Plaquettes en CBN monobloc pour le tournage de matériaux durs : quand les utiliser ?
Les plaquettes CBN monoblocs permettent d'élargir le champ d'application de l'usinage par tournage de matériaux durs lorsqu'une plaquette conventionnelle à pointe Plaquette en PCBN n'offre pas une longueur de tranchant utile suffisante, une capacité de profondeur de coupe adéquate ni la flexibilité nécessaire à la stratégie de coupe requise.
Cependant, le CBN monobloc n'est pas forcément le meilleur choix pour toutes les opérations sur l'acier trempé.
Pour le tournage de finition classique avec une faible profondeur de coupe, une plaquette en PCBN brasée ou à pointe d'angle peut souvent constituer une solution plus économique. Le CBN monobloc s'avère particulièrement adapté lorsque l'opération nécessite un engagement plus important des arêtes de coupe, des coupes plus profondes, des stratégies de coupe par tirage ou une répartition différente des passes d'usinage.
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Qu'est-ce qu'une plaquette CBN monobloc ?
Le CBN, ou nitrure de bore cubique, est l'un des matériaux les plus durs utilisés pour la fabrication d'outils de coupe destinés à l'usinage des métaux. Dans les outils de coupe disponibles dans le commerce, le CBN est généralement utilisé sous forme polycristalline, communément appelée PCBN.
Une plaquette PCBN à pointe classique combine généralement un plaquette en carbure corps sur lequel est fixé un segment de coupe en PCBN relativement petit, au niveau d'un ou plusieurs angles. Cette conception est largement utilisée car elle permet de ne placer ce matériau superdur et coûteux qu'aux endroits où il est nécessaire.
Une plaquette CBN monobloc contient un volume de PCBN nettement plus important et, selon sa conception, peut être fabriquée sans le support en carbure classique utilisé dans les plaquettes à pointe.
L'avantage principal ne réside pas simplement dans la présence d'une plus grande quantité de matériau CBN. La section plus large en PCBN permet d'obtenir une longueur de tranchant utile plus importante et offre une plus grande liberté dans la manière d'utiliser ce tranchant.
Cela peut s'avérer important dans le cadre de stratégies d'usinage qui nécessitent une pénétration plus profonde, des arêtes de coupe actives plus longues ou des trajectoires de coupe difficiles à réaliser avec une petite pointe en PCBN brasée.
Plaquettes en CBN massif vs plaquettes en PCBN à pointe
Ces deux constructions ne sont pas interchangeables dans toutes les situations.
| Facteur de sélection | CBN solide | PCBN à embout / brasé |
|---|---|---|
| Construction d'insert | Corps de coupe PCBN de grande taille ou complet | Segment de coupe en PCBN sur corps en carbure |
| Arête en PCBN utilisable | Un choix plus large de modèles adaptés | Limité par la géométrie de la pointe en PCBN |
| Un engagement à la pointe de l'innovation | Plus de flexibilité dans certaines applications | Convient parfaitement aux petites opérations conventionnelles |
| Une plus grande profondeur de coupe | Possible avec des nuances et des conceptions adaptées | Souvent davantage limité par la taille de la pointe |
| Stratégies de découpe par tirage | Peut offrir une plus grande flexibilité | Généralement moins souple |
| Tournage dur de finition classique | À utiliser lorsque cela se justifie | Souvent très pratique |
| Coût d'insertion | Généralement plus élevé | Généralement plus faible |
| Principaux critères de sélection | Capacité des processus et productivité | Tournage dur conventionnel économique |
La comparaison correcte n'est donc pas simplement :
Quel insert est le plus dur ?
Les deux utilisent du PCBN comme matériau de coupe.
La question la plus pertinente est la suivante :
L'opération d'usinage tire-t-elle parti de la longueur de tranchant en PCBN supplémentaire offerte par une construction monobloc ?
Dans quels cas est-il judicieux d'utiliser du CBN solide ?
Lorsqu'il faut aller encore plus loin dans l'innovation
Une plaquette PCBN classique à pointe comporte un segment de PCBN limité au niveau du coin de coupe.
Pour les opérations de finition courantes, cela est souvent amplement suffisant. Cependant, certaines stratégies d'usinage nécessitent qu'une partie plus longue du tranchant soit en contact avec la pièce.
Une plaquette CBN monobloc offre une plus grande liberté dans ces applications, car la surface utile en PCBN ne se limite pas à une petite pointe d’angle.
