à grande vitesse, davantage de chaleur de friction sera générée dans la zone libre de la surface de la pièce, ce qui signifie que l'angle de dépouille de l'outil doit être réduit. Par conséquent, l’augmentation de la stabilité du tranchant ne peut être obtenue qu’en réduisant l’angle d’inclinaison. Dans les cas où le matériau est très dur et celui de l’outil fragile, cela peut même entraîner des angles négatifs.
Le rayon précisément adapté est meulé à la pointe du tranchant pour éviter d'atteindre un état chauffé au rouge ou une fracture locale du tranchant lorsqu'il est soudainement chauffé.
Si une grande précision est requise pour la forme de la pièce à usiner, le rayon sphérique de l'outil d'usinage de précision utilisé a un impact direct sur la précision de la forme de la pièce à usiner. Par conséquent, il est très important d'utiliser des outils avec des tolérances de rayon très strictes (de l'ordre du micromètre) dans le processus d'usinage de précision de pièces de très grande précision.

2. Matériaux et revêtements
Le matériau de l'outil doit être plus dur que le matériau à usiner. Plus la différence de dureté entre le matériau de la pièce à usiner et celui de l'outil est grande, plus l'usure de l'outil est faible et plus la durée de vie de l'outil est longue. La température locale étant très élevée, il est également nécessaire de s’assurer que le matériau de l’outil possède des propriétés antioxydantes.
Les grandes variations de charge thermique et les exigences en matière de résistance à l'oxydation des matériaux d'outils nécessitent finalement un revêtement sur des corps d'outils en carbure de tungstène à grains fins.
Les systèmes de revêtement éprouvés, tels que TiN, TiCN et TiAlCN, ont rapidement atteint leurs limites dans le traitement des HSM. C'est pourquoi un système de revêtement à plusieurs composants a été développé, basé sur une teneur élevée en nitrure d'aluminium et combiné avec d'autres éléments tels que l'yttrium, le vanadium ou le tantale. En utilisant des structures nanocouches, CBN et PKD, des performances plus élevées peuvent également être obtenues.
2, exigences HSM pour les porte-outils
En raison de la vitesse de broche élevée requise pour l'usinage HSM, il est préférable d'utiliser les systèmes de porte-outils HSK-A et HSK-E. Grâce à l'installation de la bride du porte-couteau sur la tête de broche, le porte-couteau dispose d'un support mécanique clair dans la direction Z, de sorte qu'il ne sera pas entraîné dans la broche en raison de l'augmentation de la force centrifuge à des vitesses plus élevées.

L'erreur fondamentale peut s'être produite lors de la phase de préparation du traitement, rendant impossible l'obtention de petites vibrations et un contrôle sûr du processus. Pour obtenir un usinage HSM stable, il est crucial d'équilibrer l'outil et le dispositif porte-outil en fonction des exigences et de vérifier leur coaxialité. Il faut également considérer la limite de vitesse de rotation liée au balourd.

Les systèmes d’outils rotatifs déséquilibrés ou non concentriques entraîneront :
1) Très mauvaise qualité de surface
2) Durée de vie très faible
3) Mauvaise stabilité et sécurité du traitement
4) Dommages possibles à la broche de fraisage
Le déséquilibre et l'écart par rapport à la concentricité idéale provoqués par des changements soudains pendant le traitement sont clairement illustrés dans le diagramme schématique ci-dessous :

Aucun écart par rapport à une concentricité parfaite : rugosité théorique plus faible

Écart par rapport à la concentricité parfaite : rugosité théorique plus importante
La masse équilibrée a un impact significatif sur les performances dynamiques de l'ensemble du système rotatif.
Le déséquilibre équivaut à la rotation d’un objet excentrique. Cet objet excentrique peut provoquer une force centrifuge qui augmente avec la valeur carrée de la vitesse de rotation. Cela signifie que la force centrifuge provoquée par le même déséquilibre sur une broche avec une vitesse de 42 000 tr/min est 441 fois celle d'une broche avec une vitesse de 2 000 tr/min (212=441). Par conséquent, le déséquilibre du dispositif porte-outil lors de l'usinage à grande vitesse a des conséquences néfastes particulièrement évidentes.
En appliquant la technologie de serrage d'outil dans HSM, vous pouvez utiliser le porte-outil avec les éléments suivants :
Mandrin
Articulation réductrice
Il n'est pas recommandé d'utiliser des systèmes alternatifs tels que les connecteurs Weldon car ils présentent des défauts évidents dans le traitement HSM.

En raison des excellentes caractéristiques d'amortissement du porte-outil avec mandrin, il peut apporter de bons résultats au processus d'usinage grossier. Par conséquent, avec le joint de diamètre réduit, il peut atteindre une rigidité et une précision de répétabilité extrêmement élevées. Ceci est crucial pour obtenir une surface de pièce parfaite. L'utilisation de joints de diamètre réduit permet d'obtenir une concentricité très précise (écart inférieur à 0,003 mm) et une transmission de couple importante.
La structure de conception de divers porte-outils à diamètre réduit : la transmission du couple dépend de la structure de conception de l'équipement de serrage ; Les structures de conception peuvent varier considérablement.