Comprendre le processus d'ouverture

L'usinage est une opération d'usinage à haute productivité qui utilise un outil multi-dents appelé broche pour enlever le matériau en un seul passage. L'usinage comporte une série de dents de coupe, chacune légèrement plus élevée que la précédente, de sorte que chaque dent prend une petite puce. Le processus peut produire des formes internes (clauses, attelles, trous carrés, hexagones) ou externes (slots, déchirures, surfaces profilées) avec une excellente précision et répétabilité.

Malgré ses avantages, le brochage impose des contraintes strictes à la géométrie des pièces. Le brochage doit pouvoir entrer et sortir de la pièce en ligne droite, et la pièce doit avoir une rigidité suffisante pour résister aux forces de coupe. Il est essentiel de comprendre ces contraintes au début de la phase de conception pour éviter des travaux coûteux ou la nécessité de travaux secondaires.

Principes fondamentaux de conception pour le braconnage

Accès en ligne directe

La règle la plus importante dans la conception de l'ouverture est que l'ouverture doit se déplacer en ligne droite par rapport à la pièce. Que vous abordiez une porte-clé interne ou une agrafe externe, le chemin de l'outil ne peut pas être obstrué par des murs inclinés, des trous décalés ou des obstacles internes. Les concepteurs doivent s'assurer que l'ouverture peut entrer, passer et sortir de la pièce sans interférence.

Si votre pièce nécessite une forme interne aveugle, il est rarement possible d'ouvrir la broche parce que celle-ci doit sortir de la pièce après la coupe. Pour les applications aveugles, envisager d'autres procédés comme le fil EDM, la façonnage ou l'ouverture des deux extrémités (bien que cela ajoute de la complexité).

Partie Géométrie et dégagement

Pour l'ouverture interne, l'alésage de départ doit être plus grand que le plus petit diamètre de la broche. En général, une clairance de 0,1 à 0,2 mm (0,004 à 0,008 po) est recommandée, mais la valeur réelle dépend du matériau, de la taille des broches et du pas de la dent. Pour l'ouverture externe, la pièce doit être conçue avec suffisamment de clairance pour le porte-broches et les chaussures de guidage.

Les concepteurs devraient également tenir compte du côté de sortie de la pièce. La broche doit sortir proprement de la pièce; un changement soudain de section transversale ou un mur mince à la sortie peut faire casser les dents finales ou la pièce à déformer. L'ajout d'une chanfrein de sortie (45° à 1–2 mm) sur le côté de sortie aide à répartir la force de coupe en douceur et protège la dernière dent.

Simplifier les profils internes

Les géométries internes complexes avec des sous-coupes multiples, des largeurs variables ou des formes multilobées augmentent considérablement le coût des broches et peuvent nécessiter plusieurs passes de broche (ou plusieurs outils de broches). Chaque fois que possible, concevoir des caractéristiques internes comme des formes géométriques simples : des passages à touche rectiligne, des sections à simple éclaboussure ou des trous carrés à diamètre uniforme. Si des formes complexes sont inévitables, les cassent en une série d'opérations plus simples.

Les dents à broches ne peuvent pas produire un véritable coin intérieur de 90° parce que le tranchant a un rayon. Concevoir des coins intérieurs d'un rayon d'au moins 0,5 mm (0,020 po) pour correspondre au rayon du nez de la broche. Les rayons plus grands réduisent les concentrations de contrainte dans la pièce et l'outil, et ils permettent à la broche de couper plus librement.

Considérations matérielles concernant le braconnage

Le matériau qui est abordé affecte directement la sélection des outils, les vitesses de coupe et les tolérances réalisables. Les aciers à faible à moyen carbone (p. ex., 1018, 1045) sont idéaux pour le brochage parce qu'ils produisent des copeaux courts et bien brisés et ont une dureté prévisible. Les aciers à faible teneur en carbone (série 300 et 400) peuvent être brochés mais nécessitent des vitesses plus lentes, des angles d'outils plus nets et souvent une broche en acier ou en carbure à haute vitesse à teneur en cobalt. Aluminum[ et brass[ peuvent être très bien broyés, mais des matériaux gommés comme ]copper ou ] [faible‐carbone 1010 peuvent nécessiter des brise-côtes ou des géométeries spécialisées pour

Pour la plupart des pièces en acier, une dureté de 25–35 HRC est optimale pour l'ouverture. Les matériaux plus doux (moins de 20 HRC) ont tendance à se déchirer au lieu de se couper, ce qui produit une finition superficielle médiocre. Les matériaux plus résistants (plus de 45 HRC) entraînent une usure accélérée des outils et peuvent nécessiter des broches au carbure, qui sont beaucoup plus coûteuses. Si votre conception exige une pièce durcie, envisager de les broyer avant le traitement thermique, puis effectuer un broyage final minimal pour corriger toute distorsion.

