Parmi les premiers matériaux Utilisé depuis l'Antiquité dans la fabrication, l'alliage de bronze est employé et apprécié des ingénieurs. de bronze Il est usiné dans de nombreux domaines, notamment l'aérospatiale et le secteur maritime, en raison de son impressionnante durabilité et de sa résistance à la corrosion, ainsi que de ses faibles caractéristiques de friction.
Ce guide a pour but de couvrir l'ensemble du processus d'usinage du bronze par commande numérique, depuis les différents alliages de bronze et la manière de choisir le meilleur en fonction de vos besoins, jusqu'aux différentes subtilités liées à l'usinage du bronze.
Qu'est-ce que l'usinage du bronze ?
En résumé, l'usinage du bronze est un procédé de fabrication soustractive où, grâce à un logiciel de CAO/FAO et à l'usinage CNC, un alliage de bronze est transformé d'un bloc massif en la forme souhaitée. Le bronze peut être fondu et coulé dans une forme prédéterminée ; cependant, pour de nombreuses applications hautes performances, il est préférable d'usiner l'alliage, car cela permet un bien meilleur contrôle des tolérances et une finition de surface plus lisse.
L'alliage le plus courant avec le bronze est le cuivre, le principal métal d'alliage étant l'étain ; cependant, pour ajuster précisément les caractéristiques de l'alliage souhaité, on peut également utiliser d'autres métaux tels que le zinc, le manganèse, l'aluminium ou le nickel.
L'une des raisons de l'utilisation de ce matériau réside dans son usinabilité. En général, les différents alliages de bronze présentent une bonne usinabilité, bien que celle-ci dépende de la variété. Outre sa facilité de coupe, ce matériau possède d'autres propriétés intéressantes, telles qu'une conductivité thermique élevée et une excellente résistance au frottement, ce qui le rend idéal pour les composants en contact avec d'autres métaux, comme les engrenages et les bagues.
Le processus d'usinage du bronze par commande numérique
Bien que le bronze soit travaillé manuellement depuis des siècles, l'usinage CNC du bronze cuivré a permis d'atteindre un niveau de précision et de répétabilité sans précédent. Les systèmes à commande numérique par ordinateur (CNC) rendent possible la réalisation de formes complexes inaccessibles à l'usinage manuel.
Tournage CNC vs. Fraisage CNC
La méthode CNC employée est basée sur la géométrie de la pièce à fabriquer.
- Tournage CNC : Si les pièces sont cylindriques, comme des bagues, des roulements ou des arbres, c’est la méthode la plus courante. Un tour CNC est l’outil de prédilection. La pièce en bronze tourne dans le tour, tandis qu’un outil de coupe fixe enlève la matière.
- Fraisage CNC : Si la pièce n’est pas cylindrique, comme dans le cas de supports, de plaques ou de boîtiers complexes, le procédé reste le même. La pièce demeure immobile tandis qu’un outil de coupe rotatif se déplace sur sa surface pour y usiner la forme souhaitée.
Choisir l'outil d'usinage en bronze CNC approprié
L'usinage CNC du bronze dépend fortement de l'outil. On privilégie le carbure en raison de sa résistance aux hautes températures et des vitesses de coupe élevées et faibles qu'il permet. Il en résulte une durée de vie de l'outil prolongée et un meilleur état de surface.
Il est important de trouver le juste équilibre pour les vitesses de coupe, car le bronze est plus dur que le plastique mais plus tendre que l'acier. Si les vitesses de coupe sont trop lentes, l'outil peut frotter et couper, ce qui entraîne un écrouissage. En revanche, si les vitesses de coupe sont trop rapides, la génération de chaleur peut compromettre la précision dimensionnelle de l'outil final.
Qualité des alliages de bronze pour l'usinage CNC
Il est erroné de considérer le bronze comme un matériau unique. En réalité, il s'agit d'une catégorie d'alliages, et par conséquent, le choix de la nuance appropriée est primordial lors de sa fabrication. Chaque nuance présente une combinaison différente de malléabilité, de résistance à la traction et de résistance à la corrosion.
Palier en bronze C932 (SAE 660)
Le C932, également connu sous le nom de SAE 660, est sans doute l'alliage de bronze le plus utilisé dans le monde de l'usinage. Sa composition comprend du cuivre, de l'étain et du plomb.
- Propriétés :Le plomb contenu dans cet alliage lui confère une excellente usinabilité ainsi que des propriétés autolubrifiantes. Le bronze, quant à lui, ne subit pas de traitement thermique ; il est en revanche plus dur et offre une grande résistance à l’usure.
- Meilleure utilisation:Comme son nom l'indique, il s'agit de la référence en matière de bagues, de roulements et de rondelles de butée nécessitant un faible frottement.
C954 Aluminium Bronze
Le bronze d'aluminium C954 est parmi les bronzes les plus avantageux à utiliser lorsque la résistance est requise, car il s'agit d'un alliage à haute résistance d'aluminium, de fer et de nickel.
