Usinage du POM et des plastiques acétal : principes, paramètres et limites

Ce que sont ces matériaux : propriétés clés pour l'usinage

Le POM (polyoxyméthylène), aussi appelé plastique acétal, est un polymère thermoplastique semi-cristallin disponible en deux variantes principales : le POM homopolymère et le POM copolymère. Pour l'usinage, les propriétés qui déterminent le plus le comportement du matériau sont les suivantes :

• Point de fusion bas : Le POM fond entre 165 °C (copolymère) et 175 °C (homopolymère), une température bien inférieure à celle des métaux courants. Cette caractéristique est critique car elle expose le matériau à des risques de fusion localisée pendant la coupe.
• Rigidité élevée : Avec un module de Young de 2,5 à 3,5 GPa, le POM est plus rigide que la plupart des thermoplastiques, ce qui lui permet de conserver sa forme sous charge mais le rend sensible à la déformation par contrainte.
• Faible coefficient de frottement : Cette propriété réduit l'usure des outils mais peut compliquer la formation de copeaux, qui tendent à se coller à la surface de la pièce ou de l'outil.
• Sensibilité aux contraintes résiduelles : Le POM accumule des contraintes pendant sa fabrication par moulage ou extrusion. Ces contraintes peuvent se libérer après usinage, provoquant des déformations importantes si elles ne sont pas gérées.

La distinction entre homopolymère et copolymère est importante pour l'usinage : l'homopolymère est plus rigide et plus résistant à l'usure, mais plus sensible à la déformation par contrainte et à la fusion ; le copolymère est plus stable dimensionnellement et plus résistant à la chaleur, ce qui le rend plus facile à usiner pour des pièces de précision.

Comment il se comporte sous l'outil

Le comportement du POM pendant la coupe diffère de celui des métaux et des thermoplastiques amorphes (comme le PVC ou le PMMA) en raison de sa structure semi-cristalline et de son point de fusion bas.

Forces de coupe

Les forces de coupe pour le POM sont faibles par rapport aux métaux : typiquement 10 à 20 % des forces nécessaires pour usiner l'aluminium 6061. Cependant, ces forces sont concentrées sur une zone très petite de l'outil, car le POM est rigide et ne se déforme pas plastiquement de manière diffuse comme les métaux. Cette concentration de force peut provoquer une usure rapide de l'arête de coupe si les paramètres ne sont pas adaptés.

Chaleur générée

La chaleur de coupe est le principal facteur limitant pour l'usinage du POM. Contrairement aux métaux, où la chaleur est majoritairement évacuée par les copeaux, le POM conduit mal la chaleur : seulement 10 à 20 % de la chaleur générée pendant la coupe est évacuée par les copeaux, le reste s'accumule dans l'outil et la pièce.

Cette accumulation de chaleur est particulièrement problématique car le point de fusion du POM est bas. Une élévation de température de seulement 50 à 60 °C au-dessus de la température ambiante peut provoquer une fusion localisée de la surface de la pièce, entraînant des copeaux fondus qui se collent à la surface, des bavures et une dégradation de la qualité de la finition.

Formation des copeaux

Le POM forme des copeaux courts et cassants pendant la coupe, en raison de sa rigidité et de sa faible ductilité. Cependant, si la température de coupe dépasse le point de fusion, les copeaux deviennent visqueux et se collent à la surface de la pièce ou de l'outil. Ce phénomène, appelé "collage de copeaux", est l'un des problèmes les plus courants pendant l'usinage du POM.

Mécanismes d'usure des outils

L'usure des outils pendant l'usinage du POM est principalement de deux types :

1. Usure par abrasion : Le POM contient souvent des charges (fibres de verre, minéraux) pour améliorer ses propriétés. Ces charges sont abrasives et provoquent une usure de l'arête de coupe de l'outil, même à des vitesses de coupe faibles.
2. Usure par adhésion : Si la température de coupe est trop élevée, le POM fond et se colle à la surface de l'outil. Ce dépôt de POM modifie la géométrie de l'arête de coupe, augmentant les forces de coupe et la chaleur générée, ce qui accélère l'usure.

