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L’acier inoxydable est une matière polyvalente, adaptée aux multiples applications nécessitant robustesse et résistance à la chaleur ainsi qu’à la corrosion. Cependant, ces mêmes propriétés, (qui font des alliages en acier inoxydable d’exceptionnelles matières de structure), ne facilitent pas les processus d’usinage. Un bon équilibre, entre les propriétés, les géométries de l’outil et le choix des paramètres de coupe optimisés, peut considérablement améliorer la productivité de l’usinage des aciers inoxydables.

Évolution des alliages

Les alliages d’aciers inoxydables sont classés en deux catégories : ferritiques et martensitiques. Les alliages ferritiques comprennent 10 à 12 % de chrome et ne peuvent pas être traités. Les alliages martensitiques offrent des taux de chrome et de carbone plus élevés que les aciers inoxydables ferritiques et contiennent également du manganèse et du silicium. Ces alliages peuvent être durcis par traitement thermique. De nos jours, les alliages ferritiques et martensitiques ne sont pas très présents dans les environnements industriels mais sont largement utilisés pour le matériel domestique (des ustensiles de cuisine ou des outils de jardin, par exemple).

Avec la généralisation de l’utilisation de l’acier inoxydable, les alliages ont été souvent privilégiés dans les pièces nécessitants solidité mécanique et résistance à la corrosion. Afin d’améliorer la solidité de ces alliages, les métallurgistes y ont ajouté du nickel. Les alliages fer/chrome sont ainsi devenus des alliages fer/chrome/nickel. Ces matériaux portent la dénomination d’aciers austénitiques et leur utilisation est aujourd’hui devenue courante dans le secteur industriel lorsqu’une pièce doit offrir solidité et résistance à la chaleur ainsi qu’à la corrosion. Ces alliages sont généralement employés dans le segment de la pétrochimie pour les équipements généraux des environnements difficiles et dans l’industrie alimentaire où les normes d’hygiène exigent une résistance à la corrosion.

L’optimisation des performances d’un alliage, tel que l’acier inoxydable, rend forcément son usinage plus complexe. Les propriétés de résistance à la corrosion des alliages ferritiques et martensitiques sont simplement obtenues grâce à des procédés chimiques. Ces alliages ne seraient donc pas vraiment plus difficiles à usiner que l’acier ordinaire s´il n´y avait pas de nickel et d’autres éléments qui rendent les aciers austénitiques plus résistants aux déformations ainsi qu’à la chaleur. Le matériau est donc plus difficile à usiner.

Comprendre les alliages

Jusqu’à récemment, l’usinage de l’acier austénitique n’était pas bien appréhendé. Les opérateurs pensaient que, comme les alliages étaient plus robustes, les efforts de coupe devaient être supérieurs et qu’il fallait utiliser des outils à géométrie négative plus résistante avec des paramètres de coupe minimisés. Mais cette approche n’a fait que réduire la durée de vie des outils et n’a généré que de longs copeaux, des bavures fréquentes, une rugosité de surface insatisfaisante et des vibrations indésirables.

En réalité, les efforts de coupe à appliquer pour l´usinage de l’acier austénitique ne sont pas tellement plus élevés que ceux utilisés pour usiner des aciers normaux. La majeure partie de la consommation énergétique requise pour usiner l’acier austénitique est dû à ses propriétés thermiques. L´usinage des métaux résulte d’un processus de déformation et lorsque l’on usine de l’acier austénitique, cela génère une chaleur excessive.

Évacuer la chaleur de la zone de coupe est essentiel. En plus de résister aux déformations, l’acier austénitique ne présente qu’une faible conductivité thermique. Les copeaux créés lors de l’usinage d’aciers classiques absorbent et limitent la chaleur, mais les copeaux d’acier austénitique n’absorbent la chaleur que jusqu’à un certain point. Du fait que la pièce à usiner offre une conductivité thermique faible, l’excès de chaleur se propage dans l´outil, ce qui diminue sa durée de vie.

