L' usinage est un procédé de fabrication polyvalent et efficace pour la découpe des métaux et des plastiques. Il permet de réaliser des détails très fins avec des tolérances serrées et s'avère particulièrement rentable pour la fabrication de prototypes et de petites séries de pièces.
Cependant, l'usinage ne convient pas à tous les matériaux. Ce procédé utilise un outil de coupe rotatif puissant pour enlever de la matière ; par conséquent, le matériau doit être suffisamment tendre pour permettre à l'outil de le pénétrer. Dans le cas contraire, l'outil lui-même s'endommagerait et la qualité de la pièce s'en trouverait affectée. À l'inverse, un matériau trop tendre se déformerait de manière indésirable au contact de l'outil, ce qui entraînerait la production de pièces déformées et inutilisables.
La facilité avec laquelle un métal peut être usiné à l'aide d'un outil de coupe est appelée usinabilité . Cependant, comme de nombreux facteurs déterminent l'usinabilité d'un métal, cette caractéristique est difficile à quantifier. Cet article présente les principes fondamentaux de l'usinabilité : sa définition, les matériaux les plus usinables, les moyens de l'améliorer et les méthodes de mesure.
Qu'est-ce que l'usinabilité ?
L'usinabilité mesure la facilité ou la difficulté avec laquelle un matériau peut être usiné à l'aide d'un outil de coupe . Un matériau qui peut être usiné avec un minimum d'effort, sans déformer les zones environnantes, est plus usinable qu'un matériau qui exige plus d'effort et provoque davantage de déformations.
En pratique, l'utilisation de matériaux faciles à usiner présente des avantages à court et à long terme . À court terme, elle permet d'obtenir des pièces de meilleure qualité, avec des tolérances serrées, une déformation minimale et un excellent état de surface. Leur fabrication est également plus rapide que celle de pièces en matériaux difficiles à usiner. À long terme, l'utilisation de matériaux faciles à usiner réduit l'usure des outils et prolonge leur durée de vie , ce qui représente des économies substantielles pour les ateliers d'usinage.
Alors pourquoi les machinistes n'utilisent-ils pas systématiquement les matériaux les plus usinables ? Le problème est que l'usinabilité se fait souvent au détriment des performances du matériau , et inversement. Les matériaux résistants sont généralement plus difficiles à usiner que les matériaux fragiles ; les ingénieurs doivent donc souvent faire un compromis entre usinabilité et performance.
L'usinabilité d'un matériau dépend à la fois des propriétés physiques et chimiques du matériau (sa composition) et de l' état de la pièce à usiner (son mode de fabrication). Les propriétés physiques d'un matériau sont fixes, mais l'état d'une pièce peut varier considérablement.
Les propriétés physiques comprennent :
- Ecrouissage
- Dilatation thermique
- La conductivité thermique
- Module d'élasticité
Les facteurs de condition comprennent :
- Microstructure
- Taille de grain
- Traitement thermique
- Dureté
- Résistance à la traction
Matériaux usinables
Aluminium
L'aluminium, un des matériaux les plus adaptés à l'usinage, est relativement peu coûteux et se décline en de nombreux alliages courants. L'alliage 6061 est la nuance de référence pour l'usinage, bien que des alliages moins répandus comme l'aluminium 2011 et 8280 soient encore plus faciles à usiner, produisant des copeaux très fins et un excellent état de surface.
Acier
Les aciers sont généralement plus difficiles à usiner que les alliages d'aluminium, mais les nuances à teneur modérée en carbone, comme l'acier inoxydable 303, sont les plus faciles à usiner (une teneur trop élevée en carbone rend l'acier trop dur ; une teneur trop faible le rend collant). L'ajout de plomb peut améliorer l'usinabilité de l'acier en optimisant l'évacuation des copeaux. Le soufre peut également accroître son usinabilité.
Autres métaux
Parmi les autres métaux usinables, on trouve divers alliages de laiton , relativement mous mais présentant une bonne résistance à la traction. De même, le cuivre offre une bonne usinabilité ainsi que des caractéristiques telles que la conductivité électrique.
Les matières plastiques
Les thermoplastiques peuvent être difficiles à usiner, car la chaleur générée par l'outil de coupe peut entraîner la fusion du plastique et son adhérence à l'outil. C'est pourquoi, parmi les plastiques les plus faciles à usiner, on trouve l'ABS , le nylon , l'acrylique et le Delrin.
Amélioration de l'usinabilité des matériaux
Bien que les métaux possèdent des propriétés physiques fixes, l'état d'une pièce peut être modifié pour faciliter son usinage. L'ajout d'éléments aux alliages permet également d'améliorer leur usinabilité.
- Additifs: Une façon d'améliorer l'usinabilité d'un matériau consiste à y incorporer des éléments d'autres matériaux qui le rendent plus facile à usiner. Par exemple, lors de l'usinage de l'acier, l'ajout de plomb et de soufre peut faciliter la coupe de la pièce.
- Traitement thermique: Les métaux subissent souvent des cycles de chauffage et de refroidissement pour modifier leurs propriétés, et le traitement thermique peut réduire la dureté d'un métal afin de faciliter son usinage. recuit L’utilisation d’alliages à base de nickel, par exemple, peut permettre d’améliorer l’usinabilité.
- Facteurs externesL'usinage peut être simplifié sans modifier la nature du matériau de la pièce. Par exemple, en ajustant le matériau de l'outil de coupe, la vitesse de coupe, l'angle de coupe, les conditions de fonctionnement et d'autres paramètres, on peut faciliter l'usinage d'un matériau difficile à usiner.
Comment l'usinabilité est-elle mesurée ?
Du fait du grand nombre de facteurs qui influent sur l'usinabilité d'un matériau, celle-ci peut être considérée comme un concept vague et difficile à quantifier.
Cependant, les ingénieurs et les spécialistes des matériaux ont tenté de mesurer l'usinabilité via des indicateurs tels que la consommation d'énergie (la quantité d'énergie nécessaire pour couper le matériau), la durée de vie de l'outil de coupe (la vitesse à laquelle l'outil s'use lors de la coupe du matériau) et la finition de surface (la régularité du matériau coupé).
- Consommation d'énergieL'usinabilité peut être évaluée par les forces nécessaires pour découper le matériau, mesurées à l'aide de métriques énergétiques standard.
- Durée de vie de l'outil de coupeL'usinabilité peut être évaluée en chronométrant la durée de vie d'un outil lors de la coupe d'un matériau donné.
- État de surfaceL'usinabilité peut être évaluée en observant le degré d'arête rapportée produite lors de l'usinage ; les matériaux très usinables ne produisent pas d'arête rapportée.
Malheureusement, aucune de ces méthodes n'est totalement fiable, car des facteurs indépendants peuvent affecter la consommation d'énergie, l'usure des outils de coupe et la finition de surface.
L'American Iron and Steel Institute (AISI) a également mis au point un système d'évaluation de l'usinabilité basé sur des essais de tournage. Ces évaluations, exprimées en pourcentage, sont relatives à l'usinabilité de l'acier B1112 de dureté Brinell 160 (choisi arbitrairement), dont l'usinabilité est de 100 %. Les métaux présentant une usinabilité supérieure à celle de l'acier B1112 ont une évaluation supérieure à 100 %, tandis que ceux dont l'usinabilité est inférieure ont une évaluation inférieure à 100 %.
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