Amélioration de la gamme d’outils de coupe de DIXI Polytool, grâce à la simulation instantanée avec Ansys Discovery

Amélioration de la productivité de l’outil de coupe par optimisation de la lubrification et de la géométrie

Fondée au Locle, en Suisse en 1946, l’entreprise familiale DIXI Polytool S.A. est créatrice d’outils de coupe de précision en carbure monobloc, diamant, outils de forme et alésoirs de précision. Forte de 250 collaborateurs, elle n’a cessé de se réinventer pour devenir leader dans les marchés spécifiques tels que la microtechnique, le décolletage, l’horlogerie.

Une entreprise familiale innovante

La société DIXI Polytool s’appuie sur une équipe solide de R&D pour satisfaire de nombreux secteurs industriels en proposant des solutions innovantes. Elle propose depuis ces dernières années une technologie révolutionnaire brevetée qui a conduit à la création de la catégorie d’outil « DIXI COOL+ » qui améliore considérablement la gestion du fluide vers l’arête de coupe. C’est dans cette optique d’amélioration continue des performances des outils coupants que DIXI Polytool a eu recours à la simulation quasi-instantanée, proposée par Ansys, en s’appuyant sur les conseils de CADFEM.

Augmenter la productivité en améliorant la lubrification

Lors de l’usinage, la matière est cisaillée puis glisse vers la face de coupe en générant d’important frottement sur celle-ci. Sans lubrification, la chaleur générée par l'usinage devient rapidement trop importante et engendre la détérioration de l'arête de coupe, voire sa destruction. Un des rôles majeurs du lubrifiant est de diminuer le frottement du copeau sur la face de coupe, mais aussi de dissiper la chaleur due à la formation du copeau. Ainsi, pour un meilleur résultat, le jet de lubrification doit être précisément orienté pour atteindre l'interface copeaux-face de coupe et doit aussi avoir une pression et une vitesse optimale. De sorte que le lubrifiant va effectivement dissiper l'énergie thermique engendrée, réduire les forces de frottement sur la face de coupe et finalement réduire les temps de coupes. Sa maîtrise est un enjeu à la fois technique et commercial puisqu’il permet de se démarquer de la concurrence.

La solution adoptée par DIXI Polytool est l’intégration du système d’arrosage brevetée « Cool+ » à l’interface copeau/face de coupe est devenu une chose facile grâce à l’utilisation de trou d’arrosage vers la goujure, par lequel passe du lubrifiant à haute vitesse.

Toutefois, cette solution est inapplicable pour des outils de fraisage de petite dimension (Ø<6mm) à cause de la dimension du trou interne de lubrification qui provoque des contraintes trop importantes dans la fraise donc une casse instantanée dès que l’outil usine. Afin de contourner ce problème, certains fabricants d’outils de coupe utilisent des canaux d’arrosage externe. Cette solution permet déjà d’améliorer la performance des outils de fraisage.

DIXI Polytool a eu l’idée d’améliorer ce système en ajoutant une bague à la sortie des canaux d’arrosage permettant ainsi une accélération et une concentration du fluide vers la zone de coupe.

Interface copeaux-face de coupe avec lubrification faible

Interface copeaux-face de coupe avec lubrification optimale. L’interface entre l’outil coupant et le copeau est plus réduite.

La simulation a aidé DIXI Polytool pour le développement des nouveaux outils

S’il est relativement facile de mesurer la performance d’un outil comparé à un autre, il est beaucoup plus difficile à comprendre les raisons et à trouver les pistes d’amélioration. La formation du copeau ainsi que son évacuation sont des phénomènes complexes à appréhender, en particulier lorsque la lubrification est utilisée. Il existe des logiciels qui permettent de simuler la formation du copeau ainsi que la répartition de contrainte sur l’outil. Ces logiciels sont très onéreux et ne donnent pas toujours les résultats escomptés. En effet, l’ajout de la lubrification à haute vitesse rend ces simulations complexes et peu réalistes. L’utilisation d’Ansys Discovery a permis à l’équipe de R&D de DIXI Polytool de comparer différentes solutions rapidement et à moindre coût. Ainsi, les avantages de l’ajout de la bague à la sortie des canaux d’arrosage ont été mis en évidence. Ansys Discovery a pu démontrer que le système de bague permettait non seulement d’accélérer le fluide, sous certaines conditions, mais surtout d’avoir une vitesse de coupe beaucoup plus importante que sans bague. Les images obtenues de simulation extraite du logiciel permettent aussi d’étayer la documentation technique, facilitant la promotion de cette solution auprès des clients de DIXI Polytool.

Comparaison vitesse fluide avec et sans bague

Amélioration de la géométrie

La détermination de la géométrie optimale est aussi un paramètre clé pour obtenir un outil de fraisage performant. Alors que le débit copeau maximal en rainurage et contournage sont les critères généralement examinés, les performances de l’outil de fraisage en plongée sont souvent ignorées. Pourtant, un outil performant en plongée permet de réduire les temps de coupe, et d’améliorer la productivité, surtout dans les matériaux à usinabilité difficile. Pour la création de deux nouvelles familles toriques (DIXI 7353 et 7453), le département R&D souhaitait donc améliorer les performances des géométries actuelles en plongée. Pour ce faire, diverses géométries d’affûtage en bout avaient été testées sur des prototypes physiques avec des résultats parfois contradictoires. Aussi, pour une conception optimale, le département R&D a comparé différentes solutions d'affûtage en bout par la méthode des éléments finis. La simulation a permis de faire l’analyse des contraintes subies par la fraise lors de la plongée axiale. Le résultat de la simulation est indiscutable : l'affûtage symétrique est nettement plus résistant que l'affûtage classique.

Vue de profil de l’outil coupant et son rayon en bout

En complément de la table dynamométrique qui mesure les efforts de coupe, les analyses réalisées par ANSYS discovery ont permis de déterminer d’une part quelles étaient les géométries qui subissaient le moins de contraintes, mais aussi de trouver les parties ou les contraintes étaient les plus élevée.

Afin de valider ces analyses, le département R&D a effectué des tests d'usinage en comparant deux géométries (affûtage classique et affûtage symétrique). Ces analyses théoriques se sont confirmées pour des modèles ayant un rapport rayon/diamètre de 25.

Partie fortement sollicité en plongée — Outil de coupe de face, zone de contact en plongée

Le lien entre la simulation et avantage commercial pour DIXI Polytool

Ansys Discovery est un outil unique permettant de réaliser des modifications de la géométrie et de réaliser, rapidement des simulations FEM ou CFD. Cette solution permet aux acteurs du développement du produit de rapidement et précisément concevoir, expérimenter et valider leurs idées. Pour DIXI Polytool Ansys Discovery a permis de tester numériquement différents paramètres sans passer par de nombreuses phases de tests expérimentaux. En effet, ces derniers ne permettaient pas à l’équipe R&D de déterminer précisément quels facteurs influençaient les résultats. Aujourd’hui, la caractérisation de ces facteurs est particulièrement utile car elles donnent des pistes d’améliorations pour encore d’autres produits. Ainsi, en utilisant dès le départ la simulation dans le processus de développement et en s’appuyant sur les conseils de CADFEM, DIXI Polytool a réduit les coûts et les temps de développement tout en obtenant des réponses fiables pour offrir à ses clients les solutions les plus performantes.