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Outils de coupe pour l'usinage des arbres à cames : Guide de sélection des outils
Trouver les bons outils de coupe pour l'usinage des arbres à cames fait la différence entre un moteur performant et un tas de ferraille. Vous devez concilier vitesse et précision, car les arbres à cames passent d'une phase de tournage doux à une phase de rectification dure. Ce guide vous montre comment sélectionner des outils qui réduisent le coût par pièce.
Aperçu des étapes et de l'outillage pour l'usinage des arbres à cames
La production d'arbres à cames est un processus en plusieurs étapes. On commence par un moulage ou un forgeage brut et on termine par une surface trempée au fini miroir.
Tournage d'ébauche et usinage de tourillons
Tout d'abord, vous devez retirer de grandes quantités de matériau des tourillons. Le tourillon est la partie de l'arbre qui reste dans les roulements du bloc moteur. Vous utilisez généralement des plaquettes en carbure ici. L'objectif est d'obtenir des taux d'enlèvement de métal élevés sans casser l'outil. Le matériau étant souvent irrégulier à ce stade, vos outils doivent gérer les coupes interrompues.
Fraisage d'ébauche et de semi-finition des lobes de came
Ensuite, vous vous concentrez sur les lobes. Ce sont les pièces en forme d'œuf qui ouvrent les soupapes. Le fraisage de ces pièces est difficile car la trajectoire de l'outil n'est pas un simple cercle. Vous avez besoin de fraises capables de gérer les angles changeants du lobe. La plupart des ateliers utilisent des fraises indexables pour que le processus soit rapide et les coûts peu élevés.
Usinage de finition et rectification après trempe
Après l'ébauche, l'arbre à cames subit généralement un traitement thermique pour améliorer la dureté de la surface et la résistance à l'usure. Après le traitement thermique, les surfaces durcies de l'arbre à cames nécessitent souvent des solutions de rectification ou de tournage dur. Pour les opérations de tournage dur ou de finition dure, les plaquettes CBN sont souvent préférées en raison de leur résistance à la chaleur et à l'usure. À ce stade, l'objectif est d'obtenir la tolérance, l'état de surface et la précision du profil requis pour assurer la stabilité des performances du moteur.
Plaquettes et fraises en carbure
Le carbure est l'outil principal de l'industrie des arbres à cames. Il est suffisamment résistant pour les premières étapes et suffisamment bon marché pour la production en grande quantité.
Utilisation des plaquettes en carbure
Vous utilisez le carbure pour le tournage de tourillons et le fraisage grossier des lobes. Ces outils permettent d'enlever la peau extérieure d'une pièce moulée. Vous voulez un outil qui reste affûté malgré la nature abrasive de la fonte ou de l'acier forgé.
Grades et revêtements des plaquettes
Le matériau de votre arbre à cames change tout.
Pour la fonte
Vous devez choisir Carbure de classe K. Ils sont très durs et résistent à l'usure causée par les paillettes du fer.
Pour l'acier forgé
Vous avez besoin de carbure de classe P. Ces carbures sont plus résistants et peuvent supporter les copeaux filandreux produits par l'acier.
Revêtements
Recherchez les revêtements AlTiN. Ce revêtement agit comme un bouclier thermique. Il vous permet de faire fonctionner la machine plus rapidement sans brûler l'outil.
Fraises en carbure indexables et fraises massives
Deux possibilités s'offrent à vous pour le fraisage des lobes. Fraises indexables utiliser de petites plaquettes que l'on peut retourner lorsqu'elles s'émoussent. C'est le choix le plus courant pour les grandes usines, car il permet d'économiser de l'argent. Toutefois, pour les arbres à cames très petits ou complexes, il convient d'utiliser des fraises en carbure monobloc. Ils offrent une meilleure précision mais sont plus coûteux à remplacer.
Préparation des bords, brise-copeaux et forme d'insertion
La préparation du tranchant est la façon dont le tranchant est arrondi. Un bord tranchant convient bien aux matériaux tendres, mais il se casse facilement. Un bord arrondi est plus solide pour le dégrossissage. Vous avez également besoin d'un bon brise-copeaux. Si les copeaux ne sont pas cassés, ils s'enrouleront autour de l'arbre à cames et rayeront la finition. En ce qui concerne la forme, la forme CNMG est très populaire car elle est solide et possède quatre arêtes de coupe.
Plaquettes CBN pour la finition dure
Après la trempe, les plaquettes en carbure conventionnelles ne sont généralement pas le premier choix pour l'usinage de finition, en particulier lorsque la dureté de la surface est supérieure à 45-50 HRC. Dans ces conditions, les plaquettes CBN sont souvent utilisées pour le tournage dur ou la finition dure, car elles offrent une meilleure résistance à l'usure et une meilleure stabilité thermique sur les surfaces durcies.
Pourquoi les lobes de came trempés nécessitent le CBN
Les surfaces durcies ont souvent une dureté de 50 à 65 HRC (dureté Rockwell). Dans cette plage de dureté, les plaquettes en carbure conventionnelles peuvent s'user rapidement, s'écailler facilement ou ne pas maintenir un état de surface stable et une bonne précision dimensionnelle. Le CBN est le deuxième matériau le plus dur après le diamant. Il reste stable aux températures très élevées rencontrées dans l'usinage de finition.
