Comprendre l'usinabilité des matériaux : évaluation, facteurs et comparaison

L'usinabilité des matériaux est une propriété extrinsèque qui varie d'un matériau à l'autre. Certains paramètres, comme la composition chimique, influencent fortement cette usinabilité. Ce guide présente des informations importantes sur l'usinabilité et ses différents aspects, notamment en la distinguant d'autres notions telles que l'aptitude à la mise en forme, relevant du domaine plus général de la fabrication.

Que signifie l'usinabilité ?

L'usinabilité désigne le comportement d'un matériau lors des opérations d'usinage. Un matériau facile à couper et à usiner possède une usinabilité élevée. L'aluminium en est un exemple courant : il se coupe facilement et tous les procédés d'usinage s'y déroulent sans problème. L'usinabilité correspond à la facilité avec laquelle on peut usiner la matière première pour lui donner la forme souhaitée.

Usinabilité vs Propriétés d'usinage

La différence en termes d'usinabilité et de propriétés d'usinage est décrite dans le tableau suivant :

L'usinabilité est-elle importante ?

Oui, l'usinabilité est une caractéristique importante des matériaux car si un matériau n'est pas usinable, il endommagera les outils de coupe, nécessitant des forces et des énergies de coupe élevées, ce qui augmentera le coût du produit final.

Quels facteurs peuvent affecter l'usinabilité des matériaux ?

L'usinabilité des matériaux peut être affectée par de nombreux facteurs, par exemple la composition chimique, les propriétés mécaniques et la microstructure, etc.

Composition chimique

C'est le facteur fondamental qui influe sur l'usinabilité, car chaque élément de la composition chimique confère de nouvelles propriétés. L'exemple classique est celui de l'acier (Fe-C). Le pourcentage de carbone dans le fer a une incidence considérable sur son usinabilité. C'est pourquoi la fonte (plus de 2 % de carbone) est beaucoup plus difficile à usiner que l'acier simple.

Propriétés mécaniques des matériaux

Il s'agit d'un concept important en matière d'usinabilité. Les propriétés mécaniques des matériaux, notamment la dureté élevée du tungstène et du nickel, les rendent difficilement usinables. Un matériau présentant une bonne ténacité et une bonne ductilité est facile à usiner ; c'est pourquoi l'aluminium est facile à usiner.

Microstructure

La microstructure désigne l'orientation des grains. Par exemple, après la trempe, les grains ne sont pas ordonnés, mais s'empilent pour former une microstructure martensitique, ce qui entraîne une mauvaise usinabilité.

État des matériaux

L'état du matériau désigne son traitement thermique, c'est-à-dire s'il est recuit ou dans un autre état métallurgique. Par exemple, un matériau recuit présente une microstructure alignée et des grains relativement grossiers, ce qui facilite son usinage. À l'inverse, un matériau trempé sera difficile à usiner en raison de ses grains très fins.

Surface des matériaux

La rugosité de surface des matériaux entraîne une mauvaise usinabilité en raison d'un engagement instable de l'outil. Un matériau à surface trempée présente également une mauvaise usinabilité car des forces de coupe plus élevées sont nécessaires.

Comment calculer l'usinabilité des matériaux

En réalité, l'usinabilité n'est pas une valeur absolue mais une propriété relative. L'usinabilité des matériaux se calcule selon les méthodes suivantes :

Sélection de documents de référence

On commence par sélectionner le matériau de référence. Il s'agit du matériau pour lequel un taux d'usinabilité de 100 % est attribué. L'acier de décolletage AISI B1112 est couramment utilisé comme matériau de référence.

Mesurer la vitesse de coupe

La vitesse de coupe est ensuite calculée à partir de la vitesse de broche et du diamètre des outils. La vitesse de coupe maximale du matériau testé est déterminée dans les mêmes conditions d'usinage que le matériau de référence.

Formule de calcul de l'usinabilité

Formule:

Indice d'usinabilité % = (vitesse de coupe du matériau d'essai / vitesse de coupe du matériau standard) x 100

L'indice d'usinabilité indique la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé, percé ou usiné dans des conditions données.

Quels matériaux sont usinables ?

Les matériaux diffèrent les uns des autres par leur composition chimique, leur microstructure et leur structure cristalline. Par conséquent, leur usinabilité varie.

Usinabilité des métaux

L'acier, l'aluminium et le cuivre sont des métaux courants largement utilisés dans le monde entier pour diverses applications. Cependant, chacun de ces métaux présente un degré d'usinabilité différent.

