Les porte-outils assurent un lien crucial entre la machine et l’outil pour une meilleure productivité

Tous les porte-outils ne sont pas développés pour un usage universel
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.

Les paramètres liés à la pièce à usiner qui influent sur la sélection du porte-outil
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/min (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 flexibilté 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 ( < 5 µm à la pointe de l'outil) et d'une conception symétrique qui peut être équilibrée pour les opérations à haute vitesse. Des versions renforcées sont disponibles pour l'usinage intensif. Les porte-outils ER facilitent les changements rapides et couvrent une large gamme de diamètres de queue d’outil.

Les porte-outils à fretter offrent de bonnes forces de serrage de l’outil, une concentricité de 3 µm à 3xD et d'excellentes qualités d'équilibrage. Leur conception avec un profil affiné convient aux opérations difficiles d’accès de vos pièces.



Shrinkfit_Holder.jpg

Les versions renforcées permettent d’effectuer un usinage modéré à intensif, mais la force de maintien dépend des tolérances de l’alésage du côté de l’attachement et de la queue d’outil. Les porte-outils à fretter nécessitent l'achat d'un banc de frettage dont le processus de chauffe/refroidissement prend un peu plus de temps que de simplement permuter des pinces.

Les mandrins de fraisage à serrage mécanique « Power Milling Chucks » fournissent une force de serrage élevée et une forte rigidité radiale via plusieurs rangées de roulements à aiguilles. La conception permet le fraisage intensif et des changements d'outils rapides, mais le faux-rond peut être supérieur à celui des systèmes à pince. Les mandrins mécaniques sont généralement de conception plus encombrante que les autres catégories de porte-outil, ce qui peut restreindre l'accès des outils dans certaines opérations profondes.



Power Milling Chuck.jpg

Les mandrins hydrauliques qui utilisent la pression hydraulique pour générer une force de serrage ont moins d'éléments internes que les mandrins mécaniques. Par conséquent, ils ont un profil relativement mince. Ils disposent d’un faible faux-rond et sont efficaces pour l’alésage, le perçage et le fraisage à des vitesses de broche élevées, mais sont sensibles aux efforts de coupe radiale trop forte.

La manière dont le porte-outil maintient l’outil en place est toute aussi importante que la manière dont il se fixe sur la broche. La broche ou l'extrémité conique d'un porte-outil détermine la capacité de transfert de couple et établit l'exactitude de centrage de l'outil. Les cônes traditionnels BT, DIN et CAT sont efficaces sur des machines-outils plus petites mais peuvent être limités en vitesse. Les versions qui établissent un contact à la fois sur la face et le cône du porte-outil permettent une plus grande rigidité et précision, en particulier dans les cas avec un long porte-à-faux. Les plus grandes tailles de cônes sont dédiées généralement à transmettre un plus grand couple de manière plus fiable. Un porte-outil HSK-E32, par exemple, ne peut pas remplacer un HSK-A125A pour un usinage intensif.

Le choix de cône d'un porte-outil est souvent déterminé par les préférences et normes régionales. Le modèle HSK a vu le jour en Allemagne au milieu des années 1990, lorsque les machines-outils 5 axes gagnaient du terrain. Les cônes CAT se trouvent principalement aux États-Unis, alors qu'en Asie les attachements BT sont utilisés, souvent en versions contact cône/face.

Les connexions PSC (polygonal clamping system) et KM sont utilisées principalement sur les machines multi tâches et sont maintenant compatibles avec les normes ISO. Ces deux derniers systèmes de connexion sont également des systèmes modulaires, permettant de construire des assemblages de différentes longueurs en empilant simplement des rallonges ou des réductions. Ce type de porte-outils, qui permettent de tourner, fraiser ou percer des pièces dans un seul système sont de plus en plus appréciés à mesure que l'utilisation des machines multi tâches augmente.



Hydraulic Chuck.jpg

Même s'il existe des systèmes de porte-outils propriétaires protégés par des brevets, innovants et uniques, permettant d’obtenir des résultats impressionnants, un atelier doit mesurer la part de risque de cet avantage. Ces systèmes impliquent généralement des coûts plus élevés et un choix limité proposé par un seul fournisseur.

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.

Conclusion
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.

(encadré)
Un porte-outils pour chaque besoin
Seco Tools cherche continuellement à élargir la gamme de porte-outils qu'il offre pour répondre aux besoins spécifiques des clients. En 2000, Seco Tools a racheté l'entreprise française de systèmes de porte-outils EPB, qui possède une vaste expérience dans la conception et la fabrication de porte-outils, de têtes à aléser et de systèmes anti-vibratoires. Les ressources de Seco Tools Tooling Systems permettent à SecoTools d'offrir un large éventail de porte-outils prévus pour gérer des applications d'usinage particulières.

Par exemple, Seco Tools fournit différentes options offrant alors une variété de longueurs et de profils pour la gamme à fretter. Dans cette famille, les mandrins renforcés sont conçus pour les applications d'ébauche intensives, tandis que les mandrins type DIN sont un premier choix pour la semi-finition et la finition dans les opérations de coupe à grande vitesse où la qualité est une priorité. Les mandrins à fretter type moulistes, sont quant à eux conçus pour la semi-finition et la finition en cavités profondes comme celles de moules ou la fabrication dans l'industrie aérospatiale.

De même, Seco Tools fournit à la fois des mandrins à pince ER et ER Haute Précision (HP). Les mandrins ER conventionnels permettent aux utilisateurs de serrer différents diamètres de queues d’outils avec un seul mandrin et une série de pinces de différentes tailles. Les mandrins à pince HP produisent de bons états de surface dans des applications de finition haute vitesse et d'ébauche légère. Les porte-outils ont un effet d'amortissement pour minimiser la vibration de l'usinage. D’autres part, lors d’une casse d’outil il suffit de remplacer l’outil et éventuellement la pince, alors qu’avec un mandrin à fretter il faudra remplacer le porte-outil entier.

En cas d’usinage intensif, les mandrins de fraisage « Power Miling Chucks » pré-équilibrés chez Seco Tools sont capables de contribuer à un débit copeaux élevés et constituent des alternatives aux porte-outils à fretter ou Weldon. Ils sont faciles à mettre en œuvre et peuvent contenir différents diamètres d'outils avec l'utilisation de douilles de réduction. De même, par le biais de ce genre de douilles, les mandrins hydrauliques sont très flexibles, et offrent un faux-rond allant de 5 µm à 3xD et sont bien équilibrés pour des utilisations à grande vitesse. Le réservoir de fluide de refroidissement amortit l’usinage, ce qui permet d'optimiser la qualité de l’état de surface.

Le personnel de vente technique Seco est entièrement formé aux caractéristiques des porte-outils, leurs capacités et leur utilisation, et un support additionnel est disponible avec les experts régionaux. Doté de solides connaissances, le support technique expérimenté aide les clients à choisir les porte-outils qui correspondent le mieux à leurs pièces, leur équipement et leurs stratégies d'usinage spécifiques. Les catalogues Seco fournissent également un guide technique détaillé pour aider les utilisateurs à faire des choix les plus productifs et les plus rentables.

Par :
Yves Heitz, Directeur Produit Tooling System chez Seco Tools