Plaquettes CBN pleines et plaquettes CBN sur tige
Vous verrez deux types d'outils CBN.
Plaquettes CBN monobloc (Massif)
L'ensemble de la plaquette est en CBN. Elles sont très chères, mais vous pouvez les utiliser des deux côtés et elles supportent très bien la chaleur.
Seul le coin d'une plaquette en carbure comporte un petit morceau de CBN brasé. Ces plaquettes sont beaucoup moins chères et conviennent bien pour les coupes de finition légères. Ici, vous n'avez besoin que d'une seule arête de coupe.
Sélection du grade CBN
Le choix de la qualité dépend du liant utilisé pour maintenir les cristaux de CBN ensemble.
Teneur élevée en CBN
Idéal pour les coupes interrompues, en particulier lorsque vous remarquez que l'outil frappe la surface de manière répétée.
Contenu à faible teneur en CBN
Idéal pour la finition continue des journaux afin d'obtenir une surface lisse et brillante.
Tournage dur et fraisage dur avec CBN
Vous pouvez utiliser le CBN de deux manières. Le tournage dur est comme le tournage normal, mais sur une pièce trempée. Il est souvent plus rapide que le broyage. Dans certaines applications, le fraisage dur ou l'usinage dur peuvent réduire une partie de la charge de travail de la rectification, mais la rectification est encore largement utilisée lorsque la précision du profil et la finition de la surface doivent être très étroites.
Comment choisir le bon outil de coupe
Vous devez choisir vos outils en fonction de la réalité de votre atelier, et non d'un simple catalogue.
Matériau et dureté de la pièce
Tout d'abord, vérifiez votre matériau. S'agit-il de fonte refroidie ? Ou s'agit-il d'un alliage d'acier nitruré ? La fonte refroidie est très abrasive, vous avez donc besoin d'un outil à haute résistance à l'usure. Si la pièce est déjà trempée, vous devez utiliser le CBN.
Étape d'usinage
N'utilisez pas un outil de finition pour un travail d'ébauche. Les outils d'ébauche ont besoin d'une macro-géométrie solide. Les outils de finition ont besoin d'une microprécision pour respecter des tolérances serrées.
Volume de production et coût par bord
Si vous fabriquez 100 000 arbres à cames par an, le prix d'une plaquette est moins important que sa durée de vie. Vous voulez un outil qui puisse fonctionner pendant toute une équipe sans avoir besoin d'être remplacé. Cela réduit les temps d'arrêt.
Rigidité de la machine et liquide de refroidissement
Les outils CBN détestent les vibrations. Si votre machine est ancienne, le CBN s'écaillera. Vous devez également choisir le liquide de refroidissement. Certains outils CBN fonctionnent mieux à sec car la chaleur favorise le processus de coupe. Toutefois, pour l'ébauche au carbure, un liquide de refroidissement à haute pression est généralement préférable pour éliminer les copeaux.
Matrice de sélection des outils de référence rapide
| Stade d'usinage de l'arbre à cames | État des matériaux | Outil de coupe recommandé | Objectif principal / avantage |
|---|---|---|---|
| Tournage d'un journal brut | Coulée brute / forgeage / acier doux | Plaquettes en carbure | Taux d'enlèvement de métal élevé, bonne résistance des arêtes, convient pour l'ébauche de surfaces instables. |
| Journal semi-fini | Matériau tendre ou pré-durci | Plaquettes en carbure revêtues | Meilleur contrôle dimensionnel et meilleure consistance de la surface avant le traitement thermique |
| Ebauche de lobes de came | Matière molle / matière première | Fraise en carbure indexable | Enlèvement de matière rapide et rentable pour le profilage des lobes |
| Fraisage semi-fini de lobes de came | Matériau tendre ou pré-durci | Fraise en carbure / fraise en bout en carbure monobloc | Contrôle plus stable du profil et meilleure préparation pour le traitement thermique ou la finition |
| Tournage dur des journaux | Surface trempée | Plaquettes CBN sur tige | Bon choix pour une finition légère, un état de surface stable et un meilleur coût par arête. |
| Finition dure des lobes de came | Surface trempée | Plaquettes CBN sur tige / grade CBN sélectionné | Convient pour la finition des surfaces trempées lorsque la résistance à l'usure et la qualité de la surface sont requises. |
| Usinage dur interrompu lourd | Matériau trempé avec coupe interrompue | Plaquettes CBN pleines / grade CBN haute résistance | Mieux adapté aux coupes plus lourdes, aux interruptions plus fortes ou à l'usinage dur en ébauche/semi-finition |
| Précision du profil final / Finition ultrafine | Arbre à cames trempé | Rectification / superfinition / finition dure CBN en fonction de la tolérance | Utilisé lorsque la précision du profil, la finition de la surface ou le contrôle de la géométrie finale sont très serrés. |
| Caractéristiques non standard de l'arbre à cames | Géométrie spéciale / accès limité aux outils | Outils de coupe sur mesure | Conçus pour des formes de lobes spéciales, des espaces étroits, des opérations combinées ou des temps de cycle améliorés. |
Outils de coupe sur mesure
Parfois, les outils standard d'un catalogue ne conviennent pas à la conception spécifique de votre moteur.
