Évaluation quantitative de l’usure et de la durée de vie des outils
Plus résistants, plus précis et plus légers, les matériaux difficiles à usiner, tels que les carbures cémentés, les matériaux à haute dureté et les aciers trempés, ont su conquérir un grand nombre d’industries.
Cependant, ces matériaux soumettent l’outil de coupe à une contrainte extrême, qui accélère son usure et son effritement.
Le microscope 4K de KEYENCE améliore sensiblement l’efficacité de la mesure des outils de coupe et facilite la gestion et l’évaluation de l’usure.
- Nouveaux matériaux et évolution des outils de coupe
- Importance du contrôle de l’usure de l’outil
- Gestion de l’usure et de la durée de vie des outils
- Derniers exemples d’applications du microscope pour rationaliser la mesure et le contrôle de l’usure de l’outil
- Observation entièrement nette et mesure des outils et produits
- Observation et mesure non affectées par les surfaces brillantes
- Observation et mesures 2D/3D de l’usure et de l’effritement avec un seul instrument
- Observation et mesure d’un outil diamanté (outil en PCD)
- Gestion de la durée de vie de l’outil grâce à l’observation de longue durée
- Dernières solutions de mesure et de contrôle des outils de coupe
Nouveaux matériaux et évolution des outils de coupe
Toujours en recherche de technologies pour réduire le poids et améliorer la sécurité et les performances, de nombreuses industries, en particulier l’automobile et l’aérospatiale, se sont tournées vers les matériaux difficiles à usiner, tels que les alliages de titane et le PRFC*. Outre la difficulté d'usinage, divers procédés soumettant les outils à une forte contrainte, tout en exigeant une fiabilité sans faille, se sont développés au fil des ans. Parmi ces procédés, citons notamment l'usinage haute vitesse, pour améliorer la productivité, et l'usinage en continu sans intervention humaine, réalisé sur de longues périodes. Dans l’industrie des semi-conducteurs, des technologies de découpe ultra-précises, de l’ordre du micron, ont également vu le jour afin de réaliser des micro-usinages.
Pour répondre à ces exigences, des outils à mèche, foret et fraise jetables ont été développés. Sur ces outils, la lame peut être équipée d’une pointe en carbure cémenté*, PCD* ou CBN* pour usiner les matériaux difficiles à découper. Ces outils sont aujourd’hui particulièrement populaires car, en cas d’usure de la lame, il suffit d’en remplacer la pointe, permettant de réduire le temps et le coût de maintenance.
PRFC : Abréviation de plastique renforcé par fibres de carbone. Il s’agit d’un matériau composite alliant fibres de carbone et résine. Ce matériau est moins dense, plus léger et plus résistant que le fer et l’aluminium. Contrairement aux métaux, le PRFC possède une haute élasticité et une excellente résistance dans le sens des fibres.
Carbure cémenté (WC-Co) : Généralement appelé métal dur. Il s’agit d’un matériau composite, dans lequel des carbures, métaux des groupes IVa, Va et VIa dans le tableau périodique, sont frittés avec des métaux ferreux, tels que Fe, Co et Ni. Ce matériau possède d’excellentes propriétés mécaniques : dureté à températures basse et élevée (HRA de 80 à 94), résistance (résistance à la rupture transversale : environ 2 GPa min.) et module de Young (environ 3 fois celui du fer).
PCD : Abréviation de diamant polycristallin. Il s’agit d’un minéral artificiel, produit par frittage de microcristaux de diamant avec des poudres métalliques et céramiques à haute température et haute pression. Tandis que les diamants naturels sont des monocristaux, les diamants contenus dans le PCD sont polycristallins et possèdent une conductivité thermique et une dureté excellentes.
CBN : Abréviation de nitrure de bore cubique. Il s’agit d’un composite, constitué de bore et d’azote et qui n’existe pas à l’état naturel. C’est le matériau le plus dur après le diamant. En termes de résistance à la chaleur, le PCD commence à s’oxyder à environ 700°C tandis que le CBN s’oxyde à environ 1300°C, ce qui le rend bien plus adapté aux usinages sous haute température.
Importance du contrôle de l’usure de l’outil
Outre la dégradation de la précision et de la vitesse d’usinage, une lame usée ou effritée risque de provoquer une déformation et une rupture de la pièce, dues à l’augmentation de la chaleur générée. Une lame usée ou effritée entraîne également des dysfonctionnements de la machine d’usinage. De ce fait, l’observation des lames pour évaluer leur état contribue à préserver la performance du procédé de coupe.