Usinabilité de l'acier

Il existe des milliers de nuances d'acier utilisées dans le monde. Vous trouverez ci-dessous les indices d'usinabilité des nuances d'acier courantes (Référence : AISI B1112 = 100 %) :

L'usinabilité de chaque nuance est différente en raison de sa composition chimique différente. Par exemple, dans AISI 1018Ce métal ne contient que 0.18 % de carbone, ce qui lui confère une grande ductilité et une excellente usinabilité. En revanche, l'AISI 1095 présente une teneur en carbone très élevée, ce qui le rend très difficile à usiner.

Usinabilité de l'aluminium et des alliages

L'aluminium pur est facile à usiner car il est plus tendre que les alliages d'aluminium, en raison de leur composition chimique. Taux d'usinabilité des alliages d'aluminium courants (Référence : AISI B1112 = 100 %) :

L'alliage 6061 est l'alliage d'aluminium le plus utilisé en raison de son équilibre entre résistance et résistance à la corrosion. Le 7075 est un alliage de qualité aérospatiale qui présente une très haute résistance. Parmi les alliages d'aluminium, seul le 1100 présente une faible usinabilité en raison de sa grande malléabilité.

Usinabilité du cuivre

Le cuivre est utilisé dans divers domaines, notamment en électronique, en raison de sa conductivité élevée. Le laiton C36000 présente une excellente usinabilité, tandis que le bronze C95400 est difficile à usiner du fait de sa grande résistance.

usinabilité des matières plastiques

La plupart des plastiques sont mous et donc difficiles à usiner car ils ne résistent pas aux forces d'usinage. Cependant, certains plastiques techniques sont usinables.

Usinabilité du PEEK

Le PEEK est un polymère thermoplastique et technique. Il offre une rigidité et une stabilité dimensionnelle élevées, ce qui facilite son usinage car les forces de coupe ne déforment pas son intégrité structurelle.

Usinabilité du nylon

Le polyamide (PA), également appelé nylon, est un polymère thermoplastique présentant de bonnes propriétés mécaniques. Comparé au PEEK, il est plus difficile à usiner en raison de sa sensibilité à l'humidité, qui rend la stabilité dimensionnelle difficile à maintenir. Il se découpe très facilement.

Usinabilité du PVC

Le polychlorure de vinyle (PVC) présente de bonnes propriétés. Il est très facile à usiner et conserve une meilleure stabilité dimensionnelle que le nylon. Sa dégradation thermique constitue cependant une limite.

Usinabilité du polycarbonate

Il s'agit d'un polymère thermosensible et ductile, facile à usiner. Cependant, sa ductilité entraîne des problèmes de bavures et de contrôle des copeaux.

Usinabilité du polypropylène

Le polypropylène se découpe facilement, mais son usinabilité est complexe en raison de sa sensibilité thermique et mécanique. Cette sensibilité engendre des bavures et des erreurs dimensionnelles.

Quels matériaux ne sont pas usinables ?

De nombreux matériaux présentent une faible usinabilité. Parmi ceux-ci figurent les céramiques fragiles, le verre et les pierres précieuses. Leur fragilité est la principale raison de leur mauvaise usinabilité : ils ne subissent pas de déformation plastique et se rompent brutalement.

Usinabilité et aptitude au travail : quelles différences ?

Bien que l'usinabilité et la formabilité relèvent toutes deux du terme plus large de fabrication, elles sont fondamentalement différentes l'une de l'autre.

Interet

• La transformation d'une matière première en produit final souhaité par le biais de procédés d'usinage est appelée usinabilité.
• Si une matière première est transformée en produit final uniquement par déformation plastique, on parle alors d'ouvrabilité.

Processus

Pour l'usinage, différentes opérations d'usinage CNC :

• Tournant
• Fraisage
• Face à
• Forage Horizontaux

Ils servent à obtenir une grande précision dimensionnelle et géométrique. Par exemple, Tournage de précision CNC Elle sert à usiner des arbres. Pour faciliter la mise en forme, les procédés utilisés pour transformer la matière première en la forme souhaitée comprennent :

• Feuille formant
• Forger
• Extrusion

Mesure

L'usinabilité est mesurée à l'aide de :

• Outil de la vie
• État de surface
• Forces de coupe
• Formation de copeaux
• Consommation d'énergie

La faisabilité peut être mesurée à l'aide de :

• Essai de traction
• Test de compression
• Test de pliage
• Diagramme de limite de formation

Facteurs matériels

Différents facteurs liés aux matériaux, tels que la microstructure (les grains fins permettent une coupe uniforme), la conductivité thermique (qui influe sur l'accumulation de chaleur), une dureté élevée (qui entraîne une mauvaise usinabilité), etc., influencent l'usinabilité. Des facteurs tels que la ductilité, la limite d'élasticité, l'écrouissage, etc., affectent l'usinabilité.

