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Quelle finition de surface la fabrication CNC peut-elle atteindre ? Valeurs Ra par procédé

L'usinage CNC peut atteindre un état de surface allant de 0,4 µm Ra à 6,3 µm Ra, selon le procédé, l'outillage et le matériau. Pour le fraisage et le tournage standard, vous pouvez vous attendre à 1,6 µm à 3,2 µm Ra, tandis que la rectification de précision et l'alésage fin peuvent atteindre 0,4 µm à 0,8 µm Ra. Cet article explique les valeurs Ra exactes pour chaque procédé et comment les spécifier correctement pour vos pièces.

Qu'est-ce que le Ra et pourquoi est-il important en usinage CNC ?

Le Ra, ou rugosité moyenne arithmétique, est le paramètre international le plus courant pour l'état de surface, mesuré en micromètres (µm) ou en micropouces (µin). Il représente l'écart moyen du profil de surface par rapport à une ligne moyenne sur une longueur d'échantillonnage spécifiée, généralement de 0,8 mm pour les pièces usinées. Pour les applications d'ingénierie, le Ra affecte directement la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue, la capacité d'étanchéité et les coefficients de frottement, ce qui en fait une spécification critique pour les composants d'accouplement, les surfaces de paliers et les joints d'étanchéité.

La relation entre le Ra et le coût de fabrication n'est pas linéaire. Passer de 3,2 µm à 1,6 µm Ra augmente le temps d'usinage d'environ 30 à 50 pour cent, tandis que passer de 1,6 µm à 0,4 µm Ra peut doubler ou tripler le coût par pièce. Par conséquent, spécifier un état de surface plus fin que nécessaire sur le plan fonctionnel gaspille de l'argent et allonge les délais sans améliorer les performances.

Comment les différents procédés CNC se comparent-ils en termes d'état de surface ?

Le fraisage CNC standard avec une fraise deux tailles à 4 dents à 12 000 tr/min et une avance de 0,05 mm/dent produit généralement 1,6 µm à 3,2 µm Ra dans l'aluminium 6061. Les passes d'ébauche avec un pas de 0,5 mm donnent environ 3,2 µm à 6,3 µm Ra, tandis que les passes de finition avec un pas de 0,1 mm et une plaquette à wiper peuvent atteindre 0,8 µm à 1,6 µm Ra. Le tournage CNC avec une plaquette carbure standard à une vitesse de coupe de 150 m/min et une avance de 0,1 mm/tour donne 1,6 µm à 3,2 µm Ra dans l'acier, et 0,8 µm à 1,6 µm Ra dans le laiton ou l'aluminium de décolletage.

La rectification de précision, le rodage et le superfinition sont les seuls procédés qui atteignent systématiquement moins de 0,4 µm Ra. Par exemple, la rectification cylindrique avec une meule en oxyde d'aluminium de grain 60 à une vitesse de meule de 30 m/s produit 0,4 µm à 0,8 µm Ra, tandis que le rodage fin peut atteindre 0,05 µm à 0,1 µm Ra. L'électroérosion à fil produit une surface caractéristique de 1,6 µm à 3,2 µm Ra avec une couche refondue distincte qui peut nécessiter une finition secondaire pour les applications à haute fatigue.

Quelles valeurs d'état de surface peut-on atteindre selon le matériau ?

Différents matériaux réagissent différemment aux mêmes paramètres de coupe en raison de leur dureté, de leur ductilité et de leurs caractéristiques de formation de copeaux. L'aluminium 6061-T6 est le plus facile à finir, atteignant régulièrement 0,8 µm Ra avec des passes de finition standard. Les aciers inoxydables 304 et 316 sont plus sensibles à l'écrouissage, produisant généralement 1,6 µm à 3,2 µm Ra avec des outils standard, et nécessitent des plaquettes à forte dépouille positive et des vitesses de coupe plus élevées pour atteindre 0,8 µm Ra.

Le titane Ti-6Al-4V est le plus difficile, avec un fraisage standard produisant 3,2 µm à 6,3 µm Ra en raison de sa faible conductivité thermique et de sa tendance au grippage. Les aciers à outils traités thermiquement comme le H13 à 48 HRC ne peuvent atteindre 0,4 µm à 0,8 µm Ra qu'avec des plaquettes CBN ou céramiques à des vitesses de coupe élevées. Le tableau ci-dessous résume les plages réalisables pour les matériaux courants avec l'équipement CNC standard chez BQUQ.

Comment réduire les valeurs Ra sans changer de procédé ?

La première variable à ajuster est l'avance, qui a l'effet le plus direct sur le Ra. Réduire l'avance de 0,15 mm/tour à 0,05 mm/tour en tournage abaisse le Ra d'environ 3,2 µm à 1,6 µm, mais augmente le temps de cycle de 3 fois. Augmenter la vitesse de broche de 8 000 tr/min à 15 000 tr/min en fraisage réduit la hauteur de crête et le Ra d'environ 40 pour cent, à condition que l'outil et la machine puissent supporter la vitesse plus élevée sans broutage.

