Usinage à grande vitesse de l’aluminium : comment choisir les paramètres et éviter les pièges

Ce qu’est ce matériau et ses propriétés clés pour l’usinage

L’aluminium est un métal non ferreux largement utilisé dans l’aéronautique, l’automobile, l’électronique et l’industrie médicale, pour sa légèreté, sa résistance à la corrosion et sa bonne conductivité thermique. Pour l’usinage à grande vitesse (UGV), définition : processus d’usinage caractérisé par des vitesses de rotation de broche élevées et des vitesses d’avance rapides, visant à réduire les temps de cycle et à améliorer la qualité des pièces, trois propriétés de l’aluminium sont déterminantes :

1. Dureté faible : Comprise entre 20 HB (alliages de série 1000) et 150 HB (alliages de série 7000 trempés), l’aluminium est facile à couper, mais sa tendance à s’écraser sous l’outil pose des défis spécifiques.
2. Conductivité thermique élevée : L’aluminium évacue la chaleur générée par la coupe 3 à 5 fois plus vite que l’acier, ce qui réduit l’usure de l’outil mais peut entraîner des problèmes de contrôle de la température de la pièce.
3. Ténacité : Certains alliages (comme le 6061 ou le 7075) conservent une bonne résistance mécanique même à haute température, ce qui influence les forces de coupe et la formation des copeaux.

Comment il se comporte sous l’outil

Pour maîtriser l’UGV de l’aluminium, il est essentiel de comprendre son comportement pendant la coupe :

• Forces de coupe : Faibles par rapport à l’acier, elles dépendent de la profondeur de passe, de l’avance par dent et de la géométrie de l’outil. En UGV, les forces de coupe sont réduites grâce à la réduction de l’épaisseur du copeau (voir section suivante), ce qui permet d’utiliser des machines moins rigides pour des opérations de finition.
• Chaleur générée : Environ 70 à 80 % de la chaleur de coupe est évacuée par le copeau, contre 50 % pour l’acier. Cela réduit l’usure de l’outil, mais la chaleur restante peut entraîner une dilatation thermique de la pièce ou de la machine, affectant la précision dimensionnelle.
• Formation des copeaux : L’aluminium forme des copeaux longs et continus dans des conditions de coupe standard, ce qui peut causer des enchevêtrements autour de l’outil ou des défauts de surface. En UGV, la vitesse de coupe élevée modifie la formation des copeaux, qui deviennent plus courts et plus faciles à évacuer.
• Mécanismes d’usure de l’outil : Contrairement à l’acier, l’usure de l’outil sur aluminium est principalement due à l’adhésion : le matériau de la pièce se colle à la pointe de l’outil, formant un « tas d’adhésion » qui modifie la géométrie de coupe et cause des défauts de surface. L’usure abrasive est rare, sauf pour des alliages contenant des particules dures (comme le silicium dans les alliages de fonderie).

Paramètres pratiques : vitesses, avances, géométrie de l’outil et raisonnement derrière les plages

Les paramètres d’UGV de l’aluminium dépendent de l’alliage, de l’opération (ébauche, finition) et des caractéristiques de la machine. Nous détaillons ici les plages et les compromis associés :

Vitesse de rotation de la broche

La vitesse de rotation de la broche est le paramètre le plus emblématique de l’UGV. Elle est calculée à partir de la vitesse de coupe (Vc, en m/min) et du diamètre de l’outil (D, en mm) par la formule : ( N = \frac{1000 \times Vc}{\pi \times D} ).

Pour l’aluminium, la vitesse de coupe varie de 1000 m/min pour les alliages de série 1000 à 3000 m/min pour les alliages de série 6000 non trempés. Les alliages de série 7000 trempés nécessitent des vitesses de coupe plus faibles (800 à 1500 m/min) pour éviter l’usure excessive de l’outil.

Compromis : Une vitesse de rotation trop élevée augmente la contrainte sur la broche et l’outil, et peut entraîner des vibrations si la machine n’est pas suffisamment rigide. Par exemple, la machine GA-DV750 (centre d’usinage vertical à broche électrique haute vitesse, cône HSK-E40, vitesse maximale 30000 tr/min) est adaptée à des vitesses de rotation élevées pour des opérations de finition, tandis que la GA-MV856 (centre d’usinage vertical à broche mécanique directe, cône BT40, vitesse maximale 12000 tr/min) est plus adaptée à l’ébauche grâce à son couple élevé (jusqu’à 95,5 Nm).

Amincissement des copeaux

L’amincissement des copeaux est un phénomène clé de l’UGV : lorsque la profondeur de passe radiale (ae) est inférieure à la moitié du rayon de l’outil, l’épaisseur réelle du copeau (h) est inférieure à l’avance par dent (fz). Ce phénomène permet de réduire les forces de coupe et d’augmenter la vitesse d’avance globale (Vf, en mm/min), calculée par la formule : ( Vf = N \times z \times fz ), où z est le nombre de dents de l’outil.