Conseils importants pour le succès de l'ouverture

  • Fournir une épaisseur de paroi suffisante. L'écrasement exerce de fortes forces radiales et axiales. Des parois minces (moins de 3 mm pour les parois latérales en acier) peuvent déformer ou s'effondrer sous la force de coupe.
  • Ajouter des chanfreins d'entrée. Un chanfrein du côté d'entrée de la grille aide à guider l'outil dans la pièce de travail et empêche la première dent de se déchiquer.
  • Design for rectiligne feed La pièce doit être serrée de façon à ce que l'axe de la broche soit aligné sur l'axe de la machine.
  • Éviter les coupures. Les trous ou fentes internes qui croisent la trajectoire de la broche font que les dents coupantes se heurtent à l'espace ouvert, ce qui entraîne des bavardages, une mauvaise finition et une défaillance prématurée de l'outil.
  • Considérer la longueur de la traction. La broche doit être plus longue que la pièce à traverser complètement. La longueur totale de la broche comprend le pilote, les dents rugueuses, les dents de finition et l'extrémité du suiveur. Une broche typique est de 3-5 fois la longueur de la pièce. Assurez-vous que votre course de machine peut accommoder la longueur de la broche et la longueur de la pièce avec dégagement pour le chargement.
  • Utiliser des formes symétriques. Les forces de braquage sont plus stables lorsque la charge de coupe est équilibrée. Les caractéristiques asymétriques (p. ex., une porte de clé d'un seul côté) induisent des charges latérales qui peuvent déformer la broche et réduire la précision.

Formes brisées communes et leurs règles de conception

Clés (internes et externes)

Pour un porte-clés intérieur, le diamètre du trou de départ doit être égal à la profondeur du porte-clés et au double de la distance de dégagement. Les largeurs standard des porte-clés sont conformes aux normes de l'industrie (par exemple, ANSI B17.1, DIN 6885). Les concepteurs doivent spécifier la largeur et la profondeur du porte-clés, et non seulement la taille de la porte-clés, car les outils de coupe-clés sont faits pour couper des largeurs précises. Une tolérance de largeur de ±0,025 mm (±0,001 po) est typique pour les porte-clés brochés.

Essences (involutes, parallèles et dératées)

Les arbres et moyeux à rainures sont souvent montés pour des applications à haute torque. Les rainures à rainure en rotation (p. ex. SAE, DIN, ISO) offrent un engagement autocentré et lisse, mais elles exigent une géométrie précise des dents. Pour l'ouverture des rainures à rainure en rotation, le diamètre de l'entaille de départ doit correspondre au diamètre de la racine de l'entaille. La tolérance du diamètre principal de l'entaille est généralement ±0,05 mm (±0,002 po) pour les applications commerciales.

Carré et hexagonal par les trous

Pour un trou carré, le diamètre du trou rond de départ devrait correspondre à la longueur latérale du trou carré et à une petite ouverture pour l'entrée du trou. Le trou doit avoir une section pilote qui s'adapte au trou rond, puis une section de transition qui se transforme progressivement de rond en carré. Une pointe de conception : éviter les parois minces entre le trou carré et les caractéristiques adjacentes. La distance du trou carré à tout autre trou ou bord devrait être au moins trois fois l'épaisseur du mur pour éviter le gonflement pendant l'ouverture.

Finition de surface et tolérances

Le brochage peut atteindre des finitions de surface aussi basses que 0,4 μm Ra (16 μin Ra) dans des conditions idéales, et les finitions de production typiques sont 0,8–1,6 μm Ra (32–63 μin Ra). Pour obtenir la meilleure finition, concevoir les dents de finition avec une charge de puce légère (0,01–0,02 mm par dent) et s'assurer que le matériau n'a pas d'inclusions ou d'échelles dures. Le broyage génère une surface caractéristique qui se trouve parallèlement à la direction de traction, ce qui peut être avantageux pour la rétention d'huile dans les raccords coulissants, mais peut ne pas être acceptable pour les surfaces d'étanchéité.

Les tolérances pour les dimensions brochées sont généralement IT7 à IT9 (ISO) ou ±0,025 mm (±0,001 po) pour les diamètres des trous et les largeurs des fentes. Les tolérances de position dépendent de l'emplacement de l'axe de la broche par rapport à la partie de référence. L'utilisation d'un alésage de pilote serré (ajustement H7) peut améliorer la concentricité à moins de 0,05 mm TIR. Les concepteurs devraient éviter d'empiler des tolérances serrées dans plusieurs caractéristiques, car la broche suivra le chemin de la moins résistante.

Considérations relatives aux coûts et à l'outillage

L'outillage d'ouverture coûte cher : une seule ouverture interne peut coûter entre 500 $ et 5 000 $, selon la longueur, la complexité et le matériel. La production en grand volume (≥ 10 000 pièces par an) justifie l'investissement, tandis que les circuits à faible volume ou prototype peuvent être mieux desservis par le fil EDM ou l'ouverture sur un paresseur.

