Découpage de la tôle : Techniques, outils et meilleures pratiques
Avez-vous déjà vu une feuille de métal se transformer en une pièce de machine précise ? Tout commence par la découpe. Des cisailles à l'ancienne aux...
Les matériaux des outils font principalement référence aux matériaux de la partie coupante de l'outil. Leur performance est un facteur crucial qui influe sur la qualité de l'usinage, l'efficacité de la coupe et la durée de vie de l'outil. L'application raisonnable de nouveaux matériaux d'outils peut non seulement améliorer efficacement la productivité, la qualité de l'usinage et les avantages économiques, mais constitue souvent le processus clé pour l'usinage de certains matériaux difficiles à usiner.
I. Exigences de performance pour les matériaux d'outillage
1. Dureté élevée
Les outils doivent enlever la couche de métal de la pièce, de sorte que la dureté du matériau de l'outil doit être supérieure à celle du matériau de la pièce. En général, la dureté à température ambiante des matériaux des outils doit être supérieure à 60 HRC.
2. Haute résistance à l'usure
Les matériaux des outils doivent présenter une résistance élevée à l'usure pour résister à l'usure de la pièce à usiner et des copeaux. Cette performance dépend de la dureté du matériau de l'outil, de sa composition chimique et de sa microstructure.
Plus la dureté du matériau de l'outil est élevée, meilleure est la résistance à l'usure ; plus le matériau de l'outil contient de carbures d'alliage résistants à l'usure, plus les grains sont fins et uniformément répartis, meilleure est la résistance à l'usure.
3. Résistance et robustesse suffisantes
Pendant la coupe, l'outil est soumis à diverses contraintes, impacts et vibrations. Pour éviter l'écaillage et la rupture, le matériau de l'outil doit présenter une résistance et une ténacité suffisantes.
4. Haute résistance à la chaleur
La résistance à la chaleur fait référence à la capacité du matériau de l'outil à conserver sa dureté, sa résistance et sa ténacité à température ambiante dans des conditions de haute température. Elle peut également être exprimée en tant que dureté à chaud ou dureté à haute température. Plus la résistance à la chaleur est bonne, plus le niveau d'usure admissible est élevé. vitesse de coupe dans l'usinage. Il s'agit d'un indicateur clé de la performance du matériau de l'outil.
5. Bonne maniabilité
Pour faciliter la fabrication, les matériaux utilisés pour les outils doivent avoir une bonne aptitude au travail, notamment en ce qui concerne les propriétés d'usinage, de meulage, de forgeage, de soudage et de traitement thermique. En outre, il convient d'utiliser autant que possible des matériaux abondants en ressources et peu coûteux.
II. Types de matériaux pour les outils
Les matériaux pour outils comprennent principalement l'acier à outils (acier à outils non allié et acier à outils allié), l'acier rapide, le carbure cémenté, les matériaux céramiques et les matériaux pour outils super-durs. Leurs principales propriétés physiques et mécaniques sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1 Propriétés physiques et mécaniques de divers matériaux d'outils
| Types de matériaux | Matériau Dureté | Résistance à la flexion du matériau /GPa | Résistance aux chocs des matériaux /(kJ/m2) | Conductivité thermique du matériau /[W/(m-K1)] | Résistance à la chaleur du matériau /℃ | |
| Acier à outils non allié | 60~65HRC 81,2~83,9HRA | 2.45~2.74 | 67.2 | 200~250 | ||
| Acier à outils à haute vitesse | 63~70HRC 83~86.6HRA | 1.96~5.88 | 98~588 | 1.67~25 | 600~700 | |
| Acier à outils allié | 63~66HRC | 2.4 | 41.8 | 300~400 | ||
| Dureté Alliage | YG6 | 89.5HRA | 1.45 | 30 | 79.6 | 900 |
| YT14 | 90.5HRA | 1.2 | 7 | 33.5 | 900 | |
| Céramique | Al2O3 AM | >91HRA | 0.45~0.55 | 5 | 19.2 | 1200 |
| Al2O3+T1C T8 | 93~94HRA | 0.55~0.65 | ||||
| Si3N4 SM | 91~93HRA | 0.75~0.85 | 4 | 38.2 | 1300 | |
| Diamant | Diamant naturel | 10000HV | 0.21~0.49 | 146.5 | 700~800 | |
| Diamant polycristallin Lame en composite | 6500～8000HV | 2.8 | 100～108.7 | 700~800 | ||
| Nitrure de bore cubique | Corps fritté | 6000～8000HV | 1.0 | 41.8 | 1000~1200 | |
| Nitrure de bore cubique Lame composite FD | ≥5000HV | 1.5 | >1000 | |||
1. Acier à outils à haute vitesse
Le nom complet de l'acier à outils à haute vitesse est acier à outils allié à haute vitesse, également connu sous le nom d'acier blanc ou d'acier tranchant.