- Propriétés : Il présente une limite d'élasticité supérieure et une haute résistance à la rouille, y compris à l'usure et à la fatigue, car il est de nature mécanique même à haute température, contrairement au C932.
- Meilleure utilisation:Il convient aux charges lourdes et aux environnements à fortes contraintes, tels que les roulements d'équipements lourds, les guides de soupapes et les composants de trains d'atterrissage d'aéronefs.
Cartouche C260 en laiton (alliage laiton-bronze)
Bien que techniquement un laiton (cuivre et zinc), le C260 est souvent regroupé avec le bronze dans les contextes d'usinage en raison d'applications et de procédés similaires.
- Propriétés :Reconnu pour sa ductilité exceptionnelle parmi les laitons jaunes, il présente une excellente aptitude au formage à froid. Très résistant à la corrosion, il est cependant généralement plus difficile à usiner que les bronzes au plomb.
- Meilleure utilisation:Il est fréquemment utilisé dans les composants de munitions (d'où son nom), les fixations et la quincaillerie nécessitant un emboutissage ou un formage profond.
Bronze phosphoreux C510
Le C510 est une nuance définie par l'ajout de phosphore au mélange cuivre-étain.
- Propriétés :Le phosphore accroît la résistance à l'usure et la rigidité de l'alliage tout en affinant sa structure granulaire. Il est reconnu pour son excellente résistance à la fatigue et son élasticité.
- Meilleure utilisation:Grâce à ses propriétés élastiques et à sa conductivité électrique, il est idéal pour les connecteurs électriques, les pièces d'interrupteurs et les rondelles élastiques.
Applications des pièces en bronze usinées
La polyvalence de usinage du bronze Cela signifie qu'on le retrouve dans presque tous les secteurs de l'économie industrielle.
Industrie maritime
La plupart des métaux se corrodent au contact de l'eau salée, mais le bronze y est naturellement résistant.
- Parties clés:Hélices de navire, raccords sous-marins, pompes et vannes.
- Pourquoi :Le bronze forme une couche d'oxyde protectrice qui empêche la corrosion profonde, assurant ainsi sa longévité même en immersion.
Automobile et aérospatiale
Dans ces secteurs, l'échec n'est pas envisageable, et les pièces sont souvent soumises à des frottements et à une chaleur importants.
- Parties clés:Bagues de guidage de la transmission, guides de soupapes, composants du train d'atterrissage et coussinets de bielle.
- Pourquoi :Le faible frottement métal sur métal du bronze empêche le grippage et réduit l'usure des pièces en acier en contact.
Équipements industriels
Les machines lourdes nécessitent des composants capables de résister aux chocs et de continuer à fonctionner.
- Parties clés:Engrenages à vis sans fin, plaques d'usure et composants hydrauliques.
- Pourquoi :Les engrenages en bronze sont souvent associés à des vis sans fin en acier ; le bronze est sacrificiel, ce qui signifie qu'il s'usera lentement avant l'arbre en acier, plus coûteux, protégeant ainsi l'ensemble du système.
Électricité
La conductivité, associée à la durabilité, rend certains alliages de bronze essentiels pour l'électronique.
- Parties clés:Bornes de disjoncteur, clips de fusible et connecteurs à ressort.
- Pourquoi :Le bronze phosphoreux (C510) assure le passage électrique tout en maintenant la tension du ressort nécessaire pour assurer une connexion étanche.
Défis courants dans l'usinage du bronze
Bien que le bronze soit considéré comme l'un des matériaux les plus faciles à usiner, il présente certains inconvénients. Des comportements spécifiques de cet alliage peuvent entraîner la détérioration d'une pièce ou l'endommagement de l'outillage si l'opérateur n'en a pas conscience.
Durcissement au travail
C'est sans doute le principal défi lors de l'usinage des alliages à base de cuivre. L'outil de coupe risque de rester immobile ou les vitesses d'avance sont trop faibles, ce qui entraîne une compression du matériau au lieu de sa coupe. La surface se durcit également, empêchant ainsi la coupe. Ce phénomène est appelé écrouissage.
La réparationVeillez à maintenir une vitesse d'avance constante et rapide avec des outils de coupe bien affûtés. La surface de l'alliage ne doit jamais être frottée par l'outil.
Contrôle des copeaux
Alliages de bronze au plomb (C932) : Cet alliage produit un ensemble de copeaux courts et cassants qui sont faciles à gérer.
Bronze d'aluminium (C954) : Cet alliage peut produire des copeaux longs et filiformes qui s'emmêlent, c'est-à-dire qu'ils s'enroulent autour de l'outil ou de la pièce et peuvent causer des dommages à la surface ou une casse de l'outil.
Le correctif: Utiliser un liquide de refroidissement à haute pression pour évacuer rapidement les copeaux.
