Dans le domaine de l'usinage de précision, obtenir un contrôle au micron près des diamètres de trous représente un défi important. Les outils d'alésage, en tant qu'instruments de coupe spécialisés pour l'usinage des trous, sont apparus comme la solution à cette exigence exigeante. Ces outils servent non seulement de composants cruciaux pour améliorer la précision des pièces, mais aussi de moyens efficaces pour usiner des géométries de trous internes complexes.

Un outil d'alésage est un instrument de coupe conçu pour l'usinage des trous, dont les fonctions principales sont les suivantes :

• Usinage de trous internes : Élargir les trous existants pour améliorer la précision dimensionnelle et la qualité de surface.
• Expansion du diamètre du trou : Augmenter le diamètre du trou selon les spécifications requises.
• Profilage interne des contours : Usiner des géométries internes complexes telles que des trous coniques et des trous étagés.

Comparé à d'autres méthodes d'usinage de trous comme le perçage, l'alésage et le brochage, l'alésage se distingue par ses capacités exceptionnelles de flexibilité et de contrôle de précision. Grâce à la coupe à un ou deux tranchants, les outils d'alésage peuvent atteindre une précision d'usinage au micron près, répondant aux exigences strictes de tolérance des trous jusqu'aux normes H7 ou même H6. Ces outils trouvent une large application dans diverses machines-outils, notamment les aléseuses, les tours et les fraiseuses.

Les outils d'alésage sont classés en fonction de la quantité de tranchants et des caractéristiques structurelles, les outils d'alésage à un et deux tranchants étant les variantes les plus courantes.

Les outils d'alésage à un tranchant ressemblent aux outils de tournage en structure, ne comportant qu'un seul tranchant. Pour l'usinage de trous de haute précision, on utilise généralement des outils d'alésage à réglage fin. Ces outils intègrent des mécanismes de réglage de précision qui permettent un contrôle exact du diamètre de coupe directement sur la machine-outil.

Le principe de fonctionnement implique un système d'indicateur à cadran de précision combiné à un mécanisme à vis fin entre le porte-outil et la tête d'alésage. En tournant le cadran, la tête de l'outil se déplace linéairement le long des clavettes de guidage, ce qui permet des ajustements de diamètre au micron près avec une précision atteignant 0,001 mm.

Les outils d'alésage à deux tranchants comportent deux tranchants positionnés symétriquement par rapport à l'axe central, ce qui permet des opérations de coupe simultanées. Cette configuration équilibre les forces radiales pendant l'usinage, améliorant ainsi l'efficacité de la coupe. En fonction de la structure du porte-outil, les outils d'alésage à deux tranchants sont en outre classés en types flottants et fixes.

• Outils d'alésage flottants : Principalement utilisés pour la finition, ces outils ressemblent à des alésoirs en structure et peuvent produire des trous avec une grande précision dimensionnelle et un excellent état de surface.
• Outils d'alésage fixes : Comportent des porte-outils rigides et conviennent aux opérations d'alésage générales.

Les outils d'alésage se composent généralement de deux composants principaux : le corps de l'outil et la tête de coupe. Le corps de l'outil sert de structure principale reliant la broche de la machine ou le porte-outil, tandis que la tête de coupe, fabriquée à partir de matériaux durs comme le carbure, effectue l'usinage réel en fonction des exigences spécifiques du traitement.

La sélection des matériaux pour les corps d'outils tient compte de la rigidité, de la résistance et des propriétés d'amortissement des vibrations. Les matériaux courants comprennent :

• Acier allié : Offre une bonne résistance et ténacité pour les applications d'alésage générales.
• Acier au tungstène : Offre une rigidité et un amortissement des vibrations supérieurs pour les opérations de haute précision et exigeantes.
• Composites en fibre de carbone : Combinent des propriétés de légèreté avec une grande rigidité, idéales pour la construction de grands outils d'alésage.

Les matériaux de la tête de coupe influencent directement les performances et la durée de vie de l'outil. Les options courantes comprennent :

• Acier rapide (HSS) : Offre une bonne ténacité et résistance à l'usure pour la coupe à basse vitesse.
• Carbure : Offre une dureté, une résistance à l'usure et une résistance à la chaleur élevées pour les opérations à grande vitesse.
• Céramiques : Offrent une dureté et une résistance à l'usure extrêmes pour les applications à haute température et à grande vitesse.
• Nitrures de bore cubiques (CBN) : Offrent une dureté ultra-élevée pour l'usinage des aciers trempés et des alliages résistants à la chaleur.
• Diamant : Possède la dureté et la résistance à l'usure les plus élevées pour les matériaux non ferreux et non métalliques.

