Les porte-outils, lien déterminant entre machine et outil

Des machines-outils précises et des outils de coupe performants peuvent fournir une productivité exceptionnelle. Cependant, le lien entre ces outils et la broche de la machine, le porte-outil, joue un rôle crucial pour atteindre pleinement cette productivité.

Les fabricants d’attachements proposent une grande variété de porte-outils différents, souvent conçus pour garantir une performance optimale dans des applications d’usinage spécifiques. Ainsi, un atelier d’usinage devrait baser ses choix de porte-outils en fonction de ses opérations spécifiques ainsi que sur le type de pièces réalisées. Néanmoins, tandis que les ateliers cherchent à acquérir la technologie machine et les matériaux d’outils les plus avancés, ils minorent souvent le choix du porte-outil, leur utilisation appropriée en fonction de l’application et leur maintenance.

Pas de méthode unique et universelle de serrage d’outils

Il n’existe pas à ce jour une méthode unique et universelle de serrage d’outils qui serait adaptée à toutes les applications d’usinage. Un porte-outil conçu pour effectuer des opérations de finition à grande vitesse sera généralement dépourvu de la rigidité et de la force de serrage nécessaires pour être efficace, par exemple, dans l’ébauche de moules bruts. Inversement, un porte-outil destiné à l’ébauche sera généralement dépourvu des caractéristiques d’équilibrage suffisantes pour fonctionner à des vitesses élevées en finition. En outre, la conception robuste et l’encombrement d’un porte-outils d’ébauche peuvent limiter son utilisation dans la fabrication de pièces fines ou profondes. Les matières dures à usiner exigent des porte-outils ayant une meilleure résistance et rigidité. Par ailleurs, les capacités d’un porte-outil à amortir les vibrations ainsi qu’à délivrer le fluide de refroidissement sont également d’importants critères de sélection.
L’utilisation d’un porte-outil inapproprié peut entraîner des erreurs dimensionnelles et la mise au rebut de pièces, ainsi qu’une usure excessive sur les broches de la machine, une durée de vie de l’outil réduite et une augmentation de détérioration de l’outil. Sur des postes non critiques, un porte-outil avec un bon rapport qualité-prix peut produire des résultats satisfaisants. Mais dans les opérations où la précision est obligatoire (et surtout lorsque la mise au rebut d’une pièce coûteuse réduira la profitabilité), l’investissement dans des porte-outils haut de gamme ciblés sur les applications adaptées garantit de faibles coûts contre de telles pertes qui peuvent donc s’anticiper. Pour certains responsables d’ateliers, ne sélectionner que des versions longues pour être utilisé dans une variété d’applications différentes est une stratégie valide de réduction des coûts. Cependant, toujours appliquer le principe du porte-outil le plus court permet de maximiser la rigidité, de minimiser les vibrations qui dégradent les surfaces et de préserver la durée de vie de l’outil. Les porte-outils représentent moins de 2 % du coût total de production. Essayer de réduire ces coûts de moitié entraînerait des économies négligeables, tandis qu’une pièce à usiner mise au rebut ou un outil cassé a un effet financier, quant à lui, immédiatement mesurable.
Les outils et les porte-outils d’une qualité supérieure peuvent accroître les taux de production pour un retour immédiat sur l’investissement. En particulier dans les secteurs tels que la fabrication de composants pour l’aérospatiale où la stabilité des processus d’usinage est primordiale, de nombreux fabricants se concentrent surtout sur l’acquisition de porte-outils haut de gamme afin d’éviter de produire des pièces défectueuses et de perdre du temps dans les résolutions de problèmes engendrant des arrêts machines coûteux. Ces fabricants prennent généralement beaucoup de temps à valider de nouveaux concepts de porte-outils avant de les certifier pour la production.

Porte-outil en fonction de la pièce à usiner

Les facteurs influençant le choix de porte-outil incluent l’usinabilité de la pièce à réaliser pour chaque opération, ainsi que la configuration finale de celle-ci, qui peut conditionner les dimensions du porte-outil nécessaires pour atteindre certains accès et/ou caractéristiques. De plus, les porte-outils devraient être aussi simples et faciles à utiliser afin de réduire la probabilité d’une erreur de l’opérateur. Quelle que soit la technologie de serrage d’outil utilisée, la rigidité de la machine, la puissance de sa broche et sa capacité à générer des tolérances serrées détermineront quelles opérations sont réalisables. Par exemple, tenter de produire des tolérances à l’échelle des microns sur une machine usée est une perte de temps. Les éléments de base d’une machine-outil jouent un rôle clé : une machine rapide avec guidages linéaires permettra de tirer le meilleur parti des porte-outils dédiés à la grande vitesse, tandis que les machines avec des guidages prismatiques seront meilleures pour l’usinage intensif. Une machine multiusage exploite pleinement les capacités de porte-outils qui peuvent accomplir à la fois des opérations de tournage et de fraisage/perçage.
La stratégie d’usinage utilisée orientera aussi le choix du porte-outil. Par exemple, les ateliers peuvent choisir des outils pour optimiser la productivité dans des opérations de coupe à grande vitesse impliquant des profondeurs de passe plus légères, ou dans des situations de coupe hautes performances qui mettent l’accent sur le taux de débit copeaux élevé pour les machines-outils avec une puissance suffisante mais une capacité de vitesse limitée.
Le faux-rond faible et répétable peut aider à assurer un engagement constant de l’outil et donc de réduire les vibrations et optimiser la durée de vie de l’outil. L’équilibre est essentiel, et un porte-outil de haute qualité doit être équilibré à une qualité G2,5-25 000 tr/mn (1 g.mm). Les ateliers peuvent effectuer leurs propres recherches et consulter leurs fournisseurs pour déterminer le ou les systèmes de porte-outils dont le coût correspondra à leurs besoins de production.