Cela peut s'avérer utile lorsque la trajectoire de coupe suit une plus grande partie du bord ou lorsque la géométrie de la pièce nécessite un engagement plus important de l'arête de coupe.
Lorsqu'une plus grande profondeur de coupe est nécessaire
Certains systèmes d’inserts en CBN massif peuvent fonctionner à des profondeurs de coupe supérieures à celles des modèles conventionnels à pointe en PCBN.
Cela s'avère particulièrement pertinent lorsque la surépaisseur d'usinage est trop importante pour permettre une passe de tournage de finition à haute dureté rentable, ou lorsque l'objectif est de réduire le nombre d'opérations.
Cependant, une construction robuste ne suffit pas à elle seule à garantir qu’une plaquette puisse automatiquement être utilisée pour un ébauche lourde.
La profondeur de coupe réelle dépend toutefois des facteurs suivants :
la dureté de la pièce à usiner, la nuance de PCBN, la préparation des arêtes, la géométrie de la plaquette, la vitesse de coupe, l'avance, la rigidité de la machine et le fait que l'opération soit continue ou intermittente.
C'est pourquoi il convient de toujours vérifier la profondeur de coupe admissible pour chaque nuance de CBN et chaque application.
Quand une stratégie d'usinage différente permet de réduire le nombre de passes
L'une des principales raisons d'envisager l'utilisation de CBN monobloc réside dans la possibilité de modifier la stratégie d'usinage plutôt que de se contenter de remplacer une plaquette par une autre.
En fonction du composant et du système d'outils, le CBN monobloc peut permettre des approches d'usinage telles que la coupe en tirant, l'engagement sur une arête plus longue ou différentes répartitions entre les passes d'ébauche et de finition.
Par exemple, une opération qui nécessitait auparavant plusieurs passes de coupe distinctes avec une petite pointe en PCBN peut parfois être réorganisée de manière à ce qu'un arête de coupe utile plus grande effectue davantage de travail en moins de passes.
La valeur du CBN solide est donc souvent liée à conception des processus, et pas seulement insuffler la vie.
Un plus grand insérer le prix peut se justifier si cela permet de réduire la durée du cycle, d'éliminer une opération ou d'améliorer la cohérence du processus.
Comparaison entre le prix et le coût unitaire par composant
Solide Plaquettes CBN contiennent généralement davantage de matériau ultra-dur que les plaquettes en PCBN à pointe et peuvent donc avoir un prix d'achat plus élevé.
Mais le prix d'insertion à lui seul ne constitue pas le critère de comparaison le plus pertinent.
Le calcul le plus important est le suivant :
coût par composant fini.
Une plaquette CBN monobloc peut s’avérer intéressante si elle permet :
- moins de passes d'usinage ;
- une meilleure pénétration de coupe ;
- longueur utile de l'arête de coupe ;
- une stratégie d'usinage plus stable ;
- réduction de la durée du cycle ;
- moins de changements d'outils ou d'opérations.
En revanche, si une plaquette PCBN inclinée permet déjà d'obtenir l'état de surface requis et la durée de vie de l'outil souhaitée à un faible coût par pièce, il n'y a peut-être aucune raison économique de passer à une conception en CBN monobloc.
Dans quels cas le PCBN à pointes est-il le choix le plus pratique ?
Le CBN massif ne doit pas être considéré comme une amélioration automatique par rapport au PCBN à pointe.
Pour de nombreuses opérations d'usinage difficiles, une plaquette à pointe classique reste la solution la plus pratique.
Cela est particulièrement vrai lorsque l'opération d'usinage consiste principalement en un tournage de finition, que la profondeur de coupe est faible, que seule une petite partie du tranchant est sollicitée et qu'une plaquette ISO standard offre déjà des performances fiables.
Le PCBN à pointe peut également constituer une option intéressante lorsque le coût des plaquettes a une forte incidence sur la rentabilité de la production.
Si la quantité supplémentaire de CBN utilisable dans une plaquette monobloc n'améliore ni la durée du cycle, ni la durée de vie de l'outil, ni la capabilité du processus, cette quantité supplémentaire n'apporte guère d'avantage concret.
L'objectif n'est donc pas de maximiser la quantité de CBN dans l'insert.
L'objectif est de choisir la conception de plaquette la plus économique en fonction des exigences d'usinage.