Quand l'outillage standard ne suffit pas
Si l'espace entre les lobes est très étroit, une fraise standard heurtera le lobe suivant. Il se peut aussi que la forme des lobes soit concave et qu'un outil plat ne puisse pas l'atteindre.
Scénarios courants d'outillage personnalisé
Vous avez besoin d'un outil à pas. Il s'agit d'un outil qui peut effectuer un virage et un chanfrein en même temps. Il vous évite de changer d'outil dans la machine. Un autre cas de figure est celui d'un barre d'alésage pour le trou d'huile qui traverse le centre de l'arbre à cames.
Que faut-il spécifier pour les outils sur mesure ?
Lorsque vous demandez un outil personnalisé, vous devez fournir trois éléments :
- Un dessin 2D ou 3D de la pièce.
- Le matériau exact et sa dureté.
- Le type de machine et la connexion de la broche.
Problèmes d'outillage courants et solutions
Même avec les meilleurs outils, il arrive que les choses tournent mal. Voici comment résoudre les problèmes les plus courants.
Usure prématurée des outils sur les surfaces trempées
Si votre CBN s'use trop rapidement, la raison en est la vitesse de coupe. Si la vitesse est trop lente, le CBN ne peut pas créer la déformation plastique dont il a besoin pour couper en douceur. Essayez d'augmenter la vitesse de 10%. En cas d'échec, vérifiez si le matériau est plus dur que prévu.
Mauvais état de surface des tourillons de roulements
Une surface déchirée signifie souvent que l'outil n'est pas assez affûté ou que la vitesse d'avance est trop élevée. Pour les tourillons, il est préférable d'avoir une très faible avance par tour. Veillez également à ce que votre outil ait une géométrie de racleur. Un racleur est un point plat sur le bord de la plaquette qui lisse la surface lors de la coupe.
Tolérances de levée de came incohérentes
Si la hauteur de vos lobes varie d'une pièce à l'autre, votre outil se déplace dans le support. Vérifiez votre force de serrage. La chaleur peut également entraîner une dilatation du porte-outil. L'utilisation d'un support hydraulique peut résoudre ce problème.
Vibrations et bavardages dans les fraises à lobes
Le bavardage laisse des rayures zébrées sur le métal. Cela se produit généralement parce que l'outil est trop long ou que l'installation n'est pas rigide. Essayez une fraise à pas différentiel. Cela signifie que les dents sont espacées de manière irrégulière, ce qui atténue les vibrations.
Résumé
Pour choisir l'outil adéquat, il faut adapter l'étape d'usinage à la qualité du matériau. Utilisez le carbure pour les premières ébauches et réservez le CBN pour la finition trempée. En mettant l'accent sur la rigidité de la machine et sur des conceptions personnalisées si nécessaire, vous pouvez produire de beaux arbres à cames avec le coût le plus bas possible par pièce.
FAQ
Quel est le meilleur type d'insert pour la finition des lobes d'arbre à cames trempés ?
Pour la finition des lobes d'arbre à cames trempés, plaquettes CBN sont généralement le meilleur choix. Ils offrent une bonne résistance à l'usure, une bonne stabilité à la chaleur et un bon état de surface, tout en maintenant un coût par arête plus raisonnable. Plaquettes en CBN massif conviennent mieux aux coupes plus lourdes, à l'usinage interrompu ou à l'ébauche/la semi-ébauche de surfaces trempées nécessitant une plus grande résistance de l'arête.
Les plaquettes en carbure standard peuvent-elles usiner des arbres à cames après traitement thermique ?
En général, non. Le carbure standard s'use presque instantanément sur les matériaux plus durs que 45-50 HRC. Vous avez besoin de CBN pour ces étapes.
Quelle est la différence entre les plaquettes CBN pleines et les plaquettes CBN sur tige ?
Le CBN massif est constitué d'une seule pièce de matériau, tandis que le CBN sur tige comporte une petite arête de coupe CBN fixée à une base en carbure. Les plaquettes CBN pleines fournissent plus de matériau CBN et peuvent convenir à des coupes plus lourdes ou à un usinage interrompu plus important. Les plaquettes CBN sur tige sont plus rentables pour les opérations de finition légères et continues.
Comment choisir entre le tournage dur et la rectification pour la finition du tourillon de came ?
Le tournage dur avec CBN est souvent plus rapide et consomme moins d'énergie. Toutefois, la rectification reste préférable si vous avez besoin de tolérances extrêmement serrées ou d'une texture de surface spécifique en forme de croix.
Proposez-vous des outils de coupe personnalisés pour des géométries d'arbre à cames spéciales ?
Oui, les outils sur mesure sont courants pour les formes de lobes uniques ou lorsque plusieurs étapes d'usinage doivent être combinées en un seul outil.
