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Et c´est grâce aux porte-outils de frettage spéciaux massifs,munis d´éléments d´entraînement et de gorges hélicoïdales se trouvant dans la queue de l´outil, que même des rainures d´une profondeur de 2 x D (50 mm) et plus peuvent maintenant être réalisées dans les matériaux parmi les plus difficiles à usiner, le tout avec une qualité élevée. Des essais d´application en conditions réelles chez le constructeur de machines-outils HELLER ont prouvé de façon significative l´effet positif du système Safe-Lock™de HAIMER.Usinage d´ébauche en titane : sans protection Safe-Lock™, l´outil se déplace du mandrin standard et se casse à ap = 2 x D. Mais avec des porte-outils Safe-Lock™ de HAIMER de la gamme Power ou Heavy Duty, des rainures dans le plein avec ap = 2 x D peuvent être fraisées en toute sécurité. Images : Heller / Haimer

Dans les secteurs de l´aéronautique et du spatial, de l´énergie et des constructions mécaniques, les responsables de production doivent aujourd´hui concilier rentabilité et stabilité élevée des processus d´usinage de matériaux difficiles à usiner. La bonne nouvelle est que plus les défis augmentent, plus la technologie d´usinage évolue. La société Gebr. Heller MaschinenfabrikGmbH est depuis longtemps un générateur d´impulsions innovatives autour de ce sujet. L´entreprise allemande est connue de longue date pour la grande qualité de ses centres d´usinage à quatre ou cinq axes, ses centres de fraisage-tournage, ses machines pour l´usinage d´arbres à cames et de vilebrequins. Ses clients apprécient non seulement la disponibilité élevée, mais aussi la compétence du fournisseur de solutions qu´est HELLERen matière de processus d´usinage. Devant lui-même faire face au quotidien aux évolutions de sa propre fabrication interne, le constructeur cherche en permanence à améliorer ses processus par une coopération étroite avec ses clients, fournisseurs et autres instituts de recherche.

Les opérations d´ébauche recèlent un grand potentiel

Werner Kirsten, responsable du développement technologique chez HELLER et expert en « matériaux difficiles à usiner », précise : « Notre offre comprend également l´optimisation des processus d´usinage,en collaboration avec nos clients et nos fournisseurs. Nous disposons d´ailleurs à notre Centre Technique de Nürtingen de machines adaptées pour effectuer les essais pratiques nécessaires ». Dans la plupart des cas, il s´agit d´augmenter la productivité, sans pour autant compromettre la sécurité des processus. « Souvent nous atteignons cela grâce à des opérations d´ébauche optimisées réduisant au maximum les opérations de finition. », explique le technologue. « En règle générale, en maintenant les valeurs technologiques, une réduction de moitié de la surépaisseur de finition réduit de moitié le temps total d´usinage. Cependant, les conditions préalables pour cela sont des systèmes stables et maîtrisables. »

Dans ce contexte, il est indispensable de prendre en compte l´ensemble de la chaîne des processus en améliorant la productivité.. Certes, la machine-outil est un composant dominant dans l´usinage, mais les outils, le serrage d´outils, l´alimentation en réfrigérant et d´autres éléments jouent aussi un rôle essentiel pour obtenir un usinage performant. « Au final, c´est le maillon le plus faible de la chaîne des processus qui limitera le succès », souligne Werner Kirsten. Selon lui, bon nombre d´usineurs ne portent pas assez d´attention aux porte-outils, alors que c´est surtout dans l´usinage à haute performance qu´ilfaut y attacher une importance particulière. « C´estle résultat de nombreux essais que nous avons effectués au cours de ces dernières années. » rapporte Werner Kirsten. « Nous avons constaté que le porte-outil peut influencer énormément le processus. En utilisant des porte-outils renforcés par exemple, le point d´oscillation sera situé beaucoup plus proche du point d´appui grâce à une masse plus importante. C´est ainsi que nous avons obtenu- avec le même outil, la même machine, les mêmes paramètres d´usinage et le même serrage - un processus bien plus stable avec moins de vibrations et une bien meilleure qualité de surface. »

Le serrage d´outils - un facteur de productivité important

C´est donc en choisissant le bon porte-outil que de bons résultats peuvent être obtenus en termes de productivité et d´état de surface, même avec des outils standards simples. Werner Kirsten a par exemple réalisé des essais de comparaison avec un outil simple à quatre dents sans alimentation interne en réfrigérant. Comme alternative à un porte-outil de frettage standard, il choisit un porte-outil Power Shrink Chuck HAIMER avec système de refroidissement Cool-Flashpermettant au fluide lubrifiant de s´écouler directement sur l´outil jusqu´à la pointe. « En comparaison avec un porte-outil de frettage standard àalimentation externe en réfrigérant, nous avons pu obtenir des paramètres de processus nettement meilleurs. »