Acier trempé : la principale application du tournage dur
Le tournage dur constitue l'un des principaux domaines d'application des outils de coupe en CBN.
Parmi les composants typiques, on trouve les pièces de roulements, les arbres trempés, les engrenages, les composants de transmission, les matrices, les moules, les aciers à outils et les composants cémentés.
Le choix entre un PCBN massif ou à pointe dépend de bien d’autres facteurs que la simple désignation de la pièce à usiner comme “ acier trempé ”.”
Les informations suivantes doivent normalement être considérées dans leur ensemble :
Matériau de la pièce → dureté → surépaisseur d'usinage → coupe continue ou intermittente → exigences de finition de surface → préparation des arêtes → rigidité de la machine
Une faible marge de finition sur un arbre trempé stable peut nécessiter une solution CBN totalement différente de celle requise pour une pièce présentant une marge plus importante et des formes en dents de scie.
Et la fonte ?
Le CBN monobloc est également utilisé dans certaines applications d'usinage de la fonte.
Une résistance élevée à l'usure et la possibilité de disposer d'une section de coupe en PCBN plus importante peuvent s'avérer utiles lors de l'usinage de fontes abrasives ou lorsqu'un engagement de coupe plus important est nécessaire.
Cependant, la “ fonte ” ne doit pas être considérée comme un cas d’usinage unique.
La fonte grise, la fonte dure, la fonte réfractaire et les composants présentant des surfaces irrégulières ou abrasives peuvent nécessiter différentes qualités de CBN et différents types de préparation des arêtes de coupe.
La solution appropriée dépend donc de la nuance de fonte utilisée, de sa dureté, de la marge d’usinage et des conditions de coupe.
Tournage dur en continu ou par à-coups
La continuité de l'usinage a une influence majeure sur le choix des plaquettes CBN.
Lors d'une opération de tournage intensif en continu, l'arête de coupe reste en contact permanent avec la pièce. La résistance à l'usure, le comportement thermique et l'uniformité de la surface constituent donc des critères essentiels.
À mesure que les interruptions se multiplient, l'arête de coupe pénètre et ressort à plusieurs reprises de la pièce. Les chocs mécaniques prennent alors de l'importance, ce qui accroît les exigences en matière de ténacité de l'arête et de préparation adéquate de celle-ci.
Une coupe légèrement discontinue n’est pas la même chose qu’une coupe fortement discontinue.
Des caractéristiques telles que les rainures de clavette, les trous transversaux, les cannelures, les épaulements interrompus ou les surfaces trempées irrégulières peuvent modifier considérablement la charge exercée sur l'arête de coupe.
Il est important de comprendre que :
La seule composition en CBN massif ne détermine pas à elle seule la capacité de coupe en dents coupées.
La nuance du PCBN, la teneur en CBN, le système de liant, la préparation des arêtes, la géométrie de la plaquette et les conditions de coupe doivent être pris en compte de manière globale.
La préparation des arêtes est tout aussi importante que la conception de la plaquette
Deux plaquettes CBN présentant la même forme ISO peuvent offrir des performances très différentes si la préparation de leurs arêtes de coupe diffère.
Le tournage dur fait généralement appel à des chanfreins, à des honages ou à une combinaison des deux, soigneusement contrôlés, afin de trouver un équilibre entre la résistance des arêtes et les forces de coupe d'une part, et les exigences en matière de finition de surface d'autre part.
Un tranchant plus résistant peut améliorer la fiabilité dans des conditions de coupe intermittentes ou exigeantes, mais il peut également augmenter la force de coupe.
Un affûtage plus précis peut réduire la force de coupe et favoriser une finition soignée, tout en offrant une protection moindre des arêtes en cas d'interruptions importantes.
C'est pourquoi le processus de sélection devrait tenir compte des éléments suivants :
Nuance de PCBN + préparation des arêtes + rayon de dépouille + structure de la plaquette + conditions d'usinage
plutôt que de choisir une plaquette uniquement en fonction de son code ISO.
La rigidité de la machine est essentielle
Le CBN offre les meilleures performances dans un système d'usinage stable.
La grande dureté des pièces et les tolérances de finition relativement serrées font que les vibrations, un serrage inadéquat ou un porte-à-faux excessif de l'outil peuvent rapidement compromettre la stabilité du processus.
