Atteindre et mesurer la finition de surface en usinage CNC

Ce qu’est la finition de surface en usinage

La finition de surface est l’ensemble des caractéristiques géométriques d’une surface usinée, incluant sa rugosité, sa planéité, sa circularité et sa résistance à la fatigue. En usinage CNC, elle est définie par deux paramètres clés :

• Ra (Rugosité moyenne arithmétique) : Moyenne des écarts absolus entre le profil de la surface et une ligne moyenne de référence, mesurée sur une longueur de référence. C’est le paramètre le plus utilisé pour spécifier des exigences de qualité, car il est facile à mesurer et à interpréter.
• Rz (Rugosité moyenne des pics et des creux) : Moyenne de la distance entre les cinq pics les plus hauts et les cinq creux les plus profonds du profil de la surface, mesurée sur une longueur de référence. Il est plus sensible aux défauts ponctuels (rayures, éclats) et est préféré pour des applications où la résistance à la fatigue ou l’étanchéité sont critiques.

La finition de surface dépend de trois catégories de facteurs : les propriétés du matériau usiné, les paramètres d’usinage et les caractéristiques de la machine-outil.

Comportement de la surface sous l’outil

Lors de l’usinage, la surface usinée est le résultat de l’interaction entre l’outil et le matériau, qui génère des forces, de la chaleur et des mécanismes d’usure spécifiques :

• Forces de coupe : Elles varient en fonction de la dureté du matériau, de la profondeur de passe et de la vitesse d’avance. Des forces trop élevées peuvent déformer la pièce ou l’outil, générant des écarts de géométrie et une finition dégradée.
• Chaleur de coupe : Elle est générée par la déformation plastique du matériau et le frottement entre l’outil et la surface usinée. Une chaleur excessive peut causer une dégradation thermique de la surface (trempe, décarburation) ou une usure rapide de l’outil.
• Formation des copeaux : La nature du copeau (continu, segmenté, discontinu) dépend du matériau et des paramètres d’usinage. Des copeaux segmentés ou discontinus peuvent causer des vibrations et des rayures sur la surface.
• Mécanismes d’usure de l’outil : L’usure du tranchant (usure par abrasion, adhésion, diffusion) modifie progressivement la géométrie de l’outil, ce qui se traduit par une dégradation de la finition de surface au fil du temps.

Paramètres pratiques et compromis

Les paramètres d’usinage les plus influents sur la finition de surface sont la vitesse de coupe, la vitesse d’avance, le rayon de nez de l’outil et la profondeur de passe. Voici les plages pratiques et les compromis associés :

Vitesse de coupe

La vitesse de coupe (Vc) est la vitesse relative entre l’outil et la surface de la pièce, exprimée en mètres par minute (m/min).

• Plages pratiques :
  • Matériaux tendres (aluminium, laiton) : 100 à 500 m/min
  • Matériaux moyennement durs (acier doux, acier inoxydable austénitique) : 50 à 200 m/min
  • Matériaux durs (acier trempé, titane) : 20 à 100 m/min
• Compromis : Une vitesse de coupe élevée réduit la formation de bavures et améliore la finition, mais augmente la chaleur de coupe et l’usure de l’outil. Elle nécessite également une machine-outil capable de maintenir des vitesses de rotation élevées : par exemple, le centre d’usinage vertical GA-DV750 (30 000 tr/min max) ou le centre de perçage-taraudage GA-VT540 (20 000 tr/min max) sont adaptés pour des vitesses de coupe élevées, tandis que le centre d’usinage vertical GA-MV856 (12 000 tr/min max) est préféré pour des matériaux durs nécessitant des vitesses plus faibles et un couple plus élevé.

Vitesse d’avance

La vitesse d’avance (f) est la distance parcourue par l’outil par tour de broche, exprimée en millimètres par tour (mm/tr). Elle est le paramètre le plus influent sur la finition de surface.