L'acier à outils rapide est un acier à outils fortement allié contenant une grande quantité d'éléments d'alliage tels que W, Mo, Cr et V ajoutés à l'acier à outils allié. Ces éléments d'alliage forment des carbures de haute dureté avec le carbone, ce qui confère à l'acier à outils rapide une excellente résistance à l'usure.
Les atomes de tungstène et les atomes de carbone ont une forte force de liaison, ce qui augmente la dureté de l'acier à haute température. Le rôle du molybdène est fondamentalement le même que celui du tungstène, et il peut affiner les grains de carbures, réduire l'inégalité des carbures dans l'acier et améliorer la ténacité de l'acier.
L'acier à outils rapide est un matériau d'outillage offrant de bonnes performances globales et la plus large gamme d'applications. Il présente une résistance élevée à la flexion, une bonne ténacité et une dureté de 63~66HRC après traitement thermique. Il est facile à affûter pour obtenir une arête de coupe tranchante, c'est pourquoi il est souvent appelé "acier tranchant" dans la production.
Sa résistance à la chaleur est de 600~660℃, et la vitesse de coupe peut atteindre environ 30m/min lors de la coupe de matériaux en acier au carbone. Il a une bonne aptitude au traitement et peut être utilisé pour fabriquer des outils de forme complexe, tels que des forets, des tarauds, des outils de formage, des broches et des outils d'engrenage. Elle convient également au traitement de divers matériaux tels que l'acier au carbone, l'acier allié, les métaux non ferreux et la fonte.
L'acier à outils rapide peut être divisé en acier à outils rapide ordinaire et en acier à outils rapide haute performance en fonction de la performance de coupe.
(1) Acier à outils ordinaire à haute vitesse
L'acier à outils rapide ordinaire peut être divisé en acier à outils rapide de la série tungstène et en acier à outils rapide de la série tungstène-molybdène.
La première nuance commune d'acier à outils rapides de la série au tungstène est le W18Cr4V, qui présente de bonnes performances globales et une bonne aptitude au meulage. Elle peut être utilisée pour fabriquer divers outils complexes et outils de finition. Toutefois, comme le tungstène est une ressource stratégique importante et que cette nuance contient une forte proportion de tungstène, son application est désormais moins courante et elle a été progressivement abandonnée dans certains pays développés.
La nuance courante de l'acier à outils rapides de la série tungstène-molybdène est W6Mo5Cr4V2, qui présente de bonnes performances globales. En raison du rôle du molybdène, ses carbures sont des particules fines et uniformément réparties, de sorte que sa résistance à la flexion et sa résilience sont supérieures à celles de l'acier à outils rapides de la série au tungstène. Il possède également une bonne thermoplasticité, ce qui le rend adapté à la fabrication d'outils laminés à chaud. Toutefois, ce matériau présente une grande sensibilité à la décarburation, une plage de température de trempe étroite et il est difficile de maîtriser le processus de traitement thermique.
Le W9Mo3Cr4V est un acier à outils à haute vitesse développé indépendamment par la Chine. Sa dureté, sa résistance et sa thermoplasticité sont légèrement supérieures à celles du W6Mo5Cr4V2. Il présente une bonne dureté et une bonne ténacité, il est facile à laminer et à forger, il a une large plage de températures de traitement thermique, une faible sensibilité à la décarburation et un coût plus faible.