Les fabricants d’outils se servent de substrats de carbure afin de concevoir une dureté capable de supporter les températures élevées générées lors de l’usinage d’aciers inoxydables. De plus, l’acuité de l’arête de coupe de l’outil est tout aussi importante que la composition du substrat. Un outil plus tranchant coupe l’acier inoxydable plus qu’il ne le déforme : il génère alors moins de chaleur.

Des paramètres de coupe accrus

Le moyen le plus efficace d’évacuer la chaleur de la zone de coupe lors de l’usinage d’acier inoxydable est de configurer des profondeurs de passe et des vitesses d’avance les plus élevées possibles. Le but est d’optimiser la quantité de chaleur emportée par le copeau. Du fait de la faible conductivité thermique de l’acier inoxydable et donc du niveau limité d’absorption de chaleur de copeau, produire des copeaux plus grands permet de profiter de plus d’absorption de chaleur et favoriser l’évacuation de celle-ci. Paramétrer des profondeurs de passe plus élevées réduit le nombre de passes nécessaires pour réaliser une pièce. Il s’agit là d’un point fondamental car l’acier austénitique présente une tendance à l´écrouissage, lors de son usinage

Il existe des limites à ces stratégies d’usinage . Par exemple, les exigences des états de surface limiteront la vitesse d’avance. La capacité de l’outil , les efforts de coupe et la résistance de la pièce peuvent limiter les paramètres de coupe .

Les stratégies d´arrosage

Les propriétés thermiques de l’acier austénitique amènent à penser que le recours à un liquide de refroidissement est indispensable pour réussir à usiner ce type de matériaux. Il doit être de haute qualité et doit contenir au moins 8 ou 9 % d’huile dans une émulsion huile/eau (contre 3 ou 4 % d’huile dans les émulsions de nombreuses opérations d’usinage).

La gestion de l’arrosage est également cruciale. Plus la pressionest est élevée dans la zone de coupe, meilleur en sera le résultat. Les systèmes de distribution spécifiques tels que le Jetstream Tooling ® de Seco dirigeant un jet d´arrosage sous haute pression directement sur la zone de coupe sont encore plus efficaces.

Les revêtements des outils et processus d’usure Un revêtement dur renforce la dureté à chaud de la surface de l’outil et optimise la durée de vie dans des environnements à hautes températures. Cependant, un revêtement doit généralement être épais pour isoler le substrat de l’outil de la chaleur. Malheureusement, un revêtement épais n’adhère pas de façon optimale à une géométrie très tranchante. Les fabricants d’outils cherchent à rendre les revêtements plus fins tout en offrant une bonne résistance à la chaleur.

Les aciers austénitiques présentent une ductilité élevée et ont tendance à adhérer à l’outil de coupe. L’application d’un revêtement peut également empêcher l´arête rapportée , qui se produit lorsque le matériau colle à l’arête de coupe et s’y accumule. La matière de la pièce à usiner ainsi collée peut gêner le fonctionnement de certaines parties de l’arête de coupe, compromettant la qualité de l’état de surface et entraînant un dysfonctionnement de l’outil. Le revêtement peut apporter un glissement qui limite la fixation . Une vitesse de coupe supérieure peut également minimiser le processus de résistance à l’adhésion

Certains alliages d’aciers austénitiques contiennent des inclusions abrasives dures. Optimiser la résistance à l’abrasion d’un outil de coupe à l’aide d’un revêtement dur peut préserver la durée de vie de l’outil.

L’usure en entaille est provoquée par la tendance à l´ écrouissage, du matériau lors de son usinage. Elle engendre comme une usure extrêmement localisée de l´outil. L’application de revêtements appropriés et d’autres actions, telles que faire varier la profondeur de passe afin de répartir les zones d’usure sur l’arête de coupe, peuvent atténuer ce phénomène.

Le développement des outils

Les fabricants d’outils concentrent leurs efforts sur la recherche d’un équilibre entre les propriétés des outils pour offrir des performances optimales sur des matières à usiner spécifiques. Les études menées sur les nuances en carbure ont pour but de trouver un équilibre entre la dureté et la résistance afin qu’un outil ne soit pas assez dur pour se fracturer mais assez solide pour résister aux déformations. De même, une géométrie de coupe tranchante est recommandée mais ne sera pas aussi puissante mécaniquement parlant qu’une arête arrondie. Par conséquent, le travail de conception des géométries d’arête vise à créer un outil offrant le meilleur équilibre possible entre affûtage et puissance.

