Outils et stratégies pour l'usinage des matériaux ISO S
La classification ISO S inclut les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) à base de nickel, cobalt, fer, et les titanes, utilisés en aéronautique, énergie et médecine pour leur résistance mécanique et à la corrosion. L'usinage de ces matériaux complexes nécessite des outils spécialisés. Les fabricants développent des solutions adaptées et encouragent à revoir les méthodes d'usinage traditionnelles pour ces alliages avancés.La classification ISO S regroupe des matériaux les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) à base de nickel, de cobalt et de fer, ainsi que les titanes. La résistance mécanique, ainsi que la résistance à la chaleur, au fluage et à la corrosion sont les propriétés motivant leur utilisation dans un large éventail d’applications principalement dans le secteur de l'aéronautique, de l'énergie et autres secteurs critiques également l'industrie médicale. Cependant, les propriétés avantageuses de ces alliages engendrent également des caractéristiques d’usinage différentes de celles des fers et aciers traditionnels. Les fabricants d'outils coupants doivent élaborer des produits et stratégies de coupe qui offrent aux clients un usinage fiable, régulier et rentable des matériaux ISO-S. Ces fabricants d'outils cherchent également à informer leurs clients sur les nouveaux outils et stratégies ainsi qu'à convaincre les opérateurs de repenser toutes les techniques d'usinage datées qui, très probablement, ne s'appliqueront pas aux matériaux avancés d'aujourd'hui.
Les facteurs d'usinabilité
Le terme d'usinablité décrit la réponse d'un métal au processus d'usinage. L'usinabilité inclut quatre facteurs de base : les forces mécaniques produites lors de l'usinage, la formation et l'évacuation des copeaux, la génération et le transfert de chaleur et enfin l'usure et la casse des outils coupants. L'excès d'un ou de l'ensemble de ces facteurs peut faire que la matière sera considérée comme "dure à usiner".
Les problématiques d'usinabilité surviennent par rapport à la durée de vie, la fiabilité et la qualité des pièces, lorsque l'usinage des superalliages HRSA et alliages de titane est réalisé avec les mêmes outils et techniques que celles utilisées depuis de nombreuses décennies, par exemple avec les aciers et fers. Ce n'est qu'au cours des dernières années que des outils composés d'alliages à base de nickel et à base de titane ont été mis au point. L'usinage de ces matériaux relativement nouveaux n'est pas nécessairement plus difficile que l'usinage de métaux traditionnels ; il est tout simplement différent.
L'approche habituelle pour l'usinage d'un matériau "difficile" consiste par exemple à procéder prudemment et à utiliser des paramètres de coupe moins agressifs, y compris réduire les avances, les profondeurs de passe et les vitesses. Cependant, avec des outils coupants développés spécifiquement pour ces matières hautes performances, une règle de base consiste à augmenter les profondeurs de passe et l'avance. Les outils conçus pour traiter ces paramètres plus agressifs incluent des nuances carbure à grain fin qui offrent de bonnes températures d'arête de coupe et adhérences au revêtement, en accordant une attention particulière à la résistance à l'entaillage causées par des pièces écrouies. Des outils en céramique et PCBN ont également été développés pour l'ébauche et la finition de ces alliages haute performance (voir "Développement d'outil continu" ci-dessous).
Concernant les facteurs spécifiques d'usinabilité, les alliages et superalliages HRSA présentent des problématiques mécaniques ou de forces qui ne sont pas très différents de celles des fers ou des aciers durs. L’usinage des matériaux ISO-S est un défi car ces matériaux transfèrent mal la chaleur, un phénomène également appelé faible conductivité thermique. La chaleur produite lors de l’usinage (d’environ 1.100 degrés Celsius à 1.300 degrés Celsius) est absorbée par l’outil et la pièce au lieu d’être évacuée par les copeaux. Ainsi, la durée de vie de l’outil est réduite et la pièce peut se déformer. Les alliages ISO-S ont également tendance à l’écrouissage et au durcissement par précipitation lors de l’usinage, ce qui accroît les efforts de coupe et réduit davantage la durée de vie de l’outil. Enfin, le comportement collant de ces matériaux engendre une formation d’arêtes rapportées et une usure en entaille ne pouvant être contrôlées. Un tel comportement est également appelé ductilité, une caractéristique commune des matériaux tendres tels que l’aluminium.
Pour aider à résoudre ce problème, il est nécessaire de modifier la perception que l'on a des outils coupants. Ceux à arêtes vives sont généralement considérés comme peu efficaces, mais une manière de contrôler l'accumulation de chaleur est justement d'utiliser des outils particulièrement tranchants. Ils vont couper la matière plutôt que de la déformer, générant ainsi moins de chaleur. L'application de cette stratégie nécessite des outils conçus avec une robustesse d'arêtes, sur des machines-outils puissantes, stables et suffisamment résistantes aux vibrations.
