Usinage grande vitesse

Aujourd'hui, on se pose de nombreuses questions, plus ou moins compliquées sur l'UGV et on voit fleurir de nombreuses définitions. Nous allons aborder ici ce sujet de façon simple et d'un point de vue pratique. Cet article est pour moi l'occasion de me lancer dans un nouveau projet, qui consiste à rédiger mon propre exposé sur ce domaine. Une partie des informations que vous trouverez ici proviennent d'articles rédigés par la société Sandvik Coromant et traitant de l'UGV dans le domaine du moule. Les valeurs et données présentes dans ces articles proviennent soit d'expérimentation personnelles ou de  documents issues de mes recherches sur le web. Elles sont données à titre indicatif et ne peuvent en aucun cas être considéré comme des informations totalement fiables.

Définition de l'UGV

Le terme d'Usinage Grande Vitesse (UGV) fait souvent référence à l'usinage avec vitesses de broche et avances élevées. Il peut s'agir par exemple d'usinage dans des structures d'avion en aluminium avec d'importants débits copeaux. On utilise cette technique dans une large gamme de matériaux à usiner, métalliques ou non, y compris pour la production de pièces ayant des exigences d'état de surface spécifiques ou pour des matériaux d'une dureté de 50 HRC ou plus.

Dans les domaines de l'outillage, la plupart des pièces en acier étant trempées à environ 32-42 HRC, les opérations rencontrées le plus souvent sont les suivantes :

Pour de nombreuses pièces à usiner, le processus de production implique une combinaison de ces différentes opérations et dans le cas des moules et matrices, il comprend également une longue finition manuelle. Il en résulte des coûts de production souvent élevés et des en-cours importants. De plus ces opérations de polissage nécessitent un personnel hautement qualifié. Personnel qu'il n'est pas toujours facile de trouver. Avec des cycles de formation longs.

L'industrie des moules et matrices se caractérise souvent par la production d'un nombre limité de pièces de même type, voire une production à l'unité. La conception de ces pièces est soumise à des changements perpétuels et, de ce fait, il est souvent nécessaire de procéder à modifications de dernière minute voir à des réusinage complet de certaines parties.

Le principal critère est la qualité de la matrice ou du moule en matière de précision dimensionnelle, géométrique et état de surface. Si le niveau de qualité après usinage est faible et s'il ne répond pas aux critères imposés, il faudra avoir recours à une finition manuelle. Cette dernière engendre un état de surface satisfaisant mais a toujours un impact négatif sur la précision dimensionnelle et géométrique. Un des principaux objectifs de l'industrie des moules et matrices a toujours été de réduire, voire d'éliminer, le recours au polissage manuel et par là d'améliorer la qualité et de diminuer les coûts de production et les en-cours.

Principaux facteurs économiques et techniques pour le développement de l'UGV

Concurrence - la concurrence toujours plus vive sur le marché ne cesse de faire évoluer les normes de qualité. Les exigences en matière de réduction des temps et des coûts sont toujours plus élevées. Ceci a donné naissance à de nouveaux processus et techniques de production parmi lesquels l'UGV.

Matières à usiner - le développement de nouvelles matières, plus difficiles à usiner, a mis en évidence la nécessité de trouver de nouvelles méthodes d'usinage. L'industrie aéronautique travaille de nombreux alliages d'aciers inoxydables et matériaux réfractaires. L'industrie automobile usine différents composés bimétalliques, de la fonte CGI et un volume croissant de pièces en aluminium. L'industrie des moules et matrices doit, quant à elle, résoudre le problème de l'usinage des aciers à outils fortement trempés, de l'ébauche à la finition.

Qualité - la demande pour une qualité de pièces toujours plus élevée. S'il est correctement mis en oeuvre, l'UGV offre à cet égard de nombreuses solutions. Il permet, entre autres, l'élimination de la finition manuelle des pièces qui est particulièrement importante sur les moules et matrices ainsi que sur les pièces à géométrie 3D complexe.

Processus - l'UGV permet dans une large mesure de satisfaire les exigences en matière de réduction des temps de production grâce à une réduction du nombre de montages nécessaires et une simplification du flux dans l'atelier. Un des principaux objectifs de l'industrie des moules et matrices est de réaliser l'usinage complet de petits outils trempés à coeur en un seul montage. Les opérations d'électro-érosion longues et coûteuses peuvent ainsi être considérablement réduites ou éliminées, grâce à l'UGV

Conception et développement - un des principaux outils de marketing utilisé aujourd'hui sur un marché très concurrentiel consiste à vendre la nouveauté d'un produit. Une automobile a aujourd'hui une durée de vie moyenne de 4 ans, un ordinateur 1,5 ans, un téléphone 3 mois… Une des conditions préalables à ces changements rapides de design et à des temps de développement courts est la technique de l'UGV.