Les outils d'alésage trouvent une large application dans pratiquement tous les domaines de l'usinage mécanique, notamment :

• Usinage des cylindres de moteur : L'alésage de haute précision des alésages de cylindres de moteur assure le bon fonctionnement des pistons.
• Usinage des cylindres hydrauliques : L'alésage de précision des intérieurs des cylindres hydrauliques maintient les performances d'étanchéité du système.
• Usinage des trous de roulements de précision : L'alésage précis des trous de roulements garantit la précision de la rotation.
• Usinage des moules : L'alésage de haute précision des cavités de moules garantit la précision dimensionnelle et la qualité de surface des produits.

La qualité de l'alésage dépend de multiples facteurs, notamment la rigidité du système d'outillage, l'équilibrage dynamique, la stabilité de la pièce, la géométrie de l'outil, les paramètres de coupe, les systèmes de broche de la machine et les méthodes de serrage.

La rigidité du système d'outillage influence de manière critique la qualité de l'alésage, en particulier pour l'usinage de petits diamètres, de trous profonds et de matériaux durs, notamment dans les opérations en porte-à-faux. Une rigidité insuffisante provoque des vibrations pendant la coupe, compromettant la précision et l'état de surface.

L'équilibrage dynamique fait référence à une répartition uniforme de la masse pendant la rotation. Le déséquilibre génère des forces centrifuges provoquant des vibrations, ce qui est particulièrement problématique dans les opérations à grande vitesse. La correction de l'équilibrage dynamique améliore la qualité de l'usinage.

La rigidité de la pièce détermine la résistance à la déformation. Les composants de petite taille, à parois minces ou les pièces à géométrie contrainte peuvent se déformer sous l'effet des forces de coupe sans une fixation appropriée. L'amélioration de la rigidité de la pièce grâce à des fixations appropriées ou à des points de support supplémentaires améliore la précision de l'usinage.

La géométrie de l'outil, y compris l'angle de dépouille, le rayon de nez et la configuration du brise-copeaux, affecte les forces de coupe. Différentes géométries produisent des niveaux de résistance variables—par exemple, des angles de dépouille plus grands réduisent les forces de coupe mais diminuent la résistance de l'outil. Une sélection appropriée de la géométrie correspond aux exigences spécifiques de l'usinage.

Les paramètres de coupe—vitesse, avance et profondeur de passe—influencent de manière significative les résultats. Une vitesse excessive accélère l'usure de l'outil, tandis qu'une vitesse insuffisante réduit l'efficacité. Des avances incorrectes provoquent une surcharge de l'outil ou un mauvais état de surface, tandis qu'une profondeur de passe incorrecte induit des vibrations ou prolonge le temps d'usinage. L'optimisation des paramètres garantit des résultats de qualité.

Les caractéristiques du système de broche, notamment la rigidité, les performances des roulements/engrenages et la qualité de la connexion du porte-outil, affectent les résultats de l'alésage. Une rigidité de broche inadéquate provoque des vibrations, tandis que de mauvaises performances des roulements/engrenages réduisent la précision de la rotation. Des connexions lâches entraînent une instabilité de l'outil. Des systèmes de broche rigides et de haute précision sont essentiels.

Les méthodes de serrage de l'outil ont un impact significatif sur la qualité de l'alésage. La hauteur du centre de l'outil représente un facteur critique—une hauteur incorrecte modifie les angles de dépouille et de dégagement effectifs, provoquant une interférence entre l'outil et la pièce. Au fur et à mesure que l'outil tourne, des frottements se développent, ce qui peut entraîner l'enfoncement de l'outil dans la pièce.

L'augmentation de l'angle de dépouille réduit les forces de coupe et la génération de chaleur, mais diminue la résistance du tranchant. Lorsque les angles de dégagement diminuent, les angles de dépouille effectifs augmentent, provoquant un raclage de l'outil—ce qui est particulièrement problématique dans l'alésage de petits trous. Un positionnement optimal de l'outil légèrement au-dessus de la hauteur du centre (tout en restant aussi près que possible) améliore les angles de dégagement et les conditions de coupe.

