Usinabilité des matériaux : comprendre son importance et les moyens de l'améliorer

Qu'est-ce que l'usinabilité d'un matériau ?

L'usinabilité fait référence à la qualité d'un matériau qui le rend facile ou difficile à couper, façonner ou finir avec n'importe quel processus d'usinage. Un matériau est plus usinable lorsqu’il est coupé avec une vitesse de coupe normale et une puissance minimale sans déformer la zone de coupe. En revanche, un matériau présente une mauvaise usinabilité lorsqu’il nécessite plus d’efforts et des forces de coupe élevées, ce qui entraîne davantage de déformations. Cette propriété s'applique à tous les matériaux d'usinage CNC, même si elle est souvent utilisée pour les métaux.

L'utilisation d'un matériau présentant une usinabilité améliorée est plus bénéfique car elle permet d'obtenir de meilleures pièces avec moins de déformation, des tolérances serrées et un excellent état de surface. Ces matériaux facilitent également des délais de livraison plus rapides car ils facilitent une production rapide des articles. À long terme, l'utilisation de matériaux ayant une bonne usinabilité réduit l'usure rapide des outils et garantit une durée de vie prolongée des outils de coupe, réduisant ainsi les coûts d'usinage CNC pour votre projet.

Que signifient les notes d’usinabilité ?

Les indices d'usinage ou indice d'usinabilité sont une méthode standard utilisée pour quantifier l'usinabilité d'un matériau. Cette note fait référence à une valeur relative déterminée à partir des tests du matériau. Bien que des facteurs physiques tels que la résistance à la traction, la dureté et les propriétés thermiques d'un matériau puissent indiquer son usinabilité approximative, les tests d'usinabilité sont le seul moyen d'en être certain. Selon un système d'évaluation de l'usinabilité créé par l'American Iron and Steel Institute (AISI), les matériaux usinés par tournage CNC ainsi que l'état de surface, la vitesse et la durée de vie de l'outil sont comparés au matériau de référence, l'acier 160 Brinell B1112.

Les indices d'usinabilité sont similaires aux échelles de température Fahrenheit et Celsius de manière à ce que les valeurs sélectionnées au hasard reflètent le point de référence. La ligne de base est fixée autour de 0 ºF et 0 ºC sur ces échelles de température. L'acier de décolletage AISI B1112 est la référence avec une usinabilité de 100% selon la méthode d'essai AISI. Ainsi, tout matériau qui s’usine facilement et plus rapidement que l’acier B1112 atteint une valeur supérieure à 100 %. À l’inverse, les matériaux plus durs à usiner et plus longs à usiner ont une note inférieure à 100 %.

Par exemple, l'aluminium SAE 6061 présente un indice d'usinabilité de 270 %, tandis que le titane ASTM Grade 5 (Ti-6Al-4v), difficile à usiner, a une usinabilité d'environ 17 %. Néanmoins, ces notes constituent une ligne directrice pour indiquer la difficulté ou la facilité relative d’usinage d’un matériau. Cependant, les concepteurs de produits et les machinistes peuvent rendre l’usinage des matériaux plus efficace d’une certaine manière.

Méthodes courantes pour améliorer l'usinabilité d'un matériau

Les métaux sont souvent caractérisés par des propriétés physiques fixes telles que le module d'élasticité, la dilatation thermique et la conductivité thermique. Cependant, vous pouvez les rendre plus usinables en modifiant l'état de la pièce et le processus d'usinage. Lorsqu'un alliage métallique plus usinable est incompatible avec l'application prévue, la seule option est de trouver un moyen d'améliorer l'usinabilité du matériau.

Les traitements thermiques et d'écrouissage appliqués à un matériau lors des premières étapes de sa production peuvent considérablement compliquer son usinage. Il est donc recommandé de reporter autant que possible tous les procédés de fabrication et traitements susceptibles d'entraîner un durcissement du matériau après l'usinage. Si ce report est impossible, il convient d'envisager un recuit de la pièce avant usinage afin d'adoucir le matériau et de réduire les contraintes internes.

Vous pouvez réduire efficacement les temps de production en tirant parti d’équipements spéciaux tels que l’usinage par électroérosion par fil dans un atelier CNC. Les machines-outils fabriquées à partir de différents matériaux ou géométries d'outils peuvent s'adapter à des vitesses de coupe plus élevées et garantir une durée de vie prolongée de l'outil.

De plus, vous pouvez améliorer au mieux l’efficacité de l’usinage sans changer de pièce au cas par cas. Par exemple, les propriétés mécaniques des thermoplastiques entraînent leur difficulté d’usinage. Comme ils sont mous, ils fondent ou se collent souvent à l'outillage. Cependant, pensez à contrôler la température avec des liquides de refroidissement spéciaux et à modifier les paramètres d'usinage pour améliorer efficacement l'usinabilité si vous ne pouvez pas passer à un matériau ayant une usinabilité plus élevée.