Pour l’aluminium, l’avance par dent varie de 0,1 mm/dent pour l’ébauche à 0,05 mm/dent pour la finition. Grâce à l’amincissement des copeaux, la vitesse d’avance globale peut atteindre 10000 mm/min ou plus, réduisant significativement les temps de cycle.

Compromis : Un amincissement trop important (ae trop faible) réduit l’efficacité de la coupe et augmente l’usure de l’outil par frottement. Il est donc recommandé de maintenir ae entre 10 % et 50 % du rayon de l’outil pour l’UGV de l’aluminium.

Trajectoires trochoïdales

Les trajectoires trochoïdales sont des chemins d’outil qui combinent un mouvement de rotation autour d’un point et un mouvement d’avance linéaire. Elles sont particulièrement adaptées à l’UGV de l’aluminium car elles permettent de maintenir une profondeur de passe radiale constante et de réduire les forces de coupe.

Les avantages des trajectoires trochoïdales pour l’aluminium sont :

• Réduction des vibrations grâce à des forces de coupe constantes ;
• Évacuation des copeaux plus facile grâce à un engagement de l’outil réduit ;
• Augmentation de la durée de vie de l’outil grâce à une usure uniforme.

Compromis : Les trajectoires trochoïdales nécessitent une puissance de calcul importante de la part de la commande numérique (CN) de la machine. Par exemple, la GA-VT540 (centre de perçage-taraudage, vitesse de rotation maximale 20000 tr/min) est équipée d’une CN capable de gérer des trajectoires trochoïdales complexes pour des opérations de perçage et de fraisage de petites pièces.

Géométrie de l’outil

La géométrie de l’outil est essentielle pour l’UGV de l’aluminium. Les caractéristiques clés sont :

• Angle de dépouille : Élevé (10 à 15 degrés) pour réduire le frottement entre l’outil et la pièce ;
• Angle de coupe : Positif (15 à 25 degrés) pour réduire les forces de coupe et éviter l’adhésion ;
• Nombre de dents : Faible (2 à 4 dents) pour améliorer l’évacuation des copeaux ;
• Revêtement : Diamant polycristallin (DPC) pour les alliages contenant du silicium, ou revêtement en diamant nanocristallin pour les alliages de série 6000 et 7000.

Compromis : Un angle de coupe trop élevé réduit la rigidité de l’outil, ce qui peut entraîner des vibrations. Il est donc nécessaire de trouver un équilibre entre la réduction des forces de coupe et la rigidité de l’outil.

Ce qui se passe mal : modes de défaillance, reconnaissance et solutions

Plusieurs problèmes peuvent survenir lors de l’UGV de l’aluminium. Voici les plus courants :

1. Adhésion de l’aluminium sur l’outil

• Reconnaissance : Défauts de surface rugueux, augmentation de la force de coupe, usure de l’outil accélérée.
• Causes : Vitesse de coupe trop faible, angle de coupe trop faible, lubrification insuffisante.
• Solutions : Augmenter la vitesse de coupe, utiliser un outil avec un angle de coupe positif, améliorer la lubrification (utiliser de l’huile de coupe à haute pression ou de la lubrification par brouillard d’huile).

2. Vibrations

• Reconnaissance : Marques de vibration sur la surface de la pièce, usure de l’outil irrégulière, bruit excessif pendant la coupe.
• Causes : Vitesse de rotation de la broche trop élevée, rigidité de la machine ou de l’outil insuffisante, profondeur de passe trop importante.
• Solutions : Réduire la vitesse de rotation de la broche, utiliser un outil plus court ou plus rigide, réduire la profondeur de passe. Par exemple, si vous utilisez la GA-MV856 pour une opération d’ébauche, vous pouvez augmenter la profondeur de passe axiale (ap) grâce à son couple élevé, tout en réduisant la profondeur de passe radiale (ae) pour limiter les vibrations.

3. Dilatation thermique de la pièce

• Reconnaissance : Pièces hors tolérance dimensionnelle, déformation de la pièce après usinage.
• Causes : Chaleur générée par la coupe, dilatation thermique de la machine ou de l’outil.
• Solutions : Utiliser une lubrification efficace pour évacuer la chaleur, préchauffer la machine avant l’usinage, utiliser des outils avec des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique (comme le carbure de tungstène).