Finition de surface
Le bronze a certes l'avantage d'offrir un beau fini, semblable à l'or, mais il se raye facilement et sa tendreté le rend fragile. De plus, l'usinage de ce matériau provoque une dilatation thermique susceptible d'entraîner des problèmes de tolérance.
Le correctif: La finition doit être effectuée en une passe séparée, avec une vitesse de broche plus élevée et une avance réduite. Il est également important de maintenir la pièce à une température basse afin d'éviter tout problème de stabilité dimensionnelle.
Considérations de sécurité lors de l'usinage du bronze
La sécurité est primordiale dans tout atelier d'usinage, mais usinage du bronze introduit des risques spécifiques qui doivent être gérés.
Poussières et fumées
Le principal problème réside dans l'inhalation de fines poussières métalliques. Si la poussière de cuivre est irritante, ce sont les additifs contenus dans le bronze qui représentent le véritable danger.
- Conduire:De nombreux bronzes d'usinage (comme le C932) contiennent du plomb. L'inhalation ou l'ingestion de particules de plomb peut entraîner de graves problèmes de santé à long terme.
- Béryllium:Bien que moins courant, le cuivre-béryllium est extrêmement toxique et son usinage nécessite des protocoles stricts concernant les matières dangereuses.
EPI (équipement de protection individuelle)
Les opérateurs doivent toujours porter les équipements de protection individuelle (EPI) standard d'atelier, notamment des lunettes de sécurité et des chaussures de sécurité à embout d'acier. Cependant, lors de la manipulation de bronze sec (sans arrosage abondant), le port d'un masque respiratoire adapté aux fumées et poussières métalliques est fortement recommandé.
Ventilation
Le système de chauffage, ventilation et climatisation général d'un atelier est souvent insuffisant. Il est recommandé d'installer un système d'extraction localisée (LEV) à proximité de la machine CNC afin de capter les poussières et les brouillards à la source. En cas d'utilisation d'un liquide de refroidissement par arrosage, assurez-vous que le système de filtration est conçu pour traiter les fines particules de bronze afin de prévenir l'usure de la pompe.
Conclusion
L'usinage CNC des alliages de bronze leur confère des propriétés inaccessibles aux plastiques et à l'acier. Ce matériau est essentiel à la fabrication de produits durables, à faible coefficient de frottement et résistants à la corrosion, des profondeurs océaniques aux moteurs d'avion.
La première étape consiste à choisir l'alliage approprié. Le C954 est le plus résistant, et pour les roulements, il s'agit du C932 standard. La deuxième étape consiste à savoir comment l'usiner.
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Foire Aux Questions (FAQ)
Q: Le bronze est-il facile à usiner ?
R : Globalement, oui. La plupart des alliages de bronze standard, et notamment ceux contenant du plomb comme le C932, présentent une usinabilité de 100 % (conformément aux recommandations relatives aux laitons de décolletage). Ils génèrent de faibles enlèvements de matière et une usure minimale de l'outil. Cela dit, les alliages à haute résistance, tels que le bronze d'aluminium, sont plus difficiles à usiner et plus abrasifs, nécessitant des outils plus robustes et tournant à des vitesses plus faibles.
Q: Quelle est la différence entre l'usinage du laiton et celui du bronze ?
A: Bien que le laiton (cuivre et zinc) soit composé de deux alliages de cuivre, il est généralement plus facile à usiner que le bronze (cuivre et étain). Le laiton convient mieux aux applications esthétiques et à faible frottement, tandis que le bronze est plus approprié aux environnements et applications exigeant une résistance structurelle, une résistance à l'usure et une résistance à la corrosion élevées.
Q: Peut-on usiner du bronze à sec ?
R : C'est possible, mais déconseillé pour les opérations de haute précision ou à grande vitesse. L'utilisation d'un liquide de refroidissement permet d'évacuer les copeaux, d'éviter la surchauffe de la pièce (qui affecte la tolérance) et de lubrifier l'outil de coupe pour améliorer l'état de surface. L'usinage à sec augmente le risque d'écrouissage.
Q: Pourquoi ma pièce en bronze se déforme-t-elle après usinage ?
A : Cela est généralement dû à des contraintes internes dans le matériau ou à une pression de serrage excessive. Le bronze étant plus tendre que l'acier, un serrage trop important dans un étau ou un mandrin peut le déformer. De plus, un enlèvement de matière important peut libérer des contraintes internes et entraîner une déformation de la pièce. Un traitement thermique de relaxation des contraintes avant usinage peut s'avérer utile.
Q:Quel est le meilleur liquide de refroidissement pour l'usinage du bronze ?
A: Les huiles hydrosolubles sont généralement le meilleur choix. Elles offrent d'excellentes propriétés de refroidissement pour gérer la génération de chaleur et une lubrification suffisante pour empêcher le matériau d'adhérer à l'outil (arête rapportée). Évitez les fluides de coupe contenant du soufre actif, car ils peuvent tacher la pièce en bronze.