Différences entre usinabilité et formabilité

De manière générale, l'usinabilité et la formabilité sont toutes deux des propriétés d'un matériau. Cependant, l'usinabilité est liée à l'enlèvement de matière, tandis que la formabilité est liée à la déformation du matériau.

Définition : Usinabilité vs Formabilité

L'usinabilité désigne la facilité avec laquelle on peut usiner une matière première, de la découpe à sa forme finale. La formabilité est l'aptitude d'un matériau à prendre sa forme finale sans rupture ni fissuration, uniquement par déformation plastique.

Processus primaires

L'usinabilité est définie par différents procédés d'usinage, tels que le tournage CNC, le fraisage CNC, le surfaçage CNC et le perçage CNC. La formabilité est définie par les procédés qui déforment les matériaux pour leur donner leur forme finale. Ces procédés incluent le pliage, l'emboutissage et le formage profond.

Facteurs clés : usinabilité vs formabilité

Ces facteurs affectent l'usinabilité :

• Microstructure du matériau : structure granulaire déformée => faible usinabilité
• Composition chimique : éléments d’alliage, un pourcentage plus élevé de carbone entraîne une mauvaise usinage
• État de surface : une surface corrodée nécessite des forces de coupe plus élevées
• La dureté est inversement proportionnelle à l'usinabilité.

La formabilité d'un matériau est affectée par :

• Épaisseur : plus l’épaisseur est importante, plus la déformation est difficile.
• L'écrouissage entraîne des forces plus élevées
• Plus la limite d'élasticité est élevée, plus les forces nécessaires pour amorcer la déformation plastique sont importantes.

Applications typiques

Dans des applications telles que :

• Filetage et perçage
• Composants aérospatiaux
• Opérations de finition
• Pièces automobiles

Pour atteindre une plus grande précision, l'usinabilité est nécessaire.

La formabilité est requise dans :

• Forger
• Roulant
• Extrusion
• Tréfilage
• Formage de tôle

Usinage CNC : Bonne usinabilité vs mauvaise usinabilité

Examinons les notions de bonne et de mauvaise usinabilité dans le contexte de l'usinage CNC :

Force de coupe

Pour les matériaux présentant une bonne usinabilité, comme l'aluminium, on utilise des forces de coupe plus faibles que pour les matériaux présentant une mauvaise usinabilité, comme le tungstène.

Usure des outils

L'usure des outils est importante dans le cas des matériaux difficilement usinables, comme les alliages à base de Ni, en raison de leur dureté.

Formation de copeaux

La morphologie des copeaux diffère selon que les matériaux présentent une bonne ou une mauvaise usinabilité. On obtient des copeaux segmentés ou discontinus pour les matériaux à bonne usinabilité, et inversement.

Finition de surface

Grâce à leur facilité d'usinage, les matériaux à bonne usinabilité permettent d'obtenir plus facilement une finition de surface lisse que les matériaux à faible usinabilité.

Vitesse de coupe

Les matériaux présentant une bonne usinabilité permettent une vitesse de coupe plus élevée, tandis que les matériaux difficiles à usiner ne permettent qu'une vitesse de coupe plus faible afin de préserver la durée de vie des outils de coupe.

Exigences d'usinage

Les outils CNC standard peuvent être facilement utilisés pour les matériaux présentant une bonne usinabilité, tandis que les matériaux présentant une mauvaise usinabilité nécessitent des outils spécialisés pour l'usinage.

Comment améliorer l'usinabilité ?

Bien que l'usinabilité soit une propriété relative des matériaux, elle peut néanmoins être améliorée du point de vue de l'usinage en suivant les conseils suivants :

Choisir des matériaux présentant une bonne usinabilité

Le choix des matériaux dépend principalement des applications. Pour certaines applications, deux matériaux différents peuvent être utilisés. Dans ce cas, il convient de privilégier les matériaux présentant une bonne usinabilité. Par exemple, pour la production en série de fixations, l'acier de décolletage peut être préféré à l'acier à faible teneur en carbone.

