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Plaquettes CBN contre carbure : Quel outil de coupe convient le mieux à votre application ?
Une mauvaise plaquette sur une pièce trempée signifie une pièce mise au rebut ou une arête abîmée. Le CBN et le carbure résolvent des problèmes différents. Cet article vous indique exactement quand utiliser l'un ou l'autre.
Qu'est-ce qu'une plaquette CBN et comment est-elle fabriquée ?
CBN est l'abréviation de Cubic Boron Nitride (nitrure de bore cubique). Il est fabriqué sous une chaleur et une pression extrêmes, de la même manière que les diamants synthétiques. Sur l'échelle de dureté Knoop, il mesure entre 4 000 et 5 000 KHN. Cela le place en deuxième position après le diamant pour ce qui est de la dureté.
Alors pourquoi ne pas utiliser le diamant ? Parce que le diamant réagit avec le fer à des températures élevées. Il se décompose rapidement sur l'acier et la fonte. CBN ne réagit pas avec le fer. C'est pourquoi CBN fonctionne sur les métaux ferreux trempés et pas le diamant.
De nombreuses plaquettes CBN sont constituées d'une couche de coupe CBN collée à un substrat en carbure, en particulier les plaquettes CBN à embout ou brasées. Les plaquettes CBN massives contiennent du matériau CBN dans tout le corps de la plaquette et sont utilisées pour des applications d'usinage dur plus lourdes ou plus exigeantes.La base en carbure supporte la charge mécanique et absorbe les chocs. La couche de CBN effectue le travail de coupe.
Plaquettes CBN sur tige
A plaquette CBN comporte un petit segment CBN brasé sur un ou plusieurs coins d'un corps en carbure. La plupart des ateliers les utilisent pour la finition et la semi-finition. Les plaquettes CBN à pointe sont disponibles avec un, deux ou jusqu'à huit coins utilisables. CNGA et DNGA sont les formes les plus courantes pour le tournage CNC.
Plaquettes CBN monobloc (Massif)
A Plaquette CBN solidet est CBN sur toute sa longueur. Le corps entier absorbe et diffuse mieux la chaleur. Ils résistent donc à des charges plus lourdes et à des vitesses plus élevées. Utilisez des CBN pleins lorsque vous ébauchez de l'acier trempé ou que vous travaillez à la vitesse maximale de la broche sur de la fonte dure.
Qu'est-ce qu'une plaquette en carbure et où atteint-elle ses limites ?
Plaquettes en carbure sont fabriquées par frittage de particules de carbure de tungstène dans un liant de cobalt. Le cobalt confère à la plaquette sa ténacité. La dureté se situe entre 1 000 et 2 000 KHN, ce qui est bien inférieur au CBN, mais bien plus dur que l'acier rapide.
Le carbure est le matériau le plus utilisé pour les outils de coupe dans l'usinage CNC. Il permet de tourner, de fraiser, de percer et d'aléser. Acier au carbone, acier inoxydable, aluminium, laiton, titane, la plupart des alliages non ferreux. Les qualités revêtues permettent d'aller plus loin dans les matériaux plus durs et les températures plus élevées.
Grades de carbure revêtu
Les revêtements PVD tels que TiAlN et AlTiN prolongent la durée de vie des outils sur les aciers plus durs. Certaines nuances de carbure revêtu peuvent atteindre 50 HRC. En dessous de 45 HRC, le carbure revêtu est presque toujours suffisant.
Pourquoi le carbure échoue-t-il sur les matériaux durs ?
La température est un problème pour les matériaux durs. Le liant au cobalt commence à se ramollir au-dessus de 900°C. Dans ce cas, l'arête de coupe se déforme. L'usure s'accélère rapidement. C'est pourquoi il est difficile d'utiliser du carbure au-dessus de HRC 45 sur des matériaux durs.
Tableau de comparaison de la dureté du CBN et du carbure
| État de la pièce | Choix de l'outil commun | Notes |
|---|---|---|
| Inférieur à 45 HRC | Plaquettes en carbure / plaquettes en carbure revêtues | Rentable pour le tournage, le fraisage et l'alésage en général |
| 45-50 HRC | Carbure revêtu ou CBN selon l'application | Choisissez en fonction de la taille du lot, de la tolérance, de l'état de surface et de la durée de vie de l'outil. |
| Supérieure à 50 HRC, finition continue | Plaquettes CBN sur tige | Utilisé couramment pour le tournage dur et la finition stable |
| Au-dessus de 50 HRC, coupes interrompues ou plus lourdes | Plaquettes CBN solides / nuances CBN à haute teneur | Meilleur pour les impacts plus forts ou les conditions d'usinage plus dures |
| Tolérance très serrée ou exigence de surface spéciale | Tournage dur ou rectification CBN | Le choix dépend de la géométrie de la pièce, de la tolérance et de l'état de surface. |
L'erreur la plus fréquente avec le CBN
L'utilisation de CBN sur des matériaux tendres est une erreur. Les métaux tendres ne se coupent pas proprement ; au contraire, ils collent et traînent contre l'outil. Cette résistance endommage l'arête plus rapidement que les métaux durs. Vous pouvez utiliser le CBN pour les surfaces dures et il dure plus longtemps lorsque le matériau est dur. Si le matériau est inférieur à 48 HRC, vous gaspillez de l'argent car l'outil s'usera trop rapidement.