Une étude d´application à long terme a aussi eu lieu avec des responsables du secteur de l´aéronautique, des représentants de l´ISF de l´université technique de Dortmund (TU Dortmund) et de l´IMPT de l´université technique à Hambourg-Harburg (TU Hamburg-Harburg), qui ont été invités par HELLERà effectuer des essais pratiques de fraisage dans du titane Ti-6AI-4V.

Pousser les limites pour acquérir de nouvelles connaissances

Un centre d´usinage horizontal à quatre axes,HELLER H 5000a été mis à disposition pour effectuer de tels essais.Equipé d´une unité d´usinage fournissant un couple jusqu´à 2.290 Nm, il possède aussi une broche HSK-A 100.

Afin de démontrer les potentiels d´usinage, des rainures dans lamasse ont alors été fraisées dans une plaque en titane, avec des outils à quatre dents d´un diamètre D = 25mm. Les outils ont été serrés dans des porte-outils de frettage renforcés, comme il est de coutume de procéder dans l´industrie aéronautique et spatiale. Avec une profondeur de coupe axiale apde 0,5 à 1 x D, le processus d´usinage a été fiable.Mais la broche n´ayant été que faiblement mise à l´épreuve, les participants aux essais ont convenu d´usiner des rainures dans le plein avec ap = 2 x D. Werner Kirsten rapporte : « Avec cette sollicitation, l´outil s´est détaché du porte-outil pendant l´usinage. Ils´est déplacé en direction de la pièce et a généré une plongée jusqu´à une profondeur de 2,5 x D, correspondant à une profondeur de 62,5 mm. Après, l´outil s´est cassé suite à la sollicitation plus élevée. »

Les spécialistes en fraisage étaient un animes sur le fait que la force de serrage du mandrin limite le processus. Dès qu´elle est dépassée par la charge axiale et que des vibrations dues au processus se font ressentir, l´outil, en raison des efforts, se déplace du mandrin en direction de la pièce. En même temps, la pression de coupe devient de plus en plus forte, de telle sorte que l´outil finit par se casser et la pièce est irréversiblement endommagée.

Des causes éventuelles et des mesures préventives possibles furent ensuite l´objet de discussions intensives. Werner Kirsten en conclut que l´outil, en dépassant les forces de serrage, devrait se déplacer à guidage forcé en direction de la broche. Recherchant une solution adéquate, il finit par porter son attention au système Safe-Lock™ breveté par HAIMER. En effet, en plus de la complémentarité de force, celui-ci apporte une protection anti-extraction. Si l´outil se détachait dans les porte-outils standards, avec le système Safe-Lock™, il ne pourrait pas sortir de son logement grâce aux rainures hélicoïdales.De même, tout déplacement seraitévité en mettant la vis de butée réglable.

Agir contre l´extraction des outils

Werner Kirsten pris alors contact avec HAIMER, le leader européen de la technique de serrage d´outils, pour tester le système Safe-Lock™ : « Nous voulions savoir, si nos idées et la mise en oeuvredu système HAIMER pouvait faire gage de pérennité dans la pratique. » L´ingénieur HELLER a ensuite renouvellé l´essai avec quelques conditions modifiées. Ainsi, une rainure du système Safe-Lock™ de HAIMER a été intégrée dans des outils identiques précédemments utilisés. En outre, les responsables de l´essai ont réduit l´interface de HSK 100 à HSK 63 et ont,pour cela,utilisé un centre d´usinage cinq axes avec broche de transmission.Et pour encore compliquer la situation de l´usinage, la pièce a été serrée de biais dans l´espace de travail.

Le résultat : même dans de telles conditions extrêmes, l´outil a résisté à la sollicitation et la rainure dans le plein 2 x D = 50 mm a été produite en toute sécurité. Werner Kirsten commente : « Ainsi, nous pouvions prouver indirectement le fonctionnement du système Safe-Lock™ et les potentiels ouverts de la technologie de frettage en HSK-A 100, surtout sur les centres d´usinage cinq axes avec broche de transmission. » Par la suite, ce test en Ti-6Al-4V a été effectué plusieurs fois, entre autres au cours du salon aéronautique international de Farnborough en Grande-Bretagne. Il a donc été prouvé que la limite qui était jusqu´à présent de 1 x D = 25 mm pour l´usinage dans la masse de rainures en titane a pu être multipliée par deux grâce au système Safe-Lock™.