Chaque porte-outil a son créneau

Qu’ils soient simplement des Weldon, des mandrins à pince, des mandrins à fretter, à serrage mécanique ou hydraulique, les porte-outils devraient s’adapter aux exigences spécifiques d’utilisation. Par exemple, les Weldon sont rigides, faciles à utiliser et peuvent transmettre un couple élevé et assurer une fixation sécurisée et rigide avec une forte capacité anti-éjection. Ils sont bien adaptés pour l’ébauche de base, mais sont dépourvus de concentricité précise. En général, ils sont par nature « déséquilibrés » et ne s’appliquent pas de manière productive aux applications utilisant des vitesses de rotation élevées. Les mandrins à pince et les pinces interchangeables sont la forme la plus courante pour tenir des outils à queue cylindrique.
Les mandrins ER sont parmi les plus populaires et fournissent une grande flexibilité d’utilisation, disponibles dans une large gamme de tailles offrant un serrage suffisant pour des opérations légères et fiables en fraisage et en perçage. Les porte-outils à pince ER de haute précision (HP) disposent de faux-rond faible (Coût et autres considérations

Bien que le coût de base d’un porte-outil de type hydraulique ou mécanique soit supérieur à celle d’un porte-outil à pince ou à fretter, d’autres facteurs sont à prendre en considération, tels que les frais d’un banc de frettage, et le temps nécessaire pour changer les outils. Il est également nécessaire d’avoir un porte-outil à fretter pour chaque diamètre d’outil, alors qu’avec un mandrin à pince par exemple, il suffit d’un mandrin unique et d’un jeu de pince couvrant tous les diamètres d’outils utilisés. Les opérateurs jouent également un rôle crucial dans le succès de l’utilisation du porte-outil. Comme avec des machines-outils et d’autres équipements, les porte-outils nécessitent une utilisation et une maintenance correctes afin de maximiser leurs avantages et de les utiliser à leur plein potentiel.
Par exemple, l’opérateur doit insérer la queue de l’outil complètement dans le porte-outil. Un mauvais serrage mènerait à une vibration altérant la précision ou même risquerait l’éjection de l’outil. Les instructions de montage livrées avec les produits doivent être scrupuleusement respectées. Les opérateurs ne doivent pas utiliser une clé de serrage avec un manche inapproprié, souvent trop long, pour appliquer un couple excessif lors du serrage de l’outil.
L’entretien de l’outil est également important mais est souvent ignoré. Les opérateurs doivent toujours nettoyer les porte-outils avant l’utilisation et inspecter la broche. Les porte-outils doivent être conservés dans des endroits propres et secs (distributeurs automatiques d’outils de Seco). Quant au cône de l’outil, il doit être protégé à l’aide d’un capuchon. La pression des mandrins hydrauliques doit être vérifiée régulièrement.

Le porte-outil du futur

Les ateliers d’usinage doivent reconnaître l’importance des porte-outils dans le processus d’usinage et apprendre à sélectionner le bon porte-outil adapté à leurs machines-outils, leurs stratégies d’usinage et la spécificité de leurs pièces à usiner ; ceci permettra d’augmenter la productivité et de réduire les coûts. Dans le même temps, les fabricants de porte-outil s’efforcent de créer des outils de sélection de plus en plus conviviaux facilitant le choix des utilisateurs parmi un large panel de solutions de serrage. Les améliorations futures vont au-delà du porte-outil même. La gestion des outils à l’aide d’un logiciel et de puces RFID est de plus en plus utilisé dans les usines digitalisées. Les progrès de la technologie de porte-outils incluent les porte-outils équipés de capteurs qui permettent la surveillance des forces sur le porte-outil en temps réel. Les données recueillies permettent le réglage en cours d’usinage des paramètres, soit par l’opérateur, soit même automatiquement via l’intelligence artificielle en lien avec l’unité de commande de la machine. Ceci ainsi que les nouvelles technologies renforceront encore plus le bénéfice productif que les porte-outils fournissent aux opérations d’usinage.