  • Des caractéristiques de conception qui permettent à une seule broche de couper plusieurs parties dans une pile (p. ex., des pièces à parois minces avec des formes internes identiques).
  • Évitez les coupures, les transitions pointues et les tailles non standard qui nécessitent des conceptions d'ouvertures personnalisées.
  • Précisez les dimensions standard chaque fois que possible, par exemple, utilisez un porte-clé de 6,35 mm (1/4 po) au lieu d'un porte-clé de 6,5 mm.
  • Planifiez le regrindage des broches. Une broche peut être replantée 3 à 5 fois avant d'atteindre la fin de sa vie. Concevez des pièces de sorte qu'une broche replantée (de largeur ou de diamètre légèrement plus petite) respecte encore les tolérances de dessin.

Il est également sage de considérer la machine à brocher elle-même. Les machines à brocher horizontales sont courantes pour les pièces internes longues, tandis que les broches verticales sont utilisées pour les surfaces planes extérieures et les porte-clés. La machine doit avoir suffisamment de course (longueur de la pompe) et de force (tonnage) pour conduire la broche à travers la pièce de travail.

Travailler avec un fournisseur d'entretien

La conception réussie de l'ouverture est une collaboration entre l'ingénieur et le fabricant de l'ouverture. Fournissez au fournisseur un dessin complet comprenant les tolérances, la qualité du matériau, la dureté et un repère défini pour l'axe de l'ouverture. Indiquez la direction de l'équerre, habituellement verticale pour l'ouverture de surface et horizontale pour l'ouverture interne, afin que le fournisseur puisse orienter la géométrie de l'outil de façon appropriée. Si vous n'êtes pas sûr de la taille optimale du trou de départ ou de la géométrie du chanfrein, demandez au fabricant de revoir la pièce et de recommander des modifications.

Pour les formes complexes, pensez à commander une broche d'essai ou un outil prototype fabriqué à partir d'un matériau moins cher (par exemple AISI M2 au lieu de PM M4) avant de vous engager dans un cycle de production complet. Cela vous permet de vérifier la formation de puces, la finition de surface et les tolérances sans l'investissement complet en outillage.

Erreurs de conception communes et comment les éviter

  • Les parois qui s'effondrent. Comme on l'a noté, les parois moins de 1,5 fois la profondeur de la fissure sont sujettes à la déformation.
  • Les coins de la tête à l'entrée ou à la sortie. Sans chanfrein, la première dent peut se briser et la dernière peut se briser.
  • Entrer les caractéristiques internes Ne pas concevoir une glissière qui relie une autre caractéristique ouverte à un angle droit. La broche ne peut pas faire un virage aigu. Utilisez une fente standard ou remodelez la pièce pour éviter les intersections.
  • Alésages à l'aide de formes brochées Sauf si vous utilisez une broche de poussée (qui nécessite un relief sous-parti), il n'est pas possible d'ouvrir les yeux avec des broches de traction standard.
  • Tolérance empilée en une seule opération. L'arrachage n'est pas un processus de finition pour des tolérances extrêmement serrées. Si vous avez besoin d'un IT6 ou mieux, planifiez une opération d'amorçage, de broyage ou de câblage subséquente.
  • Ignorer la formation de bûcher L'embrayage produit une bûcher fine du côté de la sortie. Concevoir la face de sortie pour permettre l'éburage (par exemple, en ajoutant une rainure de relief ou en spécifiant une opération de trébuchement secondaire).

Validation et simulation de conception

Avant de libérer une pièce pour le brochage, validez la conception à l'aide d'outils CAO et FEA. Vérifiez que la trajectoire de la broche est dégagée et que la pièce a suffisamment de rigidité pour résister à la force de coupe. De nombreux systèmes CAM incluent maintenant des modules de simulation de brochage qui peuvent montrer visuellement le chemin de l'outil et mettre en évidence les interférences.

De plus, revoyez le schéma de serrage de la pièce. Les forces de serrage peuvent atteindre plusieurs tonnes, de sorte que la pièce doit être maintenue solidement dans un montage qui ne fausse pas sous charge. Les méthodes de maintien de travail courantes comprennent les vis hydrauliques ou, les mandrins de col, et les fixations sur palettes avec des localisateurs.

Conclusion

La conception de pièces pour le brochage est une discipline qui combine simplicité géométrique, sensibilisation au matériau et compréhension claire des contraintes de l'outil. En suivant les principes énoncés dans cet article – assurer un accès direct, fournir un dégagement et des chanfreins adéquats, simplifier les formes internes et spécifier les matériaux appropriés – les ingénieurs et les concepteurs de produits peuvent libérer tout le potentiel de ce processus rapide et précis.

N'oubliez pas d'impliquer votre fournisseur d'ouverture tôt, de valider la conception avec simulation, et de construire en rayons et épaisseurs de paroi généreuses. L'ouverture n'est pas un processus qui tolère les raccourcis dans la conception, mais lorsqu'elle est appliquée correctement, elle fournit des composants avec une finition de surface exceptionnelle et une consistance dimensionnelle.

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