Kirsten en conclut :« Pour des opérations d´ébauche, c´est vraiment une protection fiable. C´est pourquoi je considère le système Safe-Lock™ de HAIMER comme un plusdans la technologie de frettage. Il est facile à utiliser et fiable.Nous y recourons volontiers, surtout en combination avec de nombreux outils standardisés d´autres fabricants. »

Nombre de fabricants d´outils proposent aujourd´hui des produits Safe-Lock™

HAIMER ayant reconnu très tôt le grand potentiel du système Safe-Lock™,la société attribue dorénavant aux fabricants d´outils innovateursdes licences pour le système anti-extraction breveté. Et le succès n´est d´ailleurs plus à prouver chez les leaders comme Walter, Widia, SandvikCoromant, Seco Tools, Sumitomo, Kennametal, Helical, Emuge Franken, Data Flute, Niagara, OSG, SGS Tools et depuis peu Mapal.

Grâce à sa diffusion croissante et continue, le système Safe-Lock™ passe en quelque sorte pour être le nouveau standard « de facto » pour l´usinage lourd et d´ébauche. Aussi pour de nouvelles stratégies de fraisage tel l´usinage trochoïdal, le système Safe-Lock™ remplace le système de serrage obsolète Weldon.

Andreas Haimer, PDG du groupe HAIMER,explique quant à lui : « Avec notre système Safe-Lock™, nous avons trouvé une solution unifiant une concentricité élevée et une protection anti-extraction de 100%. Elle s´est établie désormais avec succès comme un standard,notamment dans le secteur aérospatial et en général en usinage lourd et d´ébauche. Aujourd´hui, pour de bonnes raisons, de plus en plus d´utilisateurs des stratégies trochoïdales passent au système Safe-Lock™. »

La productivité s´accroît nettement lors du fraisage trochoïdal moderne, où la vitesse de coupe et la profondeur de pénétration de l´outil sont augmentées de manière significative grâce au support logiciel.Toutefois, le risque de l´extraction des outils augmente en raison des efforts de coupe plus élevés, un risque auquel on était confronté jusqu´à présent avec des fraises et mandrins Weldon. Un porte-outil de frettage avec Safe-Lock™ offre cependant la même sécurité que Weldon et présente, de surcroît, l´avantage du serrage extrêmement précis. Cela devient visible lors du fraisage trochoïdal, où un copeau fin est usiné,mais en revanche, il est réalisé sur toute la longueur de l´arête de coupe. Les bonnes caractéristiques cinématiques et concentriques combinées avec la sécurité de serrage du système Safe-Lock™ offrent une durée de vie optimale de l´outil etun volume d´usinage élevé.

Werner Kirsten, technologue chez Heller :« Je considère le système Safe-Lock™ de HAIMER comme un plus dans la technologie de frettage. Il est facile à utiliser et fiable. Nous y recourons volontiers, surtout en combinaison avec de nombreux outils standardisés d´autres fabricants. »

Porte-outil de frettage avec contour standard (à gauche), Heavy DutyShrink Chuck HAMER (centre) et Power Shrink Chuck HAIMER (à droite). Les deux derniers peuvent être équipés de la protection anti-extraction Safe-Lock™. Dans cette combinaison, il en résulte une précision de concentricité très élevée avec sécurité du processus absolue et protection anti-extraction.

Avec le système Safe-Lock™ de HAIMER, des rainures hélicoidaless ont usinées dans la queue des outils. En opposition du sens de rotation outil, elles empêchent l´extraction de l´outil en cas d´opérations extrêmes. Le porte-outil de frettage Power Shrink Chuck de HAIMER, faible en vibrations, existe aussi avec l´option Cool-Flash. Des outils sans alimentation interne en réfrigérant profitent du fait que le fluide lubrifiant s´écoule directement sur l´outil jusqu´à la pointe. Il en résulte des processus d´usinage améliorés.

Avec Walter, Widia, SandvikCoromant, Seco Tools, Sumitomo, Kennametal, Helical, Emuge Franken, Data Flute, Niagara, OSG, SGS Tools et, depuis peu, Mapal, des fabricants d´outils leader font désormais partie des détenteurs de licence du système Safe-Lock™ HAIMER.. Ces fabricants offrent leurs outils en carbure monobloc avec le système Safe-Lock™ dans la queue d´outils.

HAIMER sur l´AMB 2016 : Hall 1, Stand C59