• Plages pratiques :
  • Finition de haute qualité (Ra < 0,8 µm) : 0,05 à 0,15 mm/tr
  • Finition standard (Ra 0,8 à 3,2 µm) : 0,15 à 0,3 mm/tr
  • Ébauche ou semi-finition (Ra > 3,2 µm) : 0,3 à 0,5 mm/tr
• Compromis : Une vitesse d’avance faible améliore la finition, mais augmente le temps de cycle et le risque de vibrations. Pour des vitesses d’avance très faibles, il est nécessaire d’utiliser une machine-outil avec une bonne précision de positionnement : par exemple, le centre d’usinage vertical GA-DV750 (précision de positionnement 0,003 mm) ou le centre d’usinage 5 axes haute précision GA-UHD500 (précision de positionnement 0,006 mm) sont adaptés.

Rayon de nez de l’outil

Le rayon de nez (rε) est le rayon du tranchant de l’outil à son extrémité, exprimé en millimètres (mm).

• Plages pratiques :
  • Finition de haute qualité (Ra < 0,8 µm) : 0,8 à 2 mm
  • Finition standard (Ra 0,8 à 3,2 µm) : 0,4 à 0,8 mm
  • Ébauche ou semi-finition (Ra > 3,2 µm) : 0,2 à 0,4 mm
• Compromis : Un rayon de nez grand améliore la finition, mais augmente les forces de coupe et le risque de vibrations. Il nécessite également une machine-outil avec un couple de broche suffisant : par exemple, le centre d’usinage vertical GA-MV856 (couple max 95,5 Nm) ou le centre d’usinage 5 axes GA-UHD500 (couple max 130 Nm) sont adaptés pour des rayons de nez grands.

Profondeur de passe

La profondeur de passe (ap) est la profondeur de matière enlevée par l’outil, exprimée en millimètres (mm).

• Plages pratiques :
  • Finition de haute qualité : 0,1 à 0,5 mm
  • Finition standard : 0,5 à 1 mm
  • Ébauche ou semi-finition : 1 à 5 mm
• Compromis : Une profondeur de passe faible améliore la finition, mais augmente le temps de cycle.

Ce qui se passe mal : modes de défaillance et solutions

Plusieurs défauts de finition de surface peuvent survenir lors de l’usinage. Voici les plus courants, leurs causes et leurs solutions :

1. Rayures ou éclats sur la surface

   • Causes : Copeaux mal évacués, usure de l’outil, vibrations, contamination de la surface par des particules abrasives.
   • Solutions : Améliorer l’évacuation des copeaux (utiliser un outil avec des canaux de lubrification internes, augmenter la pression du liquide de coupe), remplacer l’outil usé, réduire la vitesse d’avance ou augmenter la vitesse de coupe, utiliser un liquide de coupe filtré.

2. Vibrations ou marques de vibration sur la surface

   • Causes : Rigidité insuffisante de la machine, de l’outil ou de la pièce, vitesse de coupe ou vitesse d’avance trop élevée, rayon de nez trop grand, couple de broche insuffisant.
   • Solutions : Augmenter la rigidité (utiliser un porte-outil plus court, augmenter le nombre de points de fixation de la pièce), réduire la vitesse de coupe ou la vitesse d’avance, réduire le rayon de nez, utiliser une machine-outil avec un couple de broche plus élevé (par exemple, GA-MV856 ou GA-UHD500).

3. Dégradation thermique de la surface

   • Causes : Vitesse de coupe trop élevée, liquide de coupe insuffisant ou mal adapté, profondeur de passe trop grande.
   • Solutions : Réduire la vitesse de coupe, augmenter la quantité de liquide de coupe ou utiliser un liquide de coupe avec de meilleures propriétés de refroidissement, réduire la profondeur de passe.

4. Finition de surface dégradée au fil du temps

   • Causes : Usure progressive de l’outil, dérive thermique de la machine.
   • Solutions : Remplacer l’outil avant que son usure ne dépasse un seuil acceptable (généralement 0,1 mm d’usure du tranchant), mettre en place un système de compensation thermique de la machine, utiliser une machine-outil avec une bonne stabilité thermique (par exemple, GA-DV750 ou GA-UHD500).