Ainsi, pour les alliages de titane par exemple, les facteurs qui les rendent difficiles à usiner et contribuent à leur faible indice d’usinabilité sont leur conductivité thermique, leur adhésion élevée et leur tendance à l’écrouissage. Les alliages de titane présentent une faible conductivité thermique, ce qui signifie que lors de l’usinage, la chaleur générée par le processus est transférée à la fraise au lieu d’être évacuée de la zone de coupe avec les copeaux. L’adhésion élevée du titane signifie que les copeaux ont tendance à coller aux outils, des copeaux très longs sont ainsi générés, au lieu de copeaux plus courts et donc plus faciles à extraire. La tendance à l’écrouissage du titane entraîne le durcissement d’une mince couche du matériau sous l’effet de la pression générée pendant l’usinage.
Les alliages à base de nickel et de titane présentent de plus grandes tendances à l'écroissage que l'acier. Le problème est que la structure d'un matériau peut changer de manière significative après une seule passe d'un outil coupant. La deuxième viendra donc réaliser une passe sur une surface beaucoup plus dure. Une solution pour l'usinage des HRSA consiste donc à minimiser le nombre de passes. Au lieu d'enlever 10 mm de matière avec deux passes de 5 mm de profondeur par exemple, il serait préférable de réaliser une seule passe à 10 mm de profondeur de coupe. Dans de nombreuses situations, l'usinage en une seule passe n'est pas possible, mais c'est l'objectif théorique.
Cette approche nécessite également de repenser le processus de finition, qui implique traditionnellement des passes multiples à de petites profondeurs de coupe et de faibles avances. Au lieu de cela, les opérateurs devraient plutôt rechercher des possibilités d'augmenter les paramètres autant que possible. Cela permet d'améliorer la durée de vie de l'outil ainsi que l'état de surface.
Une profondeur de passe légèrement plus grande pour un passage de finition positionne également la partie la plus vive de l'arête de coupe au-dessous de toutes les zones durcies ou précipitées de la pièce. Cependant, un passage de finition trop profond peut générer des vibrations et affecter négativement l'état de surface. Trouver l'équilibre optimale entre agressivité et prudence est la clé d'un usinage optimal.
Fiabilité et économies
Avec les outils et stratégies d'aujourd'hui développés spécifiquement pour les alliages à base de nickel et de titane, fondamentalement, l'usinage peut être réalisé sans problèmes technologiques. Le défi permanent n'est pas simplement l'usinage de la pièce mais correctement et dans un temps donné à un coût donné. L'objectif est d'améliorer la fiabilité des processus et de réaliser des économie de production.
Compte tenu du coût élevé des matériaux de pointe et des composants fabriqués à partir d'eux, les processus d'usinage doivent être totalement fiables. Les fabricants ne peuvent pas se permettre de produire des pièces tout en recherchant quel processus d'usinage fiable utiliser. L'utilisation d'outils appropriés et de paramètres d'usinage permet d'obtenir des résultats d'usinage cohérents.
En ce qui concerne les paramètres d'usinage, l'augmentation des profondeurs de passe et des avances contribue à la productivité. Des vitesses de coupe plus élevées peuvent également accélérer le traitement partiel, mais cette opportunité n'a pas encore été pleinement exploitée. Les vitesses utilisées aujourd'hui dans les alliages à base de nickel et de titane sont encore inférieures à celles utilisées dans les aciers. Mais la recherche actuelle est axée sur le développement d'outils coupants dont les propriétés permettront des vitesses de coupe encore plus élevées tout en conservant une durée de vie raisonnable aux outils.
En plus des outils de coupants, d'autres composants du processus de coupe des métaux, tel que l'utilisation d'un système de refroidissement direct haute pression (HPDC), peuvent également aider à augmenter la productivité. Si la vitesse de coupe pour un matériau ISO S est de 50 m / min., un arosage HPDC peut permettre des vitesses de coupe jusqu'à 200 m / min et donc quadrupler la production.
La durée de vie des outils est un autre élément de productivité qui peut être vu d'une nouvelle perspective lors de l'usinage de HRSA. La mesure traditionnelle de la durée de vie de l'outil compte des minutes de coupe avant le remplacement requis, une autre mesure en est le coût.
Si, par exemple, la production d'une certaine pièce nécessite 2 heures, que les outils doivent être changés toutes les 20 minutes, et que 6 outils doivent être achetés pour compléter la pièce ; dans ce sens, l'objectif serait de réduire le coût des outils et d'obtenir 30 minutes de vie de l'outil au lieu de 20.
Le coût des outils, cependant, ne représente qu'une très petite partie de la valeur globale des pièces lors du traitement de composants coûteux fabriqués avec des HRSA ou pour des alliages de titane. Une mesure plus pertinente est donc l'utilisation des outils, également appelée indice d'utilisation d'un outil. Lors de la comparaison d'un échantillon de deux outils, s'il dure 10 minutes et produit une pièce, le coût de l'outil est un outil par pièce. Un autre outil, appliqué d'une manière différente, peut durer seulement 5 minutes, mais produire deux pièces. Bien que la durée de vie du second outil ne soit que de quelques minutes - soit la moitié de celle du premier outil - la sortie des pièces est doublée. L'objectif est d'usiner un nombre maximal de pièces correctes dans les plus brefs délais à un prix acceptable. Compte tenu du coût élevé des pièces en HRSA, l'indice d'utilisation des outils est en soit un meilleur indicateur de mesure de la productivité réelle.