4. Enchevêtrement des copeaux

• Reconnaissance : Copeaux longs enroulés autour de l’outil, défauts de surface, risque de casse de l’outil.
• Causes : Vitesse de coupe trop faible, profondeur de passe trop importante, géométrie de l’outil inadaptée.
• Solutions : Augmenter la vitesse de coupe, réduire la profondeur de passe, utiliser un outil avec un nombre de dents faible et des goujures larges pour améliorer l’évacuation des copeaux.

Limites honnêtes : où l’UGV de l’aluminium est un mauvais choix

L’UGV de l’aluminium est un processus très efficace, mais il présente des limites :

1. Opérations d’ébauche de grandes pièces : L’UGV est moins efficace que l’usinage conventionnel pour l’ébauche de grandes quantités de matière, car les vitesses d’avance élevées ne compensent pas la profondeur de passe réduite. Pour ces opérations, une machine à couple élevé comme la GA-UV1050 (centre d’usinage vertical 5 axes, couple maximal 302 Nm) est plus adaptée.
2. Alliages d’aluminium à haute teneur en silicium : Les alliages de fonderie contenant plus de 12 % de silicium sont très abrasifs, et l’UGV entraîne une usure excessive de l’outil, même avec des outils en DPC. L’usinage conventionnel avec des outils en carbure de tungstène est préféré pour ces alliages.
3. Machines non adaptées : L’UGV nécessite des machines avec des broches à haute vitesse, des commandes numériques performantes et une rigidité suffisante. Une machine conçue pour l’usinage conventionnel ne pourra pas exploiter les avantages de l’UGV, et risque de subir des dommages.
4. Pièces très fines ou fragiles : Les forces de coupe, même réduites en UGV, peuvent déformer des pièces très fines ou fragiles. Dans ce cas, des techniques d’usinage à faible force ou de l’usinage par électroérosion sont préférées.

Tableau de paramètres et de dépannage

Checklist pratique pour la mise en place du travail

Avant de lancer une opération d’UGV de l’aluminium, vérifiez les points suivants :

1. Machine : Vérifiez que la machine est adaptée à l’opération (vitesse de broche, couple, rigidité). Par exemple, utilisez la GA-DV750 pour la finition de petites pièces et la GA-MV856 pour l’ébauche de pièces moyennes.
2. Outil : Choisissez un outil avec une géométrie adaptée à l’aluminium (angle de coupe positif, revêtement approprié). Vérifiez l’état de l’outil (pas d’usure excessive, pas de défauts).
3. Paramètres : Calculez les paramètres de coupe en fonction de l’alliage, de l’opération et des caractéristiques de la machine. Respectez les plages de valeurs recommandées.
4. Lubrification : Vérifiez que le système de lubrification fonctionne correctement et que le fluide de coupe est adapté à l’UGV de l’aluminium.
5. Fixation de la pièce : Assurez-vous que la pièce est fixée solidement pour éviter les vibrations ou les déplacements pendant la coupe.
6. Commande numérique : Vérifiez que la CN est capable de gérer les trajectoires trochoïdales et les vitesses d’avance élevées.

FAQ

1. Quelle est la différence entre l’UGV de l’aluminium et l’UGV de l’acier ? L’UGV de l’aluminium utilise des vitesses de coupe 2 à 3 fois plus élevées que l’UGV de l’acier, car l’aluminium est plus facile à couper et évacue la chaleur plus vite. Les forces de coupe sont également plus faibles, ce qui permet d’utiliser des machines moins rigides pour la finition.

2. Peut-on utiliser l’UGV pour l’ébauche de l’aluminium ? Oui, mais l’UGV est moins efficace que l’usinage conventionnel pour l’ébauche de grandes quantités de matière. Pour l’ébauche de l’aluminium, il est préféré d’utiliser des machines à couple élevé comme la GA-UV1050, qui permettent des profondeurs de passe plus importantes.

3. Quel type de broche est le mieux adapté à l’UGV de l’aluminium ? Les broches électriques à haute vitesse sont les mieux adaptées à l’UGV de l’aluminium, car elles atteignent des vitesses de rotation élevées (jusqu’à 30000 tr/min) avec une bonne précision. Les broches mécaniques à couple élevé sont préférées pour l’ébauche.

4. Comment réduire l’adhésion de l’aluminium sur l’outil ? L’adhésion peut être réduite en augmentant la vitesse de coupe, en utilisant un outil avec un angle de coupe positif et un revêtement adapté, et en améliorant la lubrification.

5. Quelle machine Gree CNC choisir pour l’UGV de l’aluminium ? Le choix dépend de l’opération et de la taille de la pièce :

• Pour la finition de petites pièces : GA-DV750 ou GA-VT540 ;
• Pour l’ébauche de pièces moyennes : GA-MV856 ou GA-MVD2560 ;
• Pour des opérations 5 axes : GA-FA500 ou GA-UHD500.

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