La géométrie et le revêtement de l'outil comptent également. L'utilisation d'une plaquette à wiper sur un outil de tournage peut réduire le Ra de 50 pour cent à la même avance, car le méplat du wiper crée un profil de surface plus lisse. En fraisage, une fraise deux tailles avec un angle d'hélice élevé de 45 degrés produit un meilleur état de surface qu'un outil à 4 dents à la même avance par dent, car il réduit les vibrations et améliore l'évacuation des copeaux. Pour l'aluminium, un outil à canaux polis avec un angle de coupe de 10 à 15 degrés donne 0,4 µm Ra avec un pas de 0,05 mm.

Quel état de surface devez-vous spécifier pour les applications d'ingénierie courantes ?

Pour les paliers lisses et les portées d'arbres, spécifiez 0,4 µm à 0,8 µm Ra pour réduire le frottement et l'usure, mais évitez de descendre sous 0,2 µm Ra car cela peut inhiber la rétention du film d'huile. Pour les alésages de vérins hydrauliques et les joints de piston, 0,4 µm à 0,8 µm Ra est optimal pour l'étanchéité sans frottement excessif, tandis que 3,2 µm Ra provoque une usure rapide des joints et des fuites. Pour les composants à ajustement serré ou avec interférence, 1,6 µm à 3,2 µm Ra est acceptable car la surface est déformée lors de l'assemblage.

Pour les surfaces cosmétiques ou visibles, 0,8 µm à 1,6 µm Ra est suffisant pour les finitions peintes ou anodisées, mais 0,4 µm ou mieux est requis pour les produits en aluminium poli nu. Pour les composants critiques en fatigue comme les supports aérospatiaux ou les pièces de suspension automobile, 0,4 µm à 0,8 µm Ra est recommandé dans les zones à fortes contraintes, car la rugosité de surface agit comme un concentrateur de contraintes et peut réduire la durée de vie en fatigue de jusqu'à 30 pour cent par rapport à une surface lisse.

Combien coûte l'obtention de valeurs Ra plus faibles ?

Chez BQUQ, la tarification de l'état de surface est basée sur le temps d'usinage supplémentaire et les opérations secondaires. Un état de surface standard de 3,2 µm Ra est inclus dans le prix de base de la pièce, tandis que 1,6 µm Ra ajoute environ 8 à 12 pour cent au coût. L'obtention de 0,8 µm Ra ajoute 20 à 30 pour cent car cela nécessite une passe de finition dédiée, des avances plus lentes et des changements d'outils possibles. La rectification de précision à 0,4 µm Ra ajoute 40 à 60 pour cent, et le rodage à 0,1 µm Ra peut doubler le coût de la pièce.

Les délais augmentent également avec des finitions plus serrées. Les finitions standard n'ajoutent aucun temps supplémentaire, 1,6 µm Ra ajoute 1 à 2 jours, 0,8 µm Ra ajoute 2 à 3 jours, et la rectification de précision ajoute 3 à 5 jours au calendrier de production. Nous recommandons de spécifier la finition la plus lâche qui répond à vos exigences fonctionnelles, et de ne la resserrer que dans les zones critiques en utilisant une note comme « 0,8 µm Ra sur la surface d'étanchéité, 3,2 µm ailleurs » pour contrôler les coûts.

Quelle méthode de mesure devez-vous utiliser pour vérifier le Ra ?

La profilométrie par contact est la norme industrielle pour la vérification du Ra, utilisant un stylet en diamant avec un rayon de 2 µm et un angle de pointe de 5 µm se déplaçant à 0,1 mm/s sur une longueur d'échantillonnage de 4 mm. La méthode au stylet est précise à plus ou moins 0,05 µm Ra pour les finitions entre 0,1 µm et 6,3 µm, mais elle ne peut pas mesurer à l'intérieur de petits trous de moins de 2 mm de diamètre ni sur des surfaces courbes avec un rayon inférieur à 0,5 mm. Dans ces cas, l'interférométrie optique sans contact ou la microscopie confocale est nécessaire, bien que ces instruments coûtent de 30 000 à 80 000 USD et soient moins courants dans les ateliers.

Pour la vérification en atelier, nous utilisons un rugosimètre portable calibré selon les normes ISO 4287, avec une longueur de coupure de 0,8 mm et une longueur de course de 5,6 mm. Nous mesurons à trois emplacements par surface et rapportons le Ra moyen. Si votre dessin spécifie une valeur maximale, nous nous assurons que le Ra mesuré est au moins 20 pour cent en dessous de cette limite pour tenir compte de l'incertitude de mesure et de l'usure de l'outil pendant la production.

Questions fréquemment posées

Combien de temps faut-il pour atteindre un état de surface de 0,4 µm Ra ?