Avant de modifier la nuance de CBN ou la configuration de la plaquette, vérifiez l'ensemble du réglage d'usinage.
Parmi les facteurs importants, on peut citer le serrage de la pièce, l'état de la broche, la rigidité du porte-outil, l'assise de la plaquette, le porte-à-faux de l'outil, le faux-rond de la pièce et la nature des éventuelles opérations interrompues.
L'écaillage ne signifie pas automatiquement que le matériau CBN est trop cassant.
Dans certains cas, le véritable problème réside dans l'instabilité d'un autre élément du système d'usinage.
Tournage dur à sec ou sous arrosage ?
L'usinage à sec est courant dans le tournage de matériaux durs, car le CBN peut fonctionner à des températures de coupe élevées et l'absence de liquide de refroidissement permet de simplifier le processus dans certaines applications.
Cela ne signifie toutefois pas que le CBN doive toujours être utilisé à sec.
L'usinage en milieu humide peut également être adapté à certaines nuances, certains matériaux de pièces et certaines conditions d'usinage.
La stratégie de lubrification appropriée doit donc respecter les recommandations relatives à la nuance de CBN et à l'application concernées.
Évitez de considérer l'une ou l'autre de ces affirmations comme une règle universelle :
“ La CBN doit toujours être à court de liquidités. ”
ou
“ Le CBN nécessite un liquide de refroidissement. ”
Aucune des deux solutions n'est adaptée à toutes les applications.
La stabilité du processus et une application régulière du liquide de refroidissement sont plus importantes que le respect d'une règle générale.
Le CBN monobloc garantit-il toujours une durée de vie plus longue à l'outil ?
Non.
La durée de vie de l'outil dépend des conditions d'usinage dans leur ensemble.
Une plaquette monobloc contient davantage de PCBN, mais cela ne signifie pas pour autant que son arête de coupe active s'usera moins vite qu’une plaquette à pointe en PCBN correctement choisie.
La durée de vie de l'outil dépend de la nuance de PCBN, de la dureté de la pièce, de la vitesse de coupe, de l'avance, de la profondeur de coupe, des coupures interrompues, de la préparation des arêtes, de la rigidité de la machine et des exigences en matière de finition de surface.
La principale raison de choisir un CBN monobloc devrait donc être que sa conception offre un avantage pour le processus.
Si une plaquette à pointe permet déjà d'effectuer efficacement l'opération requise, le fait d'opter pour une construction monobloc ne suffira peut-être pas à améliorer la rentabilité.
Liste de contrôle pour le choix du CBN solide
Avant de choisir un CBN monobloc, demandez-vous si son mode de fabrication apporte réellement un avantage à l'application visée.
Il peut être intéressant d'envisager l'utilisation de CBN massif lorsque l'opération nécessite une arête de coupe PCBN utilisable plus large, un engagement de coupe ou une profondeur de coupe plus importants, une stratégie de « drawn-cut » ou de pré-tournage, un nombre réduit de passes d'usinage, ou encore un processus qui ne peut pas être géré efficacement avec une petite pointe PCBN conventionnelle.
Les plaquettes à pointe en PCBN peuvent rester le choix le plus pratique lorsqu'il s'agit d'un tournage de finition conventionnel sur matériau dur, que la profondeur de coupe est faible, que seule une petite partie de l'arête de coupe est utilisée et que la plaquette à pointe ISO existante offre déjà une durée de vie et un état de surface stables.
La décision finale devrait donc reposer sur la prise en compte conjointe des éléments suivants :
structure de l'insert, nuance de PCBN, préparation des arêtes de coupe, pièce à usiner et conditions d'usinage.
Vous avez besoin d’une plaquette en CBN pour un usinage de pièces dures ?
Le choix entre le CBN monobloc et le PCBN à plaquettes dépend avant tout des conditions réelles d'usinage, et non pas uniquement de la conception de la plaquette.
Lorsque vous demandez une recommandation concernant une plaquette, veuillez indiquer le matériau et la dureté de la pièce à usiner, le code de la plaquette actuelle, la profondeur de coupe approximative, s’il s’agit d’une coupe continue ou intermittente, les paramètres de coupe actuels, les exigences en matière de finition de surface et la quantité requise.
Ces précisions permettent de déterminer beaucoup plus facilement si une solution CBN monobloc offre un réel avantage en termes de processus ou si une plaquette PCBN à pointe est le choix le plus économique.