L'erreur la plus courante avec le carbure
L'utilisation de carbure au-dessus de 50 HRC à des vitesses normales. La durée de vie de l'outil diminue. L'état de surface se dégrade rapidement. Vous passez plus de temps à indexer les plaquettes qu'à couper des pièces.
Résistance à la chaleur du CBN ou du carbure : Quelle plaquette supporte les températures élevées ?
Le tournage de l'acier trempé génère plus de 1 000 °C à la pointe de l'outil. Ce n'est pas le cas de temps en temps. À chaque fois.
Comment le CBN gère la chaleur
Le CBN reste dur jusqu'à environ 1200°C. La chaleur n'endommage donc pas l'arête. Le CBN fonctionne à sec dans la plupart des cas. Un arrosage intermittent est pire que l'absence d'arrosage. Les variations de température fissurent la couche CBN. Si vous utilisez du liquide de refroidissement, inondez-le dès le début et ne vous arrêtez jamais au milieu de la coupe.
Comment le carbure gère la chaleur
Les outils en carbure tombent en panne à des températures avoisinant les 800°C. À cette température élevée, le liant de cobalt à l'intérieur de l'outil devient mou et l'arête tranchante perd sa forme. L'utilisation d'un liquide de refroidissement est très importante pour le carbure. Il permet en effet de maintenir l'outil au frais et de prolonger sa durée de vie.
Les plaquettes CBN peuvent-elles remplacer la rectification pour l'état de surface ?
C'est souvent ce qui motive la décision d'opter pour le CBN en premier lieu.
Finition de la surface avec des plaquettes CBN
Le CBN sur acier trempé donne un Ra de 0,28 à 0,8 µm. Des tolérances de plus ou moins 0,01 mm sont normales. Des essais de tournage dur à sec sur AISI 4140 à 50 HRC confirment que le CBN atteint Ra 0,28 µm dans de bonnes conditions de coupe.
Il s'agit d'une qualité au niveau de la rectification. Un arbre de transmission trempé à 62 HRC peut atteindre la dimension finale et la finition miroir en un seul passage au tour. Pas de rectifieuse. Pas de réglage supplémentaire. Pas de temps de transfert entre les machines.
Cet outil permet d'obtenir une qualité équivalente à celle d'une rectifieuse. Par exemple, vous pouvez finir un arbre en métal très dur de 62 HRC à sa taille finale et à une brillance miroir en un seul tour sur le tour. Vous n'avez pas besoin d'une rectifieuse, ni d'étapes supplémentaires pour déplacer la pièce entre différentes machines.
Finition de surface avec du carbure sur un matériau dur
L'utilisation du carbure sur des matériaux durs donne un état de surface de Ra 0,35 µm dans le meilleur des cas. Cette finition s'aggrave au fur et à mesure que l'outil s'use. Si vous avez besoin d'une finition parfaite sur un métal dur, le carbure n'est pas fiable.
Un signe clair que vous avez besoin de CBN est lorsque la finition semble bonne sur les premières pièces, mais qu'elle devient médiocre vers la 15e ou la 20e pièce. Cela se produit parce que le carbure s'use très rapidement sur les surfaces dures.
Durée de vie des plaquettes CBN par rapport aux plaquettes en carbure
Sur un matériau trempé supérieur à HRC 50, le CBN dure environ 5 à 10 fois plus longtemps que le carbure. Ce chiffre varie en fonction de la qualité, du matériau et des paramètres, il s'agit donc d'une indication approximative.
Usure prévisible avec CBN
Dans la pratique, le CBN permet de prévoir l'usure. Vous utilisez un alésage trempé et vous savez par expérience que l'arête vous donnera 50 pièces propres. Vous indexez à la pièce 50. Pas de surprise. Cette constance est importante lorsque vous travaillez en grande série.