(2) Acier à outils à haute performance et à haute vitesse
L'acier à outils à haute performance est un nouveau type d'acier à outils à haute vitesse qui améliore l'acier à outils à haute vitesse ordinaire en ajustant la composition chimique et en ajoutant d'autres éléments d'alliage. Ce type d'acier à outils rapide est principalement utilisé pour couper des matériaux difficiles à usiner tels que les alliages à haute température, les alliages de titane, l'acier à haute résistance et l'acier inoxydable.
Il existe plusieurs types d'acier à outils à haute performance :
1) Acier à outils à haute teneur en carbone
La fraction massique du carbone passe de 0,9% à 1,05%, ce qui entraîne la formation de carbures dans tous les éléments d'alliage de l'acier, améliorant ainsi la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la chaleur de l'acier, mais entraînant une légère diminution de sa résistance et de sa ténacité. La nuance typique est 95W18Cr4V.
2) Acier à outils à haute teneur en vanadium
La fraction de masse de vanadium est augmentée de 3% à 5%, le grade typique étant W6Mo5Cr4V3. En raison de l'augmentation de la teneur en carbure de vanadium, la résistance à l'usure de l'acier à outils rapide est améliorée et il est généralement utilisé pour couper de l'acier à haute résistance. Toutefois, ce type d'acier rapide est plus difficile à affûter que l'acier rapide ordinaire.
3) Acier à outils à haute vitesse au cobalt
L'ajout de cobalt à l'acier à outils rapide améliore sa dureté à haute température et sa résistance à l'oxydation. La nuance type est le W2Mo9Cr4VCo8, qui présente de bonnes performances globales et est très efficace pour l'usinage de matériaux difficiles à usiner, tels que les alliages à haute température et l'acier inoxydable.
4) Acier à outils à haute vitesse en aluminium
L'acier à outils rapide à l'aluminium est un nouveau type d'acier à outils rapide développé uniquement en Chine. En ajoutant une petite quantité d'aluminium à l'acier rapide ordinaire, la résistance à la chaleur et à l'usure de l'acier à outils rapide est améliorée, et ses performances globales sont bonnes.
La nuance type est le W6Mo5Cr4V2Al, qui atteint les performances de coupe de l'acier à outils rapide au cobalt, possède une bonne usinabilité, est peu coûteux et son prix est proche de celui de l'acier à outils rapide ordinaire. Cependant, elle a une mauvaise aptitude à l'affûtage et nécessite des processus de traitement thermique stricts.
À mesure que l'utilisation d'outils complexes de haute précision augmente, le coût de traitement représente une grande partie du coût de l'outil, tandis que le coût du matériau représente une proportion plus faible (15% à 30%). Il est donc économiquement raisonnable d'utiliser des matériaux d'outils à haute performance. Pour les machines-outils telles que les centres d'usinage, où les coûts de changement d'outil sont élevés, il convient d'utiliser encore plus de matériaux d'outils à haute performance.
Les nuances et les principales propriétés mécaniques des aciers à outils à haute vitesse susmentionnés sont indiquées dans le tableau 2.
Tableau 2 Nuances et principales propriétés mécaniques des aciers rapides
| Grade | Dureté à température ambiante HRC | Résistance à la flexion σw /GPa | Résistance aux chocs aK /(MJ/m) | Dureté à haute température HRC | ||
| 500℃ | 600℃ | |||||
| W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 95W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2Co8 W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al | 63~66 63~66 66~68 65~67 66~68 67~69 67~69 67~69 | 3~3.4 3.5~4 3~3.4 3.2 3.0 2.7~3.8 2.9~3.9 3.1~3.5 | 0.18~0.32 0.3~0.4 0.17~0.22 0.25 0.3 0.23~0.3 0.23~0.3 0.2~0.28 | 56 55~56 57 - - ~60 60 59.5 | 48.5 47~48 51 51.7 54 ~55 55 54 | |
2. Alliage dur
L'alliage dur est un produit de la métallurgie des poudres fabriqué par frittage de poudres de carbure de tungstène (WC) et de carbure de titane (TiC) comme composants principaux, et de cobalt (Co), de molybdène (Mo) et de nickel (Ni) comme liants dans un four à vide ou un four de réduction à l'hydrogène.