Dans le cadre de ce processus de développement, les fabricants d’outils révisent leurs instructions d´utilisation. Les recommandations actuelles pour le paramétrage des machines sont, pour la plupart, fondées sur l´usinabilité des aciers traditionnels, sans prendre en compte les facteurs thermiques qui deviennent cruciaux lors de l’usinage d’aciers austénitiques ou d’autres aciers hautes performances. Depuis peu, les fabricants d’outils travaillent avec des établissements universitaires pour modifier les procédures de test d’outils afin d’inclure certaines des caractéristiques thermiques de ces matériaux.

Ces nouvelles instructions incluent de nouveaux matériaux de référence. Les normes d’usinabilité étaient en général établies par rapport à un matériau de référence, un alliage d’acier, et à des charges mécaniques produites lors de l’usinage. Il existe désormais un matériau de référence pour les aciers austénitiques, et pour lequel des valeurs de référence de vitesse, d’avance et de profondeur ont été établies. Ce matériau de référence comprend également des facteurs d’équilibre et d’étalonnage qui autorisent des variations dans les valeurs de référence pour atteindre une productivité optimale avec des matériaux présentant des caractéristiques d’usinage différentes.

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Des géométries spécifiques pour des matériaux spécifiques Beaucoup d’outils offrent des performances tout à fait acceptables pour plusieurs types de matériaux, dans de nombreuses conditions de coupe et de paramètres d’usinage différents. Pour les demandes avec de faibles exigences de productivité et de qualité standard, ces outils sont économiquement intéressants. En revanche, pour profiter de performances maximum, les fabricants d’outils doivent jongler avec de nombreux éléments différents afin de créer des outils de coupe assurant une productivité et une fiabilité de processus de haut niveau pour usiner des matériaux de pièces spécifiques.

Les éléments de base d’un outil comprennent le substrat, le revêtement et la géométrie. Chacun de ces éléments est important mais c’est ensemble, en tant que « solution » que l´on fera le meilleur outil, en offrant des résultats supérieurs à ceux obtenus séparément.

Chaque élément d’un outil joue un rôle différent. Le substrat et le revêtement ont des rôles passifs : ils sont conçus pour créer un équilibre entre la dureté et la robustesse et résister aux températures élevées ainsi qu’à l’usure, l’adhésion et l’abrasion. La géométrie de l’outil, quant à elle, joue un rôle actif car son altération peut influer sur la quantité de métal déposée dans un délai donné, la quantité de chaleur générée, la formation de copeaux et l’état de surface.

Les plaquettes de géométrie de tournage traditionnelles M3 et M5 de Seco constituent des exemples classiques de différences de géométrie altérant les performances. Elles présentent des géométries d’arête de coupe négatives et des angles de coupe renforcés . La géométrie M3 est polyvalente et offre une ébauche moyenne ainsi qu’une durée de vie de l’outil et des brise-copeaux de bonne qualité pour usiner une large gamme de matériaux de pièces. La géométrie M5 a été conçue pour les applications exigeantes, à une vitesse d’avance élevée, associant haute résistance et efforts de coupe faibles.

Bien que polyvalentes et résistantes, les géométries M3 et M5 ne sont pas tranchantes au maximum et génèrent beaucoup de chaleur de déformation lors de l’usinage d’aciers austénitiques. En comparaison, les géométries MF4 et MF5 de Seco offrent une conception plus efficace pour l’usinage de l’acier inoxydable grâce à des géométries dotées d’angles de coupe plus positifs afin d’en conserver l’acuité tout en offrant une robustesse de l’arête de coupe . Ces géométries sont conçues pour une coupe douce afin d’effectuer des opérations intermédiaires et de finition sur les aciers et aciers inoxydables. La géométrie MF5 convient particulièrement à une utilisation nécessitant une vitesse d’avance plus élevée.

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