L'usure CBN se manifeste par une modification de l'état de surface avant que la pièce ne sorte de la tolérance. Vous la voyez venir. Avec le carbure sur un matériau dur, la défaillance de l'outil a tendance à être plus soudaine. Une pièce est bonne, la suivante ne l'est pas. Cette différence est importante dans le cas d'un usinage sans surveillance.
Durée de vie des outils en carbure sur des matériaux durs ou tendres
Le carbure sur un matériau dur est moins prévisible. L'usure est plus rapide et inégale. Une plaquette tient plus longtemps que la suivante. En production, ce manque d'uniformité engendre des rebuts.
Sur les matériaux plus tendres, le carbure a une durée de vie importante. En dessous de 45 HRC, il n'y a aucune raison de payer pour du CBN.
Quand utiliser les plaquettes CBN ?
Tournage dur dans l'automobile
Les pièces du groupe motopropulseur automobile constituent le plus grand marché pour le CBN. Engrenages de transmission trempés à HRC 58 à 62, vilebrequins, arbres à cames, Les pièces sortent du four de traitement thermique et passent directement au tour CNC avec CBN. Les pièces sortent du four de traitement thermique et passent directement sur un tour CNC avec CBN. La dimension finale et la finition se font en un seul passage.
Par exemple, l'alésage du roulement d'un engrenage trempé est un travail CBN typique. Une plaquette permet de travailler sur une équipe complète. Le même alésage avec du carbure nécessite plusieurs changements d'index et peine toujours à maintenir la tolérance à la fin du cycle.
Usinage de la fonte
La fonte est une autre histoire, mais CBN y est également très performant. Fonte grise et fonte à haute teneur en chrome à une vitesse de 500 à 1 000 m/min. Disques de frein, blocs moteurs, alésages de cylindres. La fonte est très abrasive et détruit rapidement le carbure. Le CBN résiste à l'abrasion parce qu'il est beaucoup plus dur.
Tournage dur pour moules et matrices
Les aciers à outils trempés pour le travail sous pression et le travail dans les moules, 63 HRC et plus, nécessitaient auparavant un meulage après le traitement thermique. Le CBN a changé la donne. Aujourd'hui, de nombreux fabricants de moules effectuent la finition de l'acier trempé directement sur le tour.
Aérospatiale et superalliages
Les superalliages à base de nickel, comme l'Inconel, utilisés dans l'aérospatiale et l'énergie, sont également usinés avec le CBN. Ces alliages conservent leur dureté à des températures élevées, de sorte que le carbure ne fonctionne pas bien à des vitesses normales.
Quand utiliser des plaquettes en carbure plutôt qu'en CBN ?
Aciers doux et de dureté moyenne
Utilisez le carbure pour les matériaux dont la dureté est inférieure à 45 HRC. Il s'agit notamment de l'acier doux, de l'acier au carbone moyen, de l'acier inoxydable, de l'aluminium et du laiton. Le carbure est adapté à ces matériaux et est également abordable.
Matériaux non ferreux
Les matériaux non ferreux comme l'aluminium ou le laiton ont besoin de carbure ou de Plaquettes PCD. Le CBN ne s'applique qu'aux métaux contenant du fer. Sur l'aluminium ou le laiton, le CBN n'est d'aucune utilité. Le carbure revêtu est donc un moyen plus rapide et moins coûteux de couper ces matériaux.
Prototypage et petites séries
Le carbure est plus adapté à la fabrication de prototypes ou d'un petit nombre de pièces. Un outil CBN coûte 5 à 20 fois plus cher qu'un outil en carbure. Si vous ne fabriquez qu'une ou deux pièces, vous n'économiserez jamais assez d'argent pour payer l'outil CBN coûteux.
Usinage à des fins générales
Pour les ateliers qui effectuent de nombreux travaux différents avec des matériaux et des tailles différents, le carbure est le meilleur choix. Par exemple, vous pouvez utiliser le carbure pour le fraisage, le tournage, le perçage et l'alésage. Le CBN ne peut pas effectuer tous ces travaux différents.
Comparaison du coût par pièce des plaquettes CBN et du carbure
Le prix d'insertion n'est pas ce qui compte. C'est le coût par pièce finie qui l'est.
Comment le CBN réduit le coût par pièce dans la production
Les plaquettes CBN coûtent plus cher au départ. Mais elles fonctionnent plus longtemps, se changent moins souvent et, sur les pièces trempées, elles éliminent souvent l'étape de rectification. Moins de changements d'outils signifie moins de temps d'arrêt. Moins de temps d'arrêt signifie plus de pièces par équipe.