Limites honnêtes

La finition de surface en usinage CNC présente des limites inhérentes à la technologie et aux matériaux :

• Limites liées au matériau : Certains matériaux (par exemple, les composites à fibres de carbone, les céramiques) sont difficiles à usiner avec une finition de surface de haute qualité, car ils sont abrasifs et génèrent des copeaux qui causent des rayures.
• Limites liées à la géométrie de la pièce : Des surfaces complexes (par exemple, des cavités profondes, des parois fines) sont difficiles à usiner avec une finition de surface de haute qualité, car il est difficile d’utiliser des outils de grande taille ou d’évacuer les copeaux.
• Limites liées à la machine-outil : Des machines-outils avec une précision de positionnement ou une répétabilité insuffisante ne peuvent pas atteindre des finitions de surface de haute qualité. Par exemple, le centre d’usinage 5 axes GA-FMB3020D (précision de positionnement 0,035 mm) ne peut pas atteindre une finition de surface Ra < 0,8 µm.
• Compromis entre finition et productivité : Atteindre une finition de surface de haute qualité (Ra < 0,8 µm) nécessite des paramètres d’usinage faibles, ce qui augmente le temps de cycle et réduit la productivité. Pour des applications où la productivité est plus importante que la finition de surface, il est préférable de spécifier une finition de surface plus élevée.

Tableau des paramètres et dépannage

Checklist pratique pour la mise en place de la tâche

1. Définir les exigences de finition de surface : Spécifier Ra ou Rz en fonction de l’application (résistance à la fatigue, étanchéité, esthétique).
2. Choisir la machine-outil adaptée : Sélectionner une machine avec une précision de positionnement et une répétabilité suffisantes, un couple de broche adapté et une vitesse de rotation maximale suffisante.
3. Choisir l’outil adapté : Sélectionner un outil avec un rayon de nez adapté à la finition souhaitée, un matériau de tranchant adapté au matériau usiné et une géométrie adaptée à l’évacuation des copeaux.
4. Définir les paramètres d’usinage : Définir la vitesse de coupe, la vitesse d’avance et la profondeur de passe en fonction du matériau, de l’outil et de la machine.
5. Mettre en place le système de fixation de la pièce : Assurer une rigidité suffisante de la fixation pour éviter les vibrations.
6. Mettre en place le système de liquide de coupe : Utiliser un liquide de coupe adapté au matériau et à l’outil, avec une pression et un débit suffisants.
7. Réaliser un essai d’usinage : Usiner une pièce d’essai, mesurer la finition de surface et ajuster les paramètres d’usinage si nécessaire.
8. Mettre en place un système de contrôle de la qualité : Contrôler la finition de surface des pièces produites à intervalles réguliers pour détecter toute dégradation.

FAQ

1. Quelle est la différence entre Ra et Rz, et lequel dois-je utiliser ? Ra est la rugosité moyenne arithmétique, facile à mesurer et à interpréter, adaptée pour des spécifications générales. Rz est la rugosité moyenne des pics et des creux, plus sensible aux défauts ponctuels, adaptée pour des applications où la résistance à la fatigue ou l’étanchéité sont critiques. Utilisez Ra pour des applications standard et Rz pour des applications critiques.

2. Quelle est la finition de surface la plus fine que je puisse atteindre avec une machine-outil CNC ? La finition de surface la plus fine que vous puissiez atteindre dépend de la machine-outil, de l’outil et du matériau. Avec une machine-outil de haute précision (par exemple, GA-UHD500), un outil de haute qualité et un matériau adapté, vous pouvez atteindre une finition de surface Ra < 0,2 µm.

3. Comment mesurer la finition de surface ? La finition de surface est mesurée à l’aide d’un rugosimètre, qui déplace un palpeur sur la surface de la pièce pour mesurer son profil. Il existe également des méthodes optiques de mesure de la finition de surface, qui sont plus rapides et non destructives.

4. Est-ce que la vitesse de rotation de la broche affecte la finition de surface ? Oui, la vitesse de rotation de la broche affecte la finition de surface, car elle détermine la vitesse de coupe. Une vitesse de rotation de la broche trop faible peut causer une finition de surface rugueuse, tandis qu’une vitesse de rotation trop élevée peut causer des vibrations ou une usure rapide de l’outil.

5. Comment améliorer la finition de surface sans augmenter le temps de cycle ? Vous pouvez améliorer la finition de surface sans augmenter le temps de cycle en utilisant un outil avec un rayon de nez plus grand, en augmentant la vitesse de coupe tout en réduisant la vitesse d’avance proportionnellement, ou en utilisant une machine-outil plus rapide et plus précise.

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