Coupe du titane et des métaux HRSA :usinabilité, liquides de refroidissement et au-delà

Les métaux tels que les superalliages résistants à la chaleur et le titane peuvent être très difficiles, mais avec la bonne approche et les bons conseils dans l'usinage, le maintien de l'outil et la sélection des plaquettes, les opérateurs de machines peuvent surmonter les problèmes.

Des articulations implantables dans le corps humain aux grandes pièces pour les installations marines de l'industrie pétrolière en passant par les turbines de moteurs dans l'aérospatiale, les superalliages et autres alliages résistants à la chaleur sont régulièrement utilisés dans les principaux segments de fabrication. Mais ils peuvent être difficiles à usiner.

Si l'objectif est de fabriquer des pièces de la plus haute qualité en un minimum de temps, il est essentiel de comprendre le type d'outillage à utiliser. Personne ne veut brûler des outils ou causer des retards de production à cause de métaux durs super denses qui font tourner la machine mais coupent très lentement ou de manière imprécise. Il est également essentiel de comprendre les capacités d'une machine, tout comme de connaître les outils qui fonctionneront le mieux pour les matériaux résistants.

"La principale application des HRSA concerne les composants de turbines à zone chaude pour les avions et la production d'électricité - des pièces telles que des aubes, des aubes, des supports, des vannes et des collecteurs, dont la plupart sont complexes et profilées", écrit Ed Sinkora pour Advanced Manufacturing dans l'article " Techniques à chaud pour couper les alliages à haute température."

« Cela signifie utiliser le fraisage 5 axes pour obtenir les formes et les tolérances requises en un seul serrage. Et pour les petites pièces, des outils ronds en carbure monobloc sont nécessaires, nécessitant des porte-outils particulièrement rigides », explique Sinkora.

De nombreuses industries sont sous pression manufacturière. Le temps nécessaire pour obtenir des pièces de qualité compte vraiment, en particulier sur des marchés très concurrentiels.

« L'accent est mis principalement sur la fiabilité des processus, car ces composants structurels sont extrêmement coûteux », note Walter Tools dans un article sur le fraisage de poche du titane dans l'aérospatiale. "Dans le même temps, la pression du marché sur les coûts exige des performances d'usinage et de productivité élevées."

Pour atteindre ce niveau confortable de « fiabilité des processus », il y a beaucoup de savoir-faire avec l'utilisation des bonnes machines, du bon serrage, de l'outillage, des parcours d'outils et du liquide de refroidissement - tous ensemble - trouvez des professionnels de l'usinage et de l'outillage. Nous explorons les meilleurs conseils d'outillage et d'usinage pour le titane, les HRSA et les alliages.

Connaître l'indice d'usinabilité du métal

Si vous coupez du titane, de l'acier inoxydable ou des HRSA, il est probable que de nombreuses pièces fabriquées contiendront du nickel ou du chrome, et parfois du cobalt. Les alliages de nickel courants comprennent l'Inconel, le Waspaloy, l'Hastelloy, les aciers inoxydables dont 304, 316 et 17-4, et d'autres.

"[Le nickel est] dur, résistant à la corrosion et présente d'excellentes propriétés de résistance et d'impact", note Kip Hanson, un consultant en fabrication, dans l'article "5 Conseils de coupe de métal pour les alliages à haute température à base de nickel."

"Étant donné un outil tranchant et les bons paramètres de coupe, le nickel pur n'est pas très difficile à tourner ou à fraiser, bien que les alliages de nickel tels que le Ni-Span-C 902 et le Monel K-500 aient des cotes d'usinabilité de 15 % ou moins", explique Hanson. .

Et l'usinabilité est tout l'intérêt. Heureusement, de nombreuses machines et outils de coupe d'aujourd'hui peuvent traiter la plupart des matériaux, mais le défi consiste à connaître les bons outils et techniques pour créer un processus d'usinage reproductible et opportun. À cette fin, il est utile de comprendre comment un matériau est évalué, donc l'utilisation d'un tableau d'évaluation de l'usinabilité peut aider.

Mais rien ne peut remplacer l'expérience et les connaissances du monde réel :discutez des problèmes d'usinabilité avec les personnes qui le font aujourd'hui. Rejoignez le forum de la métallurgie [inscription requise].

Dans de nombreux cas, il est également utile d'utiliser les guides techniques fournis par les fournisseurs d'outillage, comme celui-ci de Sandvik Coromant :

"Guide d'application :Superalliages résistants à la chaleur"

Dans ce guide, Sandvik Coromant a ceci à dire sur les HRSA :« Les propriétés physiques et le comportement à l'usinage de chaque [groupe d'alliage] varient considérablement, en raison à la fois de la nature chimique de l'alliage et du traitement métallurgique précis qu'il reçoit pendant la fabrication. Le fait que le métal soit recuit ou vieilli a une influence particulière sur les propriétés d'usinage ultérieures. »

Voici un exemple vidéo de découpe du difficile Monel K-500 avec un outil amélioré conçu pour cela.