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Conclusion
Comme c'est toujours le cas, le facteur clé pour maximiser les avantages d'une nouvelle technologie de coupe des métaux est la connaissance de la meilleure façon de l'utiliser pour une opération particulière. Au fur et à mesure que les progrès dans les matériaux haute performance tels que HRSA et les alliages à base de titane continuent, les fabricants d'outils continueront également de développer de nouvelles façons de maximiser la productivité avec des procédés d'usinage des nouveaux alliages. Les fabricants seront informés de la disponibilité des nouveaux outils et auront une connaissance approfondie des outils et de leur utilisation.
Développement d'outils continu
L'acier inoxydable, breveté sous une variété de formes il y a environ 100 ans, a été la première étape vers l'HRSA moderne. Dans les premiers alliages en acier inoxydable, le chrome a été ajouté à l'acier pour résister à l'oxydation et à la corrosion: les alliages basiques en acier inoxydable ont une teneur minimale en chrome de 10,5 % en poids. Par la suite, le nickel a également été ajouté pour améliorer la dureté et la ténacité des aciers inoxydables. Le pourcentage de nickel a augmenté lorsque les alliages ont été utilisés dans des environnements de plus en plus hostiles, et le nickel est finalement devenu un élément d'alliage principal des matériaux. L'alliage HRSA 718 - connu commercialement comme l'Inconel 718 - a une teneur en nickel de 50 à 55 %, du chrome 17 à 21 % et d'autres éléments 10 %, le reste étant en fer. Les alliages modernes HRSA et à base de titane offrent de la fiabilité, une excellente résistance en général, à la chaleur et à la corrosion.
Lorsqu'ils sont confrontés à ces nouveaux matériaux difficiles, les fabricants tentent d'abord d'appliquer des pratiques d'usinage qui leur sont familières. Cependant, ils n'atteignent vraiment une productivité maximale que lorsqu'ils intègrent des outils et des techniques conçus pour être utilisés avec ces matériaux et opérations spécifiques.
Au milieu des années 1980, Seco a constitué ce qu'il appelait le groupe Alpha de scientifiques et d'ingénieurs pour trouver des manières d'usiner des aciers inoxydables de manière plus productive. Le groupe a travaillé avec un certain nombre de fabricants d'acier inoxydable pour développer de nouvelles géométries et nuances de carbure ainsi que sur des méthodes de coupe spécifiques pour l'acier inoxydable. Dans les années 1990, la recherche a été élargie pour y inclure des matériaux performants HRSA.
En plus des nuances carbure, des revêtements et des géométries, des outils ont été développés pour optimiser la productivité de l'usinage HRSA dans des segments spécifiques des processus de coupe dumétal. Destinée à des opérations d'ébaucge, la nuance céramique CS100 sialon de Seco,La nuance CS100 présente une inertie chimique, une résistance à l'abrasion et une dureté élevées, pour une durée de vie importante et constante et un nombre réduit de changements d'outil. Par conséquent, lors de l'usinage de pièces de précision en Inconel, Nimonic ou Waspaloy, cette nuance permet d'augmenter rapidement la productivité et de réduire le coût des pièces. Les paramètres typiques pour le tournage d'ébauche sont des vitesses de coupe de 150 à 305 m/min., des avances de 0,2 à 0,4 mm/Tr, et des profondeurs de passe max de 0,5 mm à 3,75 mm.
La nuance CS100 est complétée par la Secomax CBN170, une nuance PCBN spécialement conçue pour satisfaire aux exigences d'état de surface, de tolérances et de durée de vie inhérentes aux opérations de finition sur les superalliages à base de nickel.
Cette nuance CBN170 incorpore un liant en céramique whisker qui améliore la durée de vie de l'outil et réduit le nombre d'arrêts machine nécessaires pour changer les arêtes de coupe. La nuance CBN170 est recommandée pour l'usinage en finition et en coupe continu des superalliages à base de nickel sur des composants pré- ébauchés. La profondeur de passe peut atteindre 0,5 mm et des vitesses de coupe comprises entre 300 et 400 mètres par minute. La nuance CBN170 nécessite l'utilisation de fluide de refroidissement. Elle contient 65% de CBN, avec une taille de grain de 2 μm. Les plaquettes sont dotées pierres d'arête de coupe de 25 μm.
D'autres développements visant à accroître la durée de vie et la productivité de l'outil en usinage HRSA incluent différentes technologies telle la technologie de lubrification Jetstream Tooling® de Seco. Jetstream Tooling est un système d'arrosage haute pression qui refroidit efficacement la zone de coupe afin d'améliorer la durée de vie de l'outil, l'évacuation des copeaux, la qualité de la pièce, et la productivité. Le liquide de refroidissement est acheminé par des canaux à travers l'outil, jusqu'à des orifices extrêmement proches de la zone de coupe. Cela permet l'application de paramètres d'usinage plus agressifs. Dans certains cas, le refroidissement rapide des copeaux peut rendre l'outil plus fragile et présente un risque de casse.