Paramètres pratiques : vitesses, avances et géométrie des outils

Les paramètres d'usinage du POM sont définis pour minimiser la chaleur générée tout en garantissant une bonne qualité de coupe. Les plages ci-dessous s'appliquent au POM non chargé ; pour le POM chargé de fibres de verre, il faut réduire les vitesses de coupe de 20 à 30 %.

Vitesse de coupe (Vc)

La vitesse de coupe est la vitesse linéaire de l'outil par rapport à la surface de la pièce. Pour le POM, la plage recommandée est de 100 à 300 m/min.

• Raisonnement : Une vitesse de coupe trop faible (inférieure à 100 m/min) augmente le temps de contact entre l'outil et la pièce, ce qui augmente la chaleur accumulée dans la zone de coupe. Une vitesse trop élevée (supérieure à 300 m/min) augmente la fréquence de coupe, ce qui génère plus de chaleur par unité de temps, dépassant rapidement le point de fusion du POM.
• Compromis : Pour des pièces de grande taille ou des opérations de coupe profonde, privilégiez la plage basse (100 à 200 m/min) pour réduire la chaleur. Pour des opérations de finition ou des pièces de petite taille, vous pouvez utiliser la plage haute (200 à 300 m/min) pour améliorer la productivité.

Avance par dent (fz)

L'avance par dent est la distance que l'outil avance par dent pendant une rotation. Pour le POM, la plage recommandée est de 0,05 à 0,2 mm/dent.

• Raisonnement : Une avance trop faible (inférieure à 0,05 mm/dent) augmente le temps de contact entre l'outil et la pièce, ce qui augmente la chaleur. Une avance trop élevée (supérieure à 0,2 mm/dent) augmente les forces de coupe, ce qui peut provoquer une déformation de la pièce ou une usure rapide de l'outil.
• Compromis : Pour des opérations de finition, privilégiez la plage basse (0,05 à 0,1 mm/dent) pour obtenir une meilleure finition de surface. Pour des opérations de dégrossissage, utilisez la plage haute (0,1 à 0,2 mm/dent) pour améliorer la productivité.

Géométrie des outils

La géométrie des outils est critique pour l'usinage du POM, car elle détermine la concentration de la chaleur et la formation des copeaux. Les caractéristiques recommandées sont les suivantes :

• Arête de coupe tranchante : Une arête émoussée augmente les forces de coupe et la chaleur générée. Pour le POM, l'arête de coupe doit avoir un rayon de moins de 0,02 mm.
• Angle de coupe positif : Un angle de coupe positif (typiquement 10 à 15 °) réduit les forces de coupe et la chaleur générée.
• Angle de dépouille suffisant : Un angle de dépouille de 10 à 15 ° empêche l'outil de frotter contre la surface de la pièce, ce qui réduit la chaleur.
• Nombre de dents faible : Pour les fraises, un nombre de dents de 2 à 4 est recommandé. Un nombre de dents plus élevé augmente la fréquence de coupe, ce qui génère plus de chaleur.

Matériau des outils

Les outils en carbure monobloc revêtu de diamant (DLC) sont les plus adaptés pour l'usinage du POM. Le DLC réduit le frottement entre l'outil et la pièce, ce qui réduit la chaleur générée et empêche le collage des copeaux. Pour des opérations de dégrossissage sur du POM non chargé, des outils en carbure non revêtu peuvent être utilisés, mais leur durée de vie sera plus courte.

Adaptation aux machines Gree CNC

Les machines Gree CNC peuvent être adaptées à l'usinage du POM en fonction de leurs caractéristiques :

• Machines à haute vitesse : Les centres d'usinage verticaux GA-DV750 (vitesse maximale 30 000 tr/min) et les centres de perçage-taraudage GA-VT445 (vitesse maximale 30 000 tr/min) sont adaptés pour des opérations de finition ou des pièces de petite taille, car ils peuvent atteindre des vitesses de coupe élevées tout en maintenant une précision.
• Machines à couple élevé : Les centres d'usinage verticaux GA-MV856 (couple maximal 95,5 Nm) et les centres d'usinage à 5 axes GA-UHD500 (couple maximal 130 Nm) sont adaptés pour des opérations de dégrossissage ou des pièces de grande taille, car ils peuvent supporter des forces de coupe plus élevées sans perdre de précision.