Atteindre 0,4 µm Ra sur une fraiseuse ou un tour CNC nécessite une passe de finition à 50 pour cent de l'avance normale, ajoutant 15 à 20 minutes par pièce pour une surface de 100 mm de diamètre. Plus couramment, cette finition est obtenue par rectification ou rodage, ce qui ajoute 30 à 60 minutes de temps de traitement par pièce. Chez BQUQ, nous recommandons la rectification pour toute surface de plus de 50 mm de longueur nécessitant 0,4 µm Ra.

L'usinage CNC peut-il atteindre un miroir sous 0,1 µm Ra ?

L'usinage CNC seul ne peut pas atteindre moins de 0,1 µm Ra ; cela nécessite un rodage, un polissage ou un tournage au diamant avec des machines spécialisées. Le tournage au diamant sur un tour d'ultra-précision peut atteindre 0,02 µm à 0,05 µm Ra, mais uniquement sur des matériaux non ferreux comme l'aluminium, le cuivre ou le nickel chimique. Pour l'acier ou le titane, vous avez besoin d'un rodage avec une pâte de diamant de 1 µm pour atteindre 0,05 µm Ra.

Quel est le meilleur pour l'état de surface : fraisage ou tournage ?

Le tournage donne généralement un meilleur état de surface que le fraisage à la même avance car l'outil a une arête de coupe continue et un rayon de bec défini. Une plaquette de tournage avec un rayon de bec de 0,8 mm à une avance de 0,1 mm/tour produit 1,6 µm Ra, tandis qu'une fraise avec la même avance par dent produit 3,2 µm Ra en raison de l'effet de crête. Pour la meilleure finition, utilisez le tournage pour les pièces cylindriques et le fraisage uniquement pour les géométries plates ou complexes.

Comment l'usure de l'outil affecte-t-elle l'état de surface au fil du temps ?

L'usure de l'outil augmente le Ra progressivement, un outil usé produisant jusqu'à 2 fois des surfaces plus rugueuses qu'un outil neuf. Par exemple, une plaquette carbure neuve produit 1,6 µm Ra, mais après 30 minutes de coupe, la même plaquette peut produire 3,2 µm Ra en raison de l'usure en dépouille et de l'arrondi de l'arête. Nous programmons les limites de vie d'outil à 80 pour cent de la durée de vie nominale pour maintenir une finition constante, et nous mesurons le Ra toutes les 10 pièces en production.

Quelle est la différence entre Ra et Rz pour les pièces CNC ?

Le Ra est la rugosité moyenne sur une longueur d'échantillonnage, tandis que le Rz est la hauteur moyenne maximale pic-à-vallée sur cinq longueurs d'échantillonnage. Pour la même surface, le Rz est généralement 4 à 6 fois plus grand que le Ra, donc une surface de 1,6 µm Ra a un Rz d'environ 6,4 à 9,6 µm. Si votre dessin spécifie le Rz, nous le convertissons en utilisant un facteur de 5 pour les surfaces usinées standard, mais nous vérifions avec un profilomètre pour les applications critiques.

L'état de surface peut-il être amélioré après usinage avec des procédés secondaires ?

Oui, le microbillage avec des billes de verre de maille 120 peut améliorer le Ra de 3,2 µm à 1,6 µm mais laisse un aspect mat et peut arrondir les arêtes vives. L'électropolissage peut réduire le Ra de 30 à 50 pour cent sur l'acier inoxydable, de 3,2 µm à 1,6 µm, tout en enlevant 0,01 à 0,02 mm de matière. L'anodisation de l'aluminium ne change pas le Ra de base mais peut rendre la surface plus lisse visuellement en raison de la couche de revêtement.

Quand devez-vous utiliser une indication d'état de surface sur un dessin ?

Spécifiez toujours l'état de surface sur les surfaces fonctionnelles comme les faces d'étanchéité, les portées de paliers et les brides d'accouplement, mais laissez les surfaces cosmétiques avec une note générale comme « 3,2 µm Ra sauf indication contraire ». La sur-spécification de la finition sur chaque surface augmente les coûts de 20 pour cent ou plus sans bénéfice fonctionnel. Sur le dessin, utilisez le symbole ISO 1302 avec la valeur Ra, et ajoutez une note si la finition ne s'applique qu'à une zone spécifique.

Pour votre prochain projet d'usinage CNC, envoyez-nous votre dessin avec les exigences d'état de surface, et nous vous fournirons une ventilation des coûts pour chaque niveau de finition. Notre équipe chez BQUQ a 20 ans d'expérience en usinage CNC, emboutissage de tôles et finition de surface, et nous pouvons vous conseiller sur la finition la plus économique pour votre application. Soumettez votre demande de devis aujourd'hui et recevez un devis sous 12 heures par e-mail à sc@bquq.com ou WhatsApp au +86 13713157787. Visitez notre site Web à www.bquq.com pour télécharger notre guide d'état de surface et nos tableaux de tolérances.

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