Produits complexes - Les pièces comportent de plus en plus de surfaces multifonctions. L'évolution aussi des moyens de conception (notamment CAO) produit des pièces de géométrie de plus en plus complexes. Par ailleurs, l'on retrouve de plus en plus des pièces à parois minces à usiner (matériel médical, électronique, pièces informatiques, etc.).

Equipement de production - le développement incessant des matériaux de coupe, des attachements, des machines - outils, des commandes machines et, plus particulièrement, des caractéristiques et équipements CAO/FAO, ont ouvert de nouvelles possibilités qui doivent donner naissance à de nouvelles méthodes et techniques de production.

Définition initiale de l'UGV

Un certain M. Salomon démontra par un brevet allemand déposé en 1931 « qu'à partir d'une certaine vitesse de coupe (de 5 à 10 fois supérieure à celles utilisées en usinage conventionnel) la température au niveau de l'arête de coupe commence à diminuer … » Et il arriva à la conclusion que cette constatation semblait «donner une chance de pouvoir augmenter la productivité de l'usinage avec outils conventionnels et vitesses de coupe élevées… ». La recherche moderne n'a malheureusement pas été en mesure de vérifier pleinement cette théorie. On a pu en effet constater une baisse relative de la température au niveau de l'arête de coupe à partir de certaines vitesses de coupe dans diverses matières. Cette baisse est faible dans les aciers et les fontes et plus importante dans l'aluminium et autres matériaux non ferreux. La définition de l'UGV se base donc sur d'autres facteurs.

Définition actuelle de l'UGV

Les discussions autour de l'UGV se caractérisent par une certaine confusion. Les opinions sont variées, les idées reçues aussi et il existe de nombreuses définitions différentes. Pour n'en citer que quelques unes, l'UGV est définit comme étant:

Principaux domaines d'application de l'UGV

Fraisage de cavités.

Il est possible d'avoir recours à l'UGV (Usinage Grande Vitesse) dans les aciers à outils hautement alliés jusqu'à 60-63 HRc.
Lorsqu'on fraise des cavités dans des matières aussi dures, il est capital de choisir les outils et les attachements adéquats pour chaque opération : ébauche, semi-finition et finition. Pour que l'opération soit performante, il est également très important d'utiliser des trajectoires d'outils, des conditions de coupe et une stratégie de coupe optimisées.

Moules de coulée sous pression

C'est un domaine où l'UGV peut être utilisé de façon productive car la plupart de ces moules sont en acier à outils très difficile à usiner et sont de taille moyenne ou petite. Nombre de ces moules présentent des cavités relativement profondes ce qui nécessite une très bonne planification des trajectoires d'outils en général et des entrées et sorties de pièces. Pour ces moules, on utilise souvent des outils pour usinage léger de petits diamètres avec longs porte- à-faux.

Moules à injection et moules à extrusion

Ils conviennent également à l'UGV, en particulier du fait de leur petite taille (en général) qui permet de réaliser toutes les opérations (de l'ébauche à la finition) en un seul montage, de façon économique.

Fraisage d'électrodes en graphite et cuivre.

Domaine de prédilection pour l'UGV. Le graphite peut être usiné de façon productive avec des fraises en carbure monobloc revêtu de diamant ou de TiCN. La tendance actuelle est à la réduction de la fabrication d'électrodes et de l'emploi d'électroérosion et à l'augmentation du débit copeaux avec l'UGV.

Maquettes et prototypes de moules et matrices.

Matières faciles à usiner comme matériaux non ferreux, aluminium, LAB, etc. Les vitesses de coupe sont souvent de l'ordre de 1500 à 5000 m/min, en conséquence de quoi les avances sont également très élevées.

L'UGV est également très souvent utilisé pour la production de :

Objectifs de l'UGV dans le domaine des moules et matrices

Un des principaux objectifs de l'UGV est de réduire les coûts de production grâce à une meilleure productivité, principalement en finition et souvent dans l'acier à outils trempé.
Un autre objectif est d'augmenter la compétitivité d'ensemble grâce à une réduction des en-cours et des délais de livraison. Les principaux facteurs permettant d'y parvenir sont les suivants :


Suite : Mise en oeuvre de l'usinage grande vitesse



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