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

L'usinage du POM est sensible à plusieurs modes de défaillance, qui peuvent être évités ou corrigés avec des ajustements appropriés.

Fusion localisée

• Reconnaissance : Des copeaux fondus qui se collent à la surface de la pièce ou de l'outil, des bavures sur les arêtes de la pièce, une finition de surface rugueuse.
• Causes : Vitesse de coupe trop élevée, avance trop faible, arête de coupe émoussée, refroidissement insuffisant.
• Solutions : Réduire la vitesse de coupe de 20 à 30 %, augmenter l'avance par dent de 0,05 à 0,1 mm/dent, remplacer l'outil si l'arête est émoussée, utiliser un refroidissement par air comprimé ou par émulsion.

Déformation par contrainte

• Reconnaissance : La pièce se déforme après l'usinage, même si les paramètres de coupe sont corrects. La déformation est souvent plus importante sur les pièces de grande taille ou les pièces avec des parois minces.
• Causes : Contraintes résiduelles accumulées dans le matériau pendant sa fabrication, déformation par serrage, déformation par chaleur.
• Solutions :
  1. Relâchement des contraintes : Soumettre la pièce à un traitement thermique de relâchement des contraintes avant l'usinage : chauffer la pièce à 120 °C pendant 2 à 4 heures, puis la laisser refroidir lentement à température ambiante. Ce traitement réduit les contraintes résiduelles de 70 à 80 %.
  2. Serrage adapté : Utiliser des pinces à serrage doux ou des supports de serrage pour réduire la pression de serrage. Pour les pièces de grande taille, utiliser un serrage par points plutôt qu'un serrage continu.
  3. Réduction de la chaleur : Ajuster les paramètres de coupe pour réduire la chaleur générée, comme décrit précédemment.

Bavures

• Reconnaissance : Des excès de matière sur les arêtes de la pièce, qui peuvent être de taille variable selon l'opération.
• Causes : Fusion localisée, arête de coupe émoussée, vitesse de coupe trop élevée, avance trop faible.
• Solutions : Réduire la vitesse de coupe, augmenter l'avance par dent, remplacer l'outil, utiliser un outil avec une arête de coupe tranchante.

Usure rapide de l'outil

• Reconnaissance : L'outil perd sa performance après seulement quelques pièces, la qualité de la coupe se dégrade rapidement.
• Causes : POM chargé de fibres de verre, arête de coupe émoussée, vitesse de coupe trop élevée, manque de refroidissement.
• Solutions : Réduire la vitesse de coupe de 20 à 30 % pour le POM chargé, utiliser des outils en carbure revêtu de DLC, remplacer l'outil régulièrement, utiliser un refroidissement par air comprimé.

Limites honnêtes : où ce matériau ou ce processus est un mauvais choix

L'usinage du POM est un processus efficace pour de nombreuses applications, mais il présente des limites importantes dans les cas suivants :

Pièces de très grande taille avec des parois très minces

Le POM est sensible à la déformation par contrainte, même après un traitement de relâchement des contraintes. Pour des pièces de plus de 1 m de long avec des parois de moins de 2 mm d'épaisseur, la déformation après usinage est souvent inévitable, même avec des paramètres de coupe optimisés. Dans ce cas, le moulage par injection est un processus plus adapté, car il permet de produire des pièces avec des contraintes résiduelles plus faibles.

Applications nécessitant une résistance à la chaleur élevée

Le POM fond à 165-175 °C et se dégrade à des températures supérieures à 200 °C. Pour des applications où la pièce est exposée à des températures supérieures à 120 °C en continu, le POM n'est pas un matériau adapté. Des matériaux comme le PEEK ou le polyimide sont préférés dans ce cas.