La dureté de l'alliage dur atteint 89~94HRA, équivalent à 71~76HRC, avec une très bonne résistance à l'usure. La résistance à la chaleur peut atteindre 800~1000℃, et la vitesse de coupe peut atteindre plus de 100m/min lors de la coupe de l'acier au carbone moyen. Cependant, sa résistance à la flexion et sa ténacité sont inférieures à celles de l'acier rapide, et son aptitude au traitement est légèrement inférieure à celle de l'acier rapide.
À l'heure actuelle, l'alliage dur est devenu le principal matériau de coupe, largement utilisé dans divers outils à vitesse de coupe élevée, et même dans des outils complexes, tels que les fraises à surfacer en alliage dur, les fraises en bout, les outils d'alésage, les forets, les alésoirs, etc.
Les performances d'un alliage dur dépendent principalement du type, de la teneur et de la taille des particules des carbures métalliques, ainsi que du type et de la teneur du liant. Dans les alliages durs, une proportion plus élevée de carbures se traduit par une plus grande dureté et une meilleure résistance à l'usure ; une plus grande quantité de liant se traduit par une plus grande résistance à la flexion. En général, la résistance des alliages durs à grains fins est inférieure à celle des alliages durs à gros grains de même composition, tandis que la dureté est supérieure à celle des alliages durs à gros grains.
La norme GB/T 18376.1-2008 classe les alliages durs pour outils de coupe en six catégories : K, P, M, H, S et N, en fonction du matériau traité. Pour répondre aux différentes exigences d'utilisation, ils sont divisés en plusieurs groupes en fonction de leur résistance à l'usure et de leur ténacité, représentées par des nombres à deux chiffres tels que 01, 10, 20, 30, 40, etc.
Le tableau 3 présente la classification, le regroupement et les conditions de travail recommandées pour les trois premières catégories. La catégorie H (H01~H30) est principalement utilisée pour le traitement des matériaux de coupe durs ; la catégorie S (S01~S30) est principalement utilisée pour le traitement des matériaux résistants à la chaleur et des alliages de haute qualité ; la catégorie N (N01~N30) est principalement utilisée pour le traitement des métaux non ferreux et des matériaux non métalliques.
Tableau 3 Classification, regroupement et conditions de travail recommandées pour les alliages durs destinés à la transformation par enlèvement de copeaux
| Groupe | Conditions de travail | Orientation de l'amélioration des performances | ||
| Matières à traiter | Conditions de traitement appropriées | Performance de coupe | Performance de l'alliage | |
| K01 | Fonte, fonte refroidie, fonte malléable à copeaux courts | Tournage, tournage de finition, fraisage, alésage, grattage | ← Vitesse de coupe - Taux d'alimentation → | ← Résistance à l'usure-Résistance → |
| K10 | Fonte d'une dureté Brinell supérieure à 220, fonte malléable à copeaux courts | Tournage, fraisage, alésage, grattage, brochage | ||
| K20 | Fonte grise d'une dureté Brinell inférieure à 220, fonte malléable à copeaux courts | Utilisé pour le tournage, le fraisage, l'alésage, etc. dans l'usinage d'ébauche et de semi-finition à une vitesse de coupe moyenne et sous une charge légère. | ||
| K30 | Fonte, fonte malléable à copeaux courts | Utilisée pour le tournage, le fraisage, le rabotage et le rainurage dans des conditions défavorables, éventuellement avec des angles de coupe importants, exigeant la ténacité de la plaquette. Certaines exigences | ||
| K40 | Fonte, fonte malléable à copeaux courts | Utilisé pour l'usinage grossier dans des conditions défavorables, avec une vitesse de coupe plus faible et une grande vitesse d'avance. | ||
| P01 | Acier, acier moulé | Vitesse de coupe élevée, faible section de copeaux, tournage de finition et alésage dans des conditions exemptes de vibrations | ||