Prenons l'exemple suivant. Un engrenage de transmission, matériau 20CrMnTi, trempé à HRC 58 à 62, tolérance IT6, finition de surface Ra 0,8 requise. Le carbure ne peut pas atteindre Ra 0,8 de manière fiable à cette dureté. Le CBN atteint la spécification et fonctionne pendant toute l'équipe. Le coût par pièce avec le CBN finit par être inférieur, même si le prix de la plaquette est plus élevé.
Tournage dur et rectification
Un tour CNC équipé de plaquettes CBN peut remplacer une rectifieuse cylindrique pour les travaux de tournage difficiles. Une rectifieuse coûte trois à cinq fois plus cher qu'un tour. Si le CBN vous permet d'éviter d'en acheter une, cela justifie à lui seul le coût de l'outillage.
Quand le carbure est l'option la moins chère
Les petits magasins évitent souvent le CBN en raison du prix initial. C'est une bonne chose pour les petites séries. Mais si vous utilisez le même composant trempé semaine après semaine, les calculs changent rapidement. Calculez le nombre de plaquettes en carbure que vous consommez par semaine pour ce travail, puis comparez ce chiffre à celui d'une plaquette CBN pour le même volume.
Vitesses de coupe, avances et profondeurs de coupe des plaquettes CBN et carbure
Paramètres de coupe CBN pour le tournage dur
Pour le tournage CBN de l'acier trempé entre HRC 45 et 68, la vitesse de coupe est généralement comprise entre 80 et 250 m/min. La fonte va beaucoup plus vite, jusqu'à 1 000 m/min. L'avance pour la finition est de 0,04 à 0,15 mm/tour. La profondeur de coupe pour la finition est de 0,05 à 0,5 mm.
Utilisez le CBN à grain fin lorsque la finition de la surface est importante. Les gros grains ne peuvent pas atteindre Rz 3,2. Utilisez du liquide de refroidissement à sec lorsque vous le pouvez. Si vous avez besoin de liquide de refroidissement, commencez l'arrosage avant le début de la coupe. Ne passez jamais de l'arrosage à sec à l'arrosage en milieu de coupe. Le choc thermique fissure la plaquette.
Le rayon du nez doit rester entièrement à l'intérieur du matériau. Si l'arête sort de la coupe et y entre à nouveau, elle s'ébrèche. Cela se produit le plus souvent dans les travaux d'alésage lorsque l'installation n'est pas assez rigide. La plaquette supporte la charge de coupe. Elle ne supporte pas les impacts répétés dus au rebond de l'outil.
Paramètres de coupe du carbure
Pour le carbure sur l'acier général et les matériaux mixtes, la vitesse de coupe est de 100 à 400 m/min en fonction de la nuance et du revêtement. L'aluminium tourne à une vitesse de 400 à 1 000 m/min avec la bonne nuance. Le carbure fonctionne avec une géométrie de coupe positive, supporte les coupes interrompues inférieures à 45 HRC et fonctionne bien avec un liquide de refroidissement.
Comment choisir la bonne qualité de plaquette CBN
Le pourcentage de CBN et le type de liant sont les deux éléments qui déterminent les performances d'un grade.
Grades à faible teneur en CBN
Liant céramique, Ils offrent une meilleure stabilité chimique et une meilleure résistance à l'usure. Ils sont utilisés pour les coupes continues d'acier trempé, la finition des bagues de roulement, des arbres de transmission et des alésages trempés lorsque la qualité de la surface est recherchée.
Grades à haute teneur en CBN
Liant métallique, plus robuste, moins résistant à l'usure. Meilleur pour les coupes interrompues. Tournage d'un engrenage avec des rainures de clavette, surfaçage de pièces avec des trous, perçage transversal. Convient également à la fonte à haute vitesse. La fonte a besoin d'une résistance à l'abrasion, pas d'une stabilité chimique, donc le liant le plus dur fonctionne bien.
Grades CBN revêtus
Le CBN revêtu ajoute une couche PVD, généralement TiN, sur la surface. Cela réduit l'oxydation des arêtes et permet de travailler à des vitesses modérées avec des profondeurs de coupe plus importantes. Il est utile lorsque vous effectuez des passes plus importantes et que la durée de vie de l'outil est plus importante que la vitesse de coupe maximale.
Taille des grains de CBN
Lorsque vous choisissez une qualité, demandez à votre fournisseur de vous indiquer la taille du grain. Un grain fin donne une meilleure finition de surface. Les gros grains durent plus longtemps lors des passes brutes. La plupart des applications de finition sur l'acier trempé nécessitent un grain fin pour atteindre un Ra de 0,8 ou moins.