Facteurs affectant l'usinabilité

Plusieurs facteurs contribuent à l’usinabilité d’un matériau, le rendant relativement facile ou difficile à usiner. Voici quelques-uns de ces facteurs courants qui influencent l’usinabilité :

Dureté du matériau

Bien que la composition chimique d'un matériau influence souvent sa dureté, les matériaux présentant une dureté élevée posent souvent problème. Ils ralentissent les opérations de coupe, nécessitent des forces de coupe plus importantes et accélèrent l’usure du matériau des outils de coupe. Par conséquent, les niveaux de dureté d’un matériau doivent être examinés lors de la sélection.

Liquide de refroidissement et lubrifiant

Le fluide de coupe joue un rôle important dans l’usinabilité d’un matériau. L'utilisation de lubrifiants appropriés et des vitesses de coupe plus lentes peuvent réduire la chaleur et la friction entre la pièce à usiner et les outils de coupe, améliorant ainsi le taux d'enlèvement de matière et garantissant une durée de vie plus longue de l'outil.

Méthode d'usinage

Les procédés d'usinage CNC , tels que le fraisage, le perçage, la rectification et le tournage, influent différemment sur l'usinabilité des matériaux. Selon les propriétés du matériau et le résultat d'usinage souhaité, certains matériaux se prêtent mieux à certains procédés d'usinage que d'autres. Par exemple, la rectification est plus adaptée au travail des matériaux fragiles que le tournage, en raison de leur dureté élevée et de leur faible ductilité.

Résistance à la traction

Plus la résistance à la traction du matériau est élevée, plus son usinage est complexe. Les matériaux ayant une résistance à la traction plus élevée ont une consommation d'énergie plus élevée car ils sont très résistants à la déformation et nécessitent une vitesse de coupe élevée.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques d’un matériau sont un autre facteur critique pour déterminer s’il est relativement facile ou non à usiner. La manière dont les matériaux dissipent la chaleur diffère. Certains matériaux ramollissent et collent la machine-outil car ils ne supportent pas la chaleur.

Matériaux typiques avec une excellente usinabilité

Remarque : Les indices d'usinabilité des matériaux provenant de différents pays peuvent varier légèrement en raison de différences subtiles dans la fabrication et la composition.

Certains matériaux sont couramment utilisés pour différentes applications car ils sont facilement façonnés et formés à l’aide de divers processus. Voici d'autres matériaux usinables :

Acier

Bien que l'usinage de l'acier soit relativement plus complexe que celui des alliages d'aluminium, les aciers à teneur modérée en carbone, comme l'acier inoxydable 303, sont faciles à usiner. Les aciers à haute teneur en carbone sont des matériaux relativement durs et difficiles à couper, tandis que les aciers à faible teneur en carbone sont collants. Cependant, l'ajout de plomb peut améliorer l'usinabilité de l'acier et favoriser la formation de copeaux. Le soufre est un autre élément qui contribue à améliorer l'usinabilité de l'acier.

Aluminium

L'aluminium est l'un des rares matériaux présentant une usinabilité exceptionnelle et une conductivité thermique élevée. Il est relativement facile à usiner et économique. L'aluminium 6061 est un alliage d'aluminium couramment utilisé pour l'usinage. Les alliages 2011 et 8280, moins fréquents, offrent également une usinabilité remarquable. Ils produisent des copeaux très fins et un état de surface supérieur.

Les matières plastiques

Les thermoplastiques sont relativement difficiles à usiner car les outils CNC génèrent de la chaleur, ce qui provoque une déformation du plastique et son adhérence à l'outil. Cependant, l'ABS, le nylon, le Delrin et l'acrylique sont des plastiques typiques présentant les meilleures propriétés d'usinabilité. Ils sont idéaux pour les pièces usinées exigeant des tolérances serrées et un bon état de surface.

Autres métaux

Les alliages de laiton, de magnésium et de cuivre sont des exemples typiques d'autres métaux usinables. Les alliages de laiton sont des matériaux souples dotés d’une bonne résistance à la traction. Le cuivre présente une grande conductivité électrique ainsi qu’un bon niveau d’usinabilité. Les alliages de magnésium sont des matériaux légers. Bien qu’ils ne soient pas aussi robustes que l’aluminium, ils présentent une bonne usinabilité et conviennent aux applications à faible densité.

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L'usinabilité d'un matériau est un indicateur significatif du temps et du coût nécessaires à la fabrication d'une pièce à partir de celui-ci. L'usinage fonctionne différemment pour chaque matériau, car le processus implique l'utilisation d'une machine-outil puissante pour couper ou façonner le matériau afin d'obtenir la finition de surface, la précision dimensionnelle et la durée de vie de l'outil souhaitées. Tout comprendre sur l'usinabilité d'un matériau peut garantir de meilleurs résultats d'usinage.

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