Production de masse de pièces simples

L'usinage du POM est un processus flexible, mais il est plus coûteux que le moulage par injection pour la production de masse de pièces simples. Pour des séries de plus de 10 000 pièces, le moulage par injection est généralement plus économique, car il permet de produire des pièces avec des tolérances serrées à un coût par pièce plus faible.

Pièces nécessitant une résistance aux chocs à basse température

Le POM devient fragile à des températures inférieures à -40 °C. Pour des applications où la pièce est exposée à des températures inférieures à -40 °C, le POM n'est pas un matériau adapté. Des matériaux comme le polyéthylène ou le polypropylène sont préférés dans ce cas.

Tableau des paramètres et du dépannage

Checklist pratique pour la mise en place du travail

Avant de commencer l'usinage du POM, vérifiez les points suivants pour garantir la qualité de la production :

1. Vérifiez le matériau : Confirmez si le POM est homopolymère ou copolymère, et s'il est chargé de fibres de verre ou d'autres charges. Ajustez les paramètres de coupe en conséquence.
2. Appliquez le traitement de relâchement des contraintes : Pour des pièces de plus de 300 mm de long ou des pièces avec des parois minces, soumettez la pièce à un traitement de relâchement des contraintes avant l'usinage.
3. Vérifiez l'outil : Assurez-vous que l'outil a une arête de coupe tranchante (rayon < 0,02 mm), un angle de coupe de 10-15 ° et un angle de dépouille de 10-15 °. Utilisez un outil en carbure revêtu de DLC pour de meilleures performances.
4. Ajustez le serrage : Utilisez des pinces à serrage doux ou des supports de serrage pour réduire la pression de serrage. Pour les pièces de grande taille, utilisez un serrage par points.
5. Définissez les paramètres de coupe : Commencez par des paramètres conservateurs (Vc = 150 m/min, fz = 0,1 mm/dent) pour des opérations de dégrossissage, et ajustez-les en fonction du comportement du matériau.
6. Mettez en place le refroidissement : Utilisez un refroidissement par air comprimé ou par émulsion pour évacuer la chaleur de la zone de coupe.
7. Vérifiez la machine : Assurez-vous que la machine est adaptée à l'opération : utilisez une machine à haute vitesse pour des opérations de finition et une machine à couple élevé pour des opérations de dégrossissage.

FAQ

1. Le POM peut-il être usiné sur une machine CNC standard ? Oui, le POM peut être usiné sur la plupart des machines CNC standard, à condition d'ajuster les paramètres de coupe et la géométrie des outils. Les machines à haute vitesse comme la GA-DV750 ou les machines à couple élevé comme la GA-MV856 sont particulièrement adaptées.

2. Quelle est la tolérance dimensionnelle que l'on peut obtenir avec l'usinage du POM ? Avec des paramètres de coupe optimisés et un traitement de relâchement des contraintes, on peut obtenir des tolérances dimensionnelles de ± 0,01 mm pour des pièces de petite taille (moins de 300 mm de long). Pour des pièces de grande taille, les tolérances sont généralement de ± 0,05 mm.

3. Le POM chargé de fibres de verre est-il plus difficile à usiner que le POM non chargé ? Oui, le POM chargé de fibres de verre est plus difficile à usiner car les fibres de verre sont abrasives et provoquent une usure rapide des outils. Il faut réduire les vitesses de coupe de 20 à 30 % et utiliser des outils en carbure revêtu de DLC pour améliorer la durée de vie des outils.

4. Est-il nécessaire d'utiliser du liquide de refroidissement pour usiner le POM ? Non, du refroidissement par air comprimé est généralement suffisant pour l'usinage du POM. Le liquide de refroidissement peut être utilisé pour des opérations de coupe profonde ou pour du POM chargé de fibres de verre, mais il faut s'assurer que le liquide est compatible avec le POM pour éviter toute dégradation du matériau.

5. Peut-on usiner du POM avec des outils en acier rapide (HSS) ? Oui, mais la durée de vie des outils sera très courte. Les outils en HSS s'usent rapidement avec le POM, surtout avec le POM chargé de fibres de verre. Il est recommandé d'utiliser des outils en carbure monobloc revêtu de DLC pour de meilleures performances et une durée de vie plus longue.

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