Exigences en matière de rigidité de la machine pour le tournage dur CBN
Pourquoi le CBN exige-t-il une configuration rigide ?
Le CBN nécessite une installation rigide. Des roulements de broche usés, un serrage lâche ou des vibrations briseront les plaquettes. Vous penserez que la nuance est mauvaise. En général, c'est la machine qui est à l'origine du problème.
Vérifiez le couple de serrage de votre porte-outil avant d'utiliser le CBN. Par exemple, si la plaquette est légèrement desserrée, elle bougera pendant la coupe. Ce petit mouvement ébréchera l'arête de l'outil. On aura l'impression que l'outil est cassé, mais le vrai problème est le serrage.
Les outils CBN utilisent une géométrie de coupe négative. Cette conception repousse la force de coupe dans le corps de l'outil. Cela crée une pression plus élevée sur la machine. La broche de votre machine, le porte-outil et la façon dont vous tenez la pièce doivent être très solides pour supporter cette force.
Pourquoi le carbure tolère-t-il les configurations imparfaites ?
Le carbure est plus facile à utiliser. Par exemple, vous pouvez choisir des outils avec des angles de coupe positifs. Par la suite, le cobalt à l'intérieur de l'outil absorbe davantage de chocs et de vibrations. Cela signifie que les vibrations endommagent moins l'outil. Ainsi, si la configuration de votre machine n'est pas parfaite, le carbure est plus sûr et vous laisse plus de place pour les erreurs.
Sélection des plaquettes CBN ou carbure
Étape 1 : Vérification de la dureté de la pièce
Au-dessus de HRC 50, utiliser CBN. En dessous de 45 HRC, utiliser le carbure. Entre 45 et 50 HRC, essayez d'abord le carbure revêtu avant d'acheter un outil CBN.
Étape 2 : Vérifier le type de matériau
Le CBN est réservé aux métaux ferreux. L'aluminium, le laiton, le cuivre, les composites ont tous besoin de carbure ou de PCD. La dureté n'y change rien.
Étape 3 : Vérifier la taille du lot
Le CBN est amorti sur les moyennes et grandes séries. Pour les petites séries, l'avantage de la durée de vie de l'outil n'a pas le temps de compenser le prix de la plaquette.
Étape 4 : Vérifier les exigences en matière d'état de surface
Si votre exigence de finition sur une pièce trempée est Ra 0,8 ou mieux, le carbure n'y parviendra pas. Ce seul critère signifie CBN.
Étape 5 : Vérifier le type de coupe
Pour les coupes interrompues sur des matériaux trempés, des engrenages avec clavettes, des arbres cannelés, des pièces avec des trous transversaux, utilisez le CBN solide avec une nuance résistante à haute teneur. Les plaquettes CBN sont destinées à la finition continue. Les plaquettes en céramique se fracturent sur les coupes interrompues dures.
Conclusion
Au-dessus de HRC 50 sur les matériaux ferreux, le CBN. Tout le reste, le carbure. La plage de 45 à 50 HRC dépend de la taille du lot, des spécifications de finition et de la configuration. Si vous n'êtes pas sûr de la nuance de CBN qui convient à votre application, parlez-en à votre fournisseur d'outils de coupe avant de passer commande.
FAQ
Quelle est la différence entre les plaquettes CBN et les plaquettes en carbure ?
Le CBN est un matériau artificiel très dur. Il est utilisé pour couper des métaux durs. Il fonctionne mieux sur les métaux d'une dureté supérieure à 45 HRC.
Le carbure est composé de tungstène et de cobalt. Il est utilisé pour de nombreux travaux différents. Il fonctionne sur la plupart des matériaux courants.
Le CBN est-il plus dur que le carbure ?
Oui. Le CBN mesure entre 4 000 et 5 000 KHN sur l'échelle de dureté Knoop. Le carbure se situe entre 1 000 et 2 000 KHN. Le CBN est environ deux à cinq fois plus dur en fonction de la qualité.
Le CBN est-il plus dur que le carbure de tungstène ?
Oui, le carbure de tungstène mesure environ 1 000 à 2 000 KHN. Le CBN, avec ses 4 000 à 5 000 KHN, est nettement plus dur. Seuls les diamants sont plus durs que le CBN.
Quand utiliser les plaquettes CBN ?
Le CBN est utilisé lorsque la dureté du métal est supérieure à 50 HRC. Il fonctionne mieux sur le fer et l'acier. Utilisez-le lorsque vous avez besoin que chaque pièce ait la même finition lisse. Il est également très utile lorsque vous avez besoin de dimensions exactes pour plusieurs pièces à la suite.
