Formation usinage – Les outils de coupe

Outils de coupe

Certains outils sont en acier ; c’était le cas de premiers outils d’usinage, et ils sont de plus en plus remplacés par des céramiques de type « carbures » (voir ci-après). Certains aciers à outils sont appelés aciers rapides (AR, ou HSS pour high speed steel). Les nuances typiques d’acier à outil sont :

• pour le travail à froid :
  • les aciers à 12 % de chrome : par exemple X153CrMoV12,
  • les aciers à 5 % de chrome : par exemple X140CrMoV5-4-4,
  • les aciers à 8 % de chrome : par exemple X125CrMoV8-3-1,
  • les aciers rapides, par exemple HS6-5-4 ou HS10-2-5-8 ;
• pour le travail à chaud : X37CrMoV5-1, 55NiCrMoV-7, HS6-5-2.

Ces outils doivent être régulièrement affutés.

Les outils en acier peuvent être eux-mêmes usinés pour faire des outils dits « de forme », similaire aux profils de défonceuse.

Les outils de coupe modernes sont composés d’un support appelé porte-outil en acier et d’une partie amovible appelée plaquette de coupe en carbures. La plaquette est fixée par une vis ou une bride sur son support. Cela permet d’adapter parfaitement son outil selon la matière que l’on souhaite usiner, de l’opération que l’on doit effectuer ou des contraintes particulières. Cette plaquette dispose de plusieurs arêtes de coupe qui permettent une réduction des coûts d’utilisation. La durée de vie moyenne d’un outil en carbure de tungstène revêtu est de 20 min en tournage et de 45 min en fraisage (temps de contact outil/matière).

La plaquette est donc une pièce d’usure. Cette géométrie permet

• de ne pas avoir à changer l’outil complet ;
• de réduire le coût de l’outil, les carbures étant bien plus chers que l’acier ;
• d’avoir des propriétés mécaniques différentes : les carbures sont très durs ce qui permet un usinage à grande vitesse, mais sont fragiles.

Ce dispositif n’est pas possible pour des fraises de petit diamètre. On utilise donc des fraises en carbure monobloc, c’est-à-dire entièrement en carbure.

La plaquette, outil de coupe, est fabriquée en carbure de tungstène.  (mélange de poudre de tungstène et de cobalt) appelée la nuance. Lors de la fabrication les arêtes de coupe des outils sont particulièrement soignées pour avoir le tranchant souhaité.

La nuance des outils de coupe est principalement faite en carbure revêtu. Le revêtement est une couche très fine d’un dépôt d’un composant tel que le nitrure de titane ou l’oxyde d’alumine favorisant le glissement du copeau et protégeant le substrat des élévations de température, mais il existe d’autres matériaux de coupe comme le CBN dédié aux usinages des matériaux traités (> à 1 500 MPa) et le PCD pour l’usinage des matériaux non ferreux.

Nous trouvons encore des outils en carbure de tungstène non revêtu pour les opérations d’usinage des non-ferreux ou des titanes.

La nuance de coupe en carbure de tungstène se classifie suivant une échelle normalisé ISO les classifiant selon leurs caractéristiques. La résistance au frottement, donc à l’usure pour les outils de finition (P10) ou à la ténacité, donc à la pression pour les outils d’ébauche (P40) Le % de cobalt induit directement ses caractéristiques donc le positionnement d’une nuance de carbure dans cette échelle ISO, plus le chiffre est petit « P10 » plus la nuance de carbure est dure (finition ou haute vitesse de coupe), plus le chiffre est grand « P40 » plus la nuance de carbure est tenace (ébauche ou basse vitesse de coupe ou chocs).

Cette normalisation a récemment évolué pour couvrir toutes les matières usinées :

• P : usinage des aciers d’usage général, et des aciers inoxydables ferriques ou martensitiques ;
• M : usinage des aciers inoxydables austénitiques ;
• H : pour usinage des aciers à outil ;
• K : usinage des fontes ;
• N : usinage des alliages non ferreux (alliages d’aluminium, bronzes, laitons, or, plastiques…) ;
• S : usinage des alliages réfractaires, en particulier des super alliages ;

Le revêtement de l’outil : trois différentes méthodes sont utilisées :

1. PVD (dépôt vapeur physique) ;
2. CVD (dépôt vapeur chimique) ;
3. MTCVD (dépôt vapeur chimique à moyenne température).

Toujours multicouche (de 20 à 60 couches) et d’une épaisseur variable (comprise entre 9 et 20 microns) selon les types de revêtement.

Chaque type de revêtement est à utiliser selon les besoins de l’application. Il sera conseillé de choisir un revêtement PVD pour les opérations fines (ex. : filetage, faible épaisseur de copeau) ou un revêtement CDV ou MTCVD pour les opérations plus lourdes ou l’outil est plus sollicité.