Par exemple, les pointes jetables, telles que les lames d’outils en PCD et CBN, qui excellent à découper les matériaux difficiles, disposent d’une face de coupe, pour écarter les éclats, et d’une face de dépouille, qui évite que la pointe n’entre en contact avec la surface découpée, et la précision des angles de ces faces influe directement sur la précision de l’usinage. Si vous poursuivez l’utilisation d’une pointe présentant une usure en cratère ou une usure du flanc, la précision de coupe risque de diminuer, entraînant la fabrication de produits défectueux.
Un contrôle régulier et une gestion optimale de l’usure de l’outil permettent ainsi de réduire les pertes de matériaux et la maintenance préventive des outils de coupe. Le fonctionnement stable des outils de coupe garantit une hausse du rendement et de la productivité, assurant à leur tour une baisse des coûts.
Gestion de l’usure et de la durée de vie des outils
La durée de vie des outils varie selon les conditions de coupe, telles que le matériau de la pièce, le procédé d’usinage, la vitesse d’usinage et la vitesse de rotation. Par exemple, le réglage d’une vitesse de rotation plus élevée pour augmenter la vitesse d’approche de la pointe de l’outil a pour effet d’augmenter non seulement la vitesse d’usinage mais également la charge exercée sur la lame, accroissant l’usure. À l’inverse, le réglage d’une vitesse de rotation moins élevée pour réduire la vitesse d'approche de la pointe de l’outil a pour effet d’allonger la durée de vie de la lame mais de ralentir l’usinage.
La coupe doit être exécutée sous des conditions optimales, dans un parfait équilibre entre vitesse d’usinage et durée de vie de la lame. L’observation et la mesure de l’état d’usure des outils au microscope permet de définir les conditions de coupe optimales, pour augmenter la durée de vie des outils tout en améliorant le rendement et la productivité.
Derniers exemples d’applications du microscope pour rationaliser la mesure et le contrôle de l’usure de l’outil
Vous pouvez contrôler le degré de précision de l’outil en mesurant ses formes 2D et 3D et en quantifiant l’usure grâce à la mesure du rayon.
Observation entièrement nette et mesure des outils et produits
Les lames d’outil ont une forme 3D présentant de multiples renfoncements. Sur de telles formes, l’observation et la mesure s’exécutent de la section la plus proche à la section la plus éloignée pour détecter toute usure et tout défaut de la lame et vérifier l’état de la surface de coupe. Lors de cette vérification, si seule une partie de la lame est nette, il est nécessaire de régler la mise au point à chaque position d'observation, vous faisant perdre un temps considérable.
Le microscope numérique 4K Série VHX est équipé d’une fonction de composition en profondeur en direct, qui compile instantanément les images capturées en plusieurs positions de mise au point pour créer une image entièrement nette des cibles aux surfaces les plus irrégulières. De plus, le mécanisme eucentrique intégré facilite l’observation de la cible sous tous les angles sans déplacer l’axe central, vous permettant d’observer une même section à partir de la même position sur différents échantillons. La mesure est plus rapide et la comparaison des échantillons plus simple que jamais.
Gauche : image normale, Droite : composition en profondeur en direct
Observation et mesure non affectées par les surfaces brillantes
Les outils sont composés de métaux polis et les surfaces de leur pointe de coupe sont particulièrement brillantes. Ces surfaces génèrent une intense réflexion de la lumière, formant des reflets qui gênent l’observation et la mesure.
Pour contrecarrer cette réflexion, le microscope numérique 4K Série VHX intègre une fonction d’élimination des reflets, une fonction de suppression du halo et une fonction HDR, qui permet de capturer des images mettant en évidence la texture de la surface.
La fonction de suppression du halo élimine tout reflet en forme d’anneau de la surface de la cible. La capture de plusieurs images en éclairant la cible depuis différentes directions évite toute surexposition.
De plus, la fonction HDR (Haute plage dynamique) capture plusieurs images en faisant varier la vitesse d’obturation pour renforcer les nuances de couleur. L’observation atteint un niveau de précision et de contraste jusqu’alors inimaginable.
La capture d’images nettes et sans reflet, permise par ces fonctions, facilite considérablement l’observation et la mesure des surfaces métalliques.