Ajustez correctement les paramètres de coupe

Les paramètres de coupe varient en fonction de l'usinabilité des matériaux. Par exemple, une vitesse de coupe plus élevée et une avance plus faible sont préférables pour les matériaux difficiles à usiner en raison d'exigences spécifiques.

Sélectionnez les outils de coupe appropriés

Il convient d'utiliser des outils adaptés à l'usinabilité des matériaux. Par exemple, pour les matériaux durs ou difficiles à usiner, on utilise des outils spéciaux, tels que des outils à revêtement diamant.

Amélioration du contrôle des puces

L'usinabilité peut être améliorée en améliorant le contrôle des copeaux, par exemple en forçant le copeau à se fracturer ou à s'enrouler étroitement au lieu de s'écouler plastiquement.

Modifier la composition du matériau

L'usinabilité peut également être améliorée par l'ajout d'alliages. Par exemple, le soufre est ajouté à l'acier pour améliorer son usinabilité. Le soufre réagit avec le manganèse et forme des précipités de MnS, qui fragmentent efficacement les copeaux et améliorent l'usinabilité.

Appliquer un traitement thermique avant l'usinage

La microstructure du matériau se modifie sous l'effet du traitement thermique. L'exemple classique est la formation de martensite lors de la trempe à l'eau de l'acier à partir de l'état austénitique. Un traitement thermique de revenu est ensuite effectué pour rendre le matériau usinable.

La conception d'une pièce peut-elle affecter l'usinabilité du matériau ?

La conception d'une pièce influe grandement sur son usinabilité. Autrement dit, plus la conception est complexe, plus l'usinage est important.

Influence de la conception des pièces sur l'usinabilité des matériaux

La conception d'une pièce influe sur son usinabilité par les éléments suivants :

Géométries des pièces

La géométrie détermine l'usinabilité d'une pièce grâce à son épaisseur, l'accessibilité de ses caractéristiques, la continuité de sa surface, ses angles, ses rayons internes, etc. L'exemple courant est celui d'une épaisseur uniforme, qui permet une coupe stable et donc une meilleure usinabilité.

Exigence de tolérance

Des tolérances plus strictes dans la conception d'une pièce nécessitent un usinage plus poussé, ce qui réduit l'usinabilité de cette pièce.

Exigences relatives à la qualité de surface

Dans le cas d'une finition de surface plus élevée, un usinage plus poussé est nécessaire.

Comment améliorer l'usinabilité en optimisant la conception des pièces

En optimisant la conception, l'usinabilité de la pièce peut être améliorée :

Utilisez une épaisseur de paroi appropriée

N’ajoutez pas de parois inutiles et très fines à la structure, car elles entraînent une augmentation des opérations d’usinage et une réduction de la précision dimensionnelle.

Augmenter les rayons des coins

Coins pointus Ces éléments constituent des zones de concentration de contraintes et doivent donc être évités. On peut minimiser l'usure des outils en réduisant les rayons des angles vifs.

Réduire les poches et les caries profondes

Des cavités profondes sont parfois pratiquées dans les pièces pour en réduire le poids. Cependant, des cavités inutiles compliquent l'usinage de ces pièces.

Conclusion

L'usinabilité des matériaux est une propriété relative qui varie d'un matériau à l'autre. Parmi les facteurs importants qui l'influencent, on peut citer la composition chimique, la microstructure, l'état de surface, le traitement thermique et la conception de la pièce. Pour mesurer l'usinabilité, la vitesse de coupe du matériau étudié est comparée à celle d'un matériau de référence. L'aptitude au travail, la formabilité et l'usinabilité sont des termes importants en fabrication, mais le processus de transformation de la matière première en produit fini est différent. L'optimisation du traitement thermique et de la conception permet d'améliorer l'usinabilité.

QFP

La fabrication et l'usinage sont-ils la même chose ?

La fabrication est un terme plus large qui englobe tout processus transformant une matière première en son produit final. L'usinage, en particulier, transforme la matière première en la forme souhaitée par des procédés de découpe.

Quels matériaux présentent une bonne usinabilité ?

Ces matériaux comprennent l'aluminium, le cuivre, l'acier à faible teneur en carbone, l'acier inoxydable, etc., car ils offrent une résistance et une ténacité appropriées, et présentent une bonne usinabilité.

Quel est le matériau le plus difficile à usiner ?

Les céramiques, comme l'alumine, sont les matériaux les plus difficiles à usiner car elles sont dures et cassantes.