| P10 | Acier, acier moulé | Tournage, tournage de profil, filetage et fraisage dans des conditions de vitesse de coupe élevée et de section de copeaux moyenne à faible. | ||
| P20 | Acier, acier moulé, fonte malléable à copeaux longs | Tournage, tournage de profil et fraisage à vitesse de coupe moyenne et avec une section de copeau moyenne, rabotage avec une petite section de copeau | ||
| P30 | Acier, acier moulé, fonte malléable à copeaux longs | Tournage, fraisage, rabotage et usinage dans des conditions défavorables avec une vitesse de coupe moyenne ou faible et une section de copeaux moyenne ou importante | ||
| P40 | Acier, acier moulé avec trous de sable et pores | Tournage, rabotage, rainurage et usinage sur des machines automatiques à faible vitesse de coupe, grand angle de coupe, grande section de copeaux et conditions défavorables. | ||
| M01 | Acier inoxydable, acier ferritique, acier moulé | Vitesse de coupe élevée, faible charge, tournage et alésage de précision dans des conditions non vibratoires | ||
| M10 | Acier inoxydable, acier moulé, acier au manganèse, acier allié, fonte alliée, fonte malléable | Tournage dans des conditions de vitesse de coupe moyenne ou élevée, de section de copeaux moyenne ou petite | ||
| M20 | Acier inoxydable, acier moulé, acier au manganèse, acier allié, fonte alliée, fonte malléable | Tournage dans des conditions de vitesse de coupe moyenne et de section de copeaux moyenne Découpage, fraisage | ||
| M30 | Acier inoxydable, acier moulé, acier au manganèse, acier allié, fonte alliée, fonte malléable | Tournage, fraisage et rabotage dans des conditions de vitesse de coupe moyenne ou élevée et de section de copeaux moyenne ou importante | ||
| M40 | Acier inoxydable, acier moulé, acier au manganèse, acier allié, fonte alliée, fonte malléable | Tournage, tronçonnage et fraisage lourd | ||
Les paragraphes suivants présentent plusieurs alliages durs couramment utilisés pour la coupe :
(1) Alliage dur de type K
Il s'agit d'un alliage à base de WC avec du Co comme liant, ou avec une petite quantité de TaC et de NbC ajoutée. Il est principalement utilisé pour traiter les matériaux à copeaux courts, tels que la fonte, la fonte refroidie, la fonte malléable à copeaux courts, la fonte grise, etc. Les qualités courantes sont K01, K10, K20, K30, K40, etc.
Au fur et à mesure que le numéro de nuance augmente de 10, 20, 30 et 40, la teneur en cobalt augmente, ce qui se traduit par une résistance plus élevée, mais une dureté, une résistance à la chaleur et une résistance à l'usure plus faibles, ce qui en fait un produit adapté à l'usinage grossier. Inversement, plus la teneur en carbure de tungstène est élevée, plus la dureté, la résistance à la chaleur et la résistance à l'usure sont importantes, mais plus la résistance est faible, ce qui en fait un produit adapté à l'usinage fin.
(2) Alliage dur de type P
Il s'agit d'un alliage à base de TiC et de WC avec du Co (Ni+Mo, Ni+Co) comme liant. La présence de TiC améliore la température de liaison avec l'acier et la capacité à empêcher la diffusion. Il est principalement utilisé pour traiter les matériaux à copeaux longs, tels que l'acier, l'acier moulé, la fonte malléable à copeaux longs, etc.
Les qualités courantes sont P01, P10, P20, P30, P40, etc. La teneur en cobalt augmente de façon séquentielle, ce qui se traduit par une résistance plus élevée mais une dureté, une résistance à la chaleur et une résistance à l'usure plus faibles, ce qui le rend adapté à l'usinage grossier. Inversement, plus la teneur en TiC est élevée, plus la dureté, la résistance à la chaleur et la résistance à l'usure sont élevées, mais plus la résistance est faible, ce qui en fait un produit adapté à l'usinage fin.