Capture d’image sans reflet
la texture de la surface métallique
Observation et mesures 2D/3D de l’usure et de l’effritement avec un seul instrument
Les fraises en bout et les pointes de foret présentent de multiples renfoncements et leur effritement requiert une mesure en 2D et en 3D. En général, l’usure et l’effritement des pointes jetables nécessitent une mesure sur image 3D.
En plus de la mesure 2D, le microscope numérique 4K Série VHX est capable de réaliser des mesures 3D. Ces mesures permettent une modélisation 3D de haute précision, pour des résultats encore plus fiables. La Série VHX est également équipée de la technologie Auto Adjust, qui facilite la composition en profondeur sous n’importe quel angle. Le déplacement des bords et le flou dus aux vibrations lors d'une capture d'image sont automatiquement corrigés et une image entièrement nette est créée. De plus, la composition peut inclure des images capturées sous différents angles.
et du profil d’une pointe de foret
Observation et mesure d’un outil diamanté (outil en PCD)
Les outils diamantés (outils en PCD) permettent l’usinage et la finition poli miroir des carbures cémentés et l’usinage des plastiques renforcés par fibres (PRF) et des plastiques renforcés par fibres de carbone (PRFC). Ils possèdent également une haute résistance à l’usure et une longue durée de vie comparés aux outils en carbure cémenté classiques. En revanche, si la lame atteint une température d’environ 700°C, les atomes de carbone des diamants sont absorbés (oxydés) par le fer, provoquant une sévère usure du PCD.
Vous pouvez exécuter une mesure du profil grâce à la fonction de composition 3D du microscope numérique 4K Série VHX. Cette fonction vous permet d’analyser la forme de la surface de l’outil en PCD et de mesurer non seulement l’effritement mais également l’usure en unités de l’ordre du micron.
Gestion de la durée de vie de l’outil grâce à l’observation de longue durée
La gestion appropriée de la durée de vie des outils est essentielle pour garantir une fabrication stable. Dans certains cas, les conditions de coupe sont également à revoir. Les pointes d’outil de coupe doivent être mesurées avec une précision de l’ordre du micron et il est primordial de pouvoir faire la différence entre usure et adhérence d’éclats ou de corps étrangers.
Le microscope numérique 4K Série VHX offre un grossissement de 0,1x à 6000x, pour observer les fissures et défauts les plus infimes. Outre cette large plage de grossissement, la Série VHX assure une capture haute définition 4K. Cette capture permet de réaliser des différenciations jusqu’ici impensables, telles que la distinction entre usure et adhérence de corps étrangers.
L’observation sur une longue durée de l’état des pointes d’outil à partir des données capturées, vous aide à comprendre la progression de l’usure et les mécanismes de formation de défauts tels que les fissures. Vous pouvez en déduire les conditions de coupe optimales pour prolonger la durée de vie des outils et prévenir la fabrication de produits défectueux.
- Gauche : faible grossissement
- Droite : fort grossissement
Dernières solutions de mesure et de contrôle des outils de coupe
La Série VHX est un formidable outil, qui résout de nombreux problèmes de mesure et de contrôle tout en améliorant la productivité. Ses secrets ? Une netteté d’observation rendue possible grâce à ses images haute résolution 4K, l’acquisition de valeurs numériques via une mesure de haute précision, un enregistrement automatique des données et une grande convivialité.
La Série VHX est équipée de fonctions qui facilitent sensiblement l’observation des outils, notamment une fonction de composition en profondeur en direct, capable de capturer une image nette en tout point, du plus proche au plus éloigné, même sur les cibles aux multiples renfoncements, un mécanisme eucentrique, qui maintient la cible au centre du champ de vision, même en cas d’inclinaison ou de rotation de la platine, et une fonction de suppression des reflets qui gênent l’observation. Elle intègre, en outre, de nombreuses autres fonctions pour répondre aux exigences de vitesse et de précision sur site, telles que le mode d'accentuation des ombres et l’éclairage multiple, qui mettent en évidence les détails les plus fins des surfaces irrégulières, et la reproduction automatique des paramètres par sélection des données enregistrées.
Pour en savoir plus sur la Série VHX, cliquez sur le bouton ci-dessous pour télécharger le catalogue. Pour toute demande, cliquez sur l’autre bouton pour contacter KEYENCE.