Pendant les vibrations, la pointe de l'outil se défléchit vers le bas en direction de la hauteur du centre, se rapprochant d'un positionnement idéal. Une légère rétraction de l'outil minimise le risque d'endommagement de la pièce. Des angles de dépouille plus petits stabilisent la pression de coupe, bien que des angles excessivement petits (approchant 0°) puissent provoquer une défaillance de l'outil—les outils d'alésage à angle de dépouille positif sont généralement préférés.

Dans les opérations d'alésage, la position interne de l'outil limite l'accès du fluide de coupe au tranchant, ce qui complique l'enlèvement des copeaux et réduit la durée de vie de l'outil. Les solutions incluent les outils refroidis en interne et les systèmes de fluide de coupe à haute pression.

La sélection des outils d'alésage dépend fortement du diamètre et de la longueur (profondeur et porte-à-faux) du trou. Les directives générales recommandent un porte-à-faux minimal et la taille d'outil pratique maximale. Une sélection, une application et un serrage appropriés de l'outil minimisent la déflexion et les vibrations.

Pendant la coupe, les forces tangentielles et radiales tentent toutes deux de défléchir l'outil de la pièce. La déflexion radiale réduit la profondeur de coupe et l'épaisseur des copeaux, ce qui peut provoquer des vibrations. La déflexion radiale affecte le diamètre du trou, tandis que la déflexion tangentielle déplace le tranchant vers le bas par rapport à l'axe central. Les considérations clés de l'alésage incluent la géométrie de l'insert, l'évacuation des copeaux et les exigences de l'outil.

L'angle d'attaque de l'outil influence la direction/l'amplitude de la force axiale et radiale. Le rayon de nez et l'angle affectent de manière critique la réduction de la force—une règle générale suggère un rayon de nez légèrement inférieur à la profondeur de coupe. Pour le tournage interne, les géométries à angle de dépouille positif génèrent des forces de coupe inférieures à celles des alternatives à angle de dépouille négatif. Les matériaux à faible frottement comme les plaquettes en céramique, les plaquettes à revêtement mince ou les plaquettes non revêtues produisent généralement des forces de coupe réduites et sont préférés.

L'évacuation des copeaux s'avère essentielle pour les performances et la sécurité dans l'usinage interne. Les copeaux courts augmentent la consommation d'énergie, les vibrations et l'usure en cratère, tandis que les copeaux longs provoquent des problèmes d'évacuation. Les copeaux idéaux sont courts et en forme de spirale, ce qui facilite leur enlèvement avec une pression minimale sur le tranchant.

La force centrifuge entraîne les copeaux vers l'extérieur, bien qu'ils restent souvent dans le trou, ce qui peut endommager la pièce et l'outil lorsqu'ils sont comprimés contre les surfaces usinées. L'amélioration de l'évacuation des copeaux implique l'application interne de fluide de coupe ou d'air comprimé à travers les canaux de la broche. L'alésage arrière permet de diriger les copeaux loin du tranchant. La réduction des vitesses de coupe et des petites têtes de coupe maximise l'espace de dégagement des copeaux.

La sélection des outils d'usinage interne suit ces principes :

• Sélectionnez le plus grand diamètre de barre d'alésage possible tout en maintenant un dégagement de copeaux adéquat.
• Assurez la compatibilité avec les paramètres de coupe et la formation de copeaux pour une évacuation en douceur.
• Minimisez la longueur du porte-à-faux—la longueur de serrage doit dépasser trois fois le diamètre de la barre.
• Choisissez des angles d'attaque supérieurs à 75°, de préférence proches de 90°, pour diriger les forces le long de l'axe de la barre.
• Sélectionnez des géométries à angle de dépouille positif pour minimiser la déflexion.
• Utilisez des rayons de nez inférieurs à la profondeur de coupe.
• Évitez les vibrations dues à un engagement insuffisant (dominé par le frottement) ou à un engagement excessif (grande profondeur/avance).
• Privilégiez les plaquettes en céramique ou à revêtement mince/non revêtues pour réduire les forces de coupe, en particulier avec des rapports longueur/diamètre élevés.
• Les géométries de brise-copeaux ouvertes profitent généralement aux opérations d'alésage.
• Des plaquettes plus résistantes peuvent être nécessaires en cas de problèmes d'entassement des copeaux ou de vibrations—des trajectoires d'outils modifiées peuvent améliorer la formation des copeaux.