(3) Alliage dur de type M
Il s'agit d'un alliage à base de WC et de Co comme liant, auquel on ajoute une petite quantité de TiC (TaC, NbC). L'ajout d'une certaine quantité de métaux rares TaC (NbC) améliore la résistance à la flexion, la résistance à la fatigue et la résistance aux chocs, ainsi que la dureté à haute température, la solidité, la résistance à l'oxydation et la résistance à l'usure.
Les nuances courantes sont M01, M10, M20, M30, M40, etc. Les alliages durs de type M sont des alliages à usage général et peuvent être utilisés pour le traitement de l'acier inoxydable, de l'acier moulé, de l'acier au manganèse, de la fonte malléable, de l'acier allié, de la fonte alliée, etc.
3. Autres matériaux d'outillage
(1) Céramique
Les matériaux d'outillage en céramique sont fabriqués à partir de composés artificiels, formés sous haute pression et frittés à haute température. Ils ont une dureté de 91~95HRA, une résistance à la chaleur jusqu'à 1200℃, une bonne stabilité chimique et une faible affinité avec les métaux. Par rapport aux alliages durs, ils peuvent augmenter la vitesse de coupe de 3 à 5 fois.
Toutefois, leur principal inconvénient est leur faible résistance à la flexion et à l'impact. Ils sont principalement utilisés pour la semi-finition et la finition de l'acier, de la fonte et des matériaux à haute dureté (tels que l'acier trempé) pendant la coupe continue.
(2) Diamant
Le diamant se divise en deux catégories : le diamant naturel et le diamant synthétique, qui sont tous deux des allotropes du carbone. Le diamant naturel est rarement utilisé en raison de son coût élevé. Le diamant synthétique est fabriqué à partir de graphite à haute température et à haute pression, avec une dureté de 10000 HV.
Les outils diamantés peuvent couper avec précision les métaux et alliages non ferreux, les céramiques et d'autres matériaux très durs et très résistants à l'usure. Cependant, ils présentent une mauvaise stabilité chimique avec le fer et ne conviennent pas au traitement des matériaux ferreux. Leur stabilité thermique est également médiocre, et lorsque la température atteint 800℃, les outils diamantés subissent une carbonisation dans l'air, ce qui entraîne une usure rapide.
(3) Nitrure de bore cubique
Le nitrure de bore cubique est synthétisé par des méthodes artificielles à haute température et haute pression avec l'ajout d'un catalyseur. Il a une dureté de 8000~9000HV et une résistance à la chaleur de 1400℃. Il est principalement utilisé pour la semi-finition et la finition des alliages à haute température, de l'acier trempé et des matériaux en fonte refroidis.
III. Revêtement de surface des matériaux des outils
La ténacité et la dureté des matériaux d'outillage ne peuvent généralement pas être équilibrées, de sorte que la durée de vie de la plupart des matériaux d'outillage est principalement affectée par l'usure. Ces dernières années, des méthodes de traitement par revêtement de surface ont été adoptées pour résoudre correctement ce problème.
Le revêtement de surface des matériaux d'outils s'applique aux outils en acier rapide et en carbure cémenté résistant. Grâce à des méthodes telles que le dépôt chimique en phase vapeur et la pulvérisation sous vide, une couche très fine (5~12μm) de carbure de titane (TiC) ou de nitrure de titane (TiN), composés métalliques très durs, très résistants à l'usure et réfractaires, est déposée sur la surface de l'outil, formant ainsi un revêtement de surface jaune d'or.
Grâce à la dureté élevée et au faible coefficient de frottement du revêtement, la résistance à l'usure de l'outil est améliorée. Le revêtement possède également des propriétés anti-oxydation et anti-adhésion, ce qui retarde l'usure de l'outil. Par conséquent, la vitesse de coupe peut être augmentée de 30% à 50%, et la durée de vie de l'outil peut être prolongée plusieurs fois.
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