La compétitivité du marché et la pression pour produire et usiner des pièces plus efficacement et plus rapidement ont déplacé l'attention de l'usinage conventionnel vers l'usinage à grande vitesse (HSM). L'usinage à grande vitesse implique d'obtenir un taux d'enlèvement de matière plus élevé en utilisant une vitesse de broche, une avance et une vitesse de coupe plus élevées. HSM peut aider à améliorer la productivité, à réduire le temps de cycle et à améliorer efficacement la durée de vie de l'outil.
L'aluminium possède l'une des caractéristiques d'usinabilité les plus élevées et ses applications dans diverses industries, en particulier les industries aérospatiale et automobile, ont considérablement augmenté ces dernières années. Par conséquent, le désir de rendre le processus de fraisage de l'aluminium plus efficace et productif a conduit à l'adaptation du processus d'usinage à grande vitesse par diverses industries. Cependant, le fraisage de l'aluminium présente certains défis qui doivent être relevés pour rendre le processus sûr et efficace. Certains de ces défis sont :
- L'usinage à grande vitesse produit une chaleur élevée à l'interface surface-outil. Cette chaleur peut durcir l'aluminium et rendre difficile la poursuite du processus d'usinage et de fraisage. Pour surmonter cela, une stratégie de refroidissement doit être employée.
- Usinage à grande vitesse signifie des taux de vitesse de coupe plus élevés, ce qui entraîne des vibrations et des broutages accrus. Ces vibrations sont préjudiciables à la durée de vie de l'outil et peuvent également endommager la pièce en aluminium. Par conséquent, des précautions supplémentaires doivent être prises pour l'équilibrage et la conception de l'outil utilisé lors de l'exécution de l'appareil de fraisage sur une machine à grande vitesse.
- Les vitesses de coupe plus élevées pendant le fraisage signifient des efforts de coupe plus importants sur l'outil et la pièce. Ces efforts plus importants peuvent rendre la manipulation de l'outil plus complexe. Si cela n'est pas fait correctement, l'outil peut se détacher du manipulateur et causer des dommages à la machine ainsi qu'à l'opérateur.
- Le fonctionnement de l'usinage à grande vitesse nécessite des compétences supplémentaires par rapport aux machines conventionnelles. Un opérateur et un technicien non qualifiés peuvent s'avérer dangereux.
Une fois ces défis surmontés et la sécurité de l'opérateur assurée, les avantages de l'usinage à grande vitesse peuvent être récoltés. La caractéristique primordiale d'un processus d'usinage efficace est la vitesse d'avance. Des vitesses d'avance plus élevées assurent une plus grande productivité du processus d'usinage. Un aspect qui différencie l'usinage à grande vitesse du fraisage conventionnel est la vitesse d'avance plus élevée qui peut être obtenue avec HSM. De plus, l'usinabilité plus élevée de l'aluminium rend son fraisage plus efficace et productif par rapport à d'autres métaux ou composites. Cette propriété favorable de l'aluminium le rend avantageux pour une utilisation dans l'industrie aérospatiale et automobile. Le taux d'enlèvement de matière plus élevé rend le processus de fraisage plus rapide et efficace. La production de pièces automobiles et aérospatiales, qui nécessitent une plus grande quantité d'enlèvement de matière, est plus productive avec des fraiseuses à grande vitesse.
Une considération importante, lors de l'utilisation d'une fraiseuse à grande vitesse, est l'augmentation des températures au point de coupe. Des études indiquent une augmentation de la température à mesure que les débits d'alimentation augmentent. Cela peut entraîner une modification des propriétés mécaniques du matériau par écrouissage. Il en résulte une résistance mécanique accrue et une diminution de l'usinabilité. Pour surmonter ce défi, un liquide de refroidissement doit être utilisé. Avec l'aluminium, une propriété favorable est une diminution des températures éventuellement lorsque la vitesse augmente au-delà d'un certain point. Initialement, avec une augmentation de la vitesse d'avance, la température à la coupe augmente. Lorsque la température atteint une valeur maximale, toute augmentation supplémentaire de la vitesse d'avance provoque une baisse de la température. Cette température abaissée est favorable à notre processus de fraisage de l'aluminium car les besoins en liquide de refroidissement sont faibles et les propriétés mécaniques des matériaux ne sont pas affectées.
Un autre avantage de fraisage d'aluminium l'usinage à grande vitesse est la production de copeaux fins. Les vitesses de coupe étant plus élevées avec des diamètres d'outils de coupe réduits, les copeaux produits lors du fraisage sont fins. Un autre facteur contribuant à ces copeaux minces est l'usinabilité de l'aluminium. Ce métal doux, contrairement à d'autres alliages et métaux comme le titane, le chrome et les alliages de tungstène, est plus facile à usiner et donc à des vitesses plus élevées produit des copeaux plus fins. Ces copeaux fins sont favorables au processus de fraisage car ils contribuent à la dissipation de la chaleur. Les copeaux transfèrent la chaleur du point de coupe et, par conséquent, réduisent les risques d'écrouissage. Ce matériau autrement durci peut détériorer l'outil et peut même le casser ou endommager la pièce elle-même.
L'utilisation de diamètres réduits pour les outils de coupe lors du fraisage de l'aluminium est également possible pour les fraiseuses à grande vitesse. Dans le fraisage conventionnel, des outils de coupe de plus grand diamètre sont utilisés à des vitesses de rotation de broche inférieures. Cependant, pour HSM, des outils de coupe de diamètre réduit sont utilisés, ce qui entraîne une profondeur de coupe inférieure de la pièce en aluminium. Ceci est favorable car des diamètres réduits peuvent limiter les forces centrifuges. Ces forces centrifuges sont responsables du balourd des outils ce qui peut rendre complexe la manipulation des outils. L'augmentation de l'amplitude des forces centrifuges au-delà d'une valeur critique peut entraîner le détachement de l'outil de la machine, blessant l'opérateur ou la pièce ou même se cassant. Comme expliqué précédemment, ce diamètre réduit de l'outil de coupe est également responsable de la production de copeaux fins.
En conclusion, la grande vitesse d'enlèvement de matière offerte par HSM augmente non seulement l'efficacité et la productivité du processus de fraisage de l'aluminium, mais la longévité de la fraiseuse et de l'équipement augmente également considérablement. Les vitesses de coupe plus rapides lors du fraisage de l'aluminium réduisent considérablement le transfert de chaleur vers la pièce ainsi que vers l'outil. Cette diminution de la propagation de la chaleur réduit les contraintes thermiques qui apparaîtraient autrement dans l'outil ou la pièce à usiner. De plus, le processus d'écrouissage est amorti, ce qui facilite l'usinabilité et réduit l'usure de l'outil, améliorant ainsi sa durée de vie.