Voici un autre exemple de découpe d'Inconel 718.

Vous voulez en savoir plus sur la composition des matériaux que vous utilisez ? Lire " Guide de sélection des outils de coupe :Métaux ferreux et non ferreux ."

Surveillez la chaleur, utilisez des liquides de refroidissement pour le travail des métaux

La chaleur générée dans une machine CNC à la surface du matériau aux vitesses et aux avances nécessaires pour effectuer des coupes précises et fiables avec les copeaux appropriés est difficile à sous-estimer. Cela peut être un véritable défi pour les inserts et les outils.

« Une mauvaise conductivité thermique et une dureté élevée génèrent des températures élevées lors de l'usinage », note Sandvik Coromant dans l'article « Selecting the Right Turning Insert for HRSA Materials ». "Les propriétés de haute résistance, d'écrouissage et de durcissement par adhérence créent une usure en entaille à une profondeur de coupe maximale et un environnement extrêmement abrasif pour l'arête de coupe."

Comment un machiniste devrait-il se protéger contre cela ? Pour de nombreuses applications, utilisez des plaquettes de coupe à base de carbure qui maintiennent le bord dur et adhèrent au substrat et aident à éviter la déformation.

« En général, utilisez des plaquettes avec un grand angle d'attaque (plaquettes rondes) et sélectionnez une géométrie de plaquette positive. En tournage et en fraisage, des nuances céramiques peuvent être utilisées, selon l'application », explique Sandvik Coromant.

Et n'oubliez pas le rôle des revêtements et du liquide de refroidissement, conseille Scott Etling, directeur de la gestion des produits chez Kennametal, dans l'article "The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals".

"Vous devez avoir le bon revêtement PVD, un substrat résistant, la bonne géométrie, la bonne préparation des bords et des géométries à cisaillement élevé", explique Etling. "La chaleur ne pénètre pas dans la puce comme elle le fait dans l'acier. La chaleur doit aller quelque part, donc pour la plupart des applications de titane, vous devez utiliser une énorme quantité de liquide de refroidissement."

Pour en savoir plus sur l'arrosage et les HRSA, lisez le guide d'application de Sandvik Coromant. Le fabricant d'outils suggère ce qui suit :

"Le liquide de refroidissement doit être appliqué dans toutes les opérations à l'exception du fraisage avec de la céramique. Le volume doit être élevé et bien dirigé. Le liquide de refroidissement haute pression HPC (jusqu'à 1 160 psi) donne des résultats positifs en termes de durée de vie et de constance de l'outil. »

Gardez la pièce rigide

"L'usinage des HRSA nécessite une machine très stable, un serrage rigide et une interface très rigide entre la broche et le porte-outil", note Sinkora.

Il y a bien plus à savoir que simplement le matériau et l'outil de coupe. Il y a aussi les éléments nécessaires qui aident à maintenir une pièce en place et à une force équilibrée qui peut supporter les tr/min et le débit très élevés que les machines d'aujourd'hui et les outils de coupe innovants peuvent gérer.

"L'usinage du titane et d'autres superalliages résistants à la chaleur génère des forces de coupe élevées non seulement dans la direction radiale, mais également dans la direction axiale, ce qui peut entraîner l'arrachement de l'outil", déclare Hanson dans l'article "Lessons in High-Performance Machining :N'oubliez pas les porte-outils. « Il est encore plus important d'utiliser le bon type de porte-outils pour éviter les pannes d'outils et les rebuts de pièces. Ce n'est peut-être pas grand-chose, peut-être quelques millièmes de pouce à la fois, mais il y a de fortes chances que ce soit suffisant pour mettre au rebut des pièces très chères. »

Si vous utilisez des supports à verrouillage latéral, il est peut-être temps d'apporter quelque chose de nouveau et d'amélioré. De nombreux fournisseurs autorisent la technologie brevetée Safe-Lock de Haimer. Mais il ne s'agit pas seulement d'augmenter la durée de vie de l'outil en réduisant l'arrachement. Il s'agit également de réduire le broutage et les harmoniques, et de ne pas endommager la broche d'une machine, de sorte que les mandrins hydrauliques dans la fabrication de pièces HRSA méritent d'être évalués, tout comme de s'assurer que la CNC dispose de la technologie HSK, Capto, KM4X ou autre.

"Lorsque vous utilisez des machines-outils aussi rapides, généralement plus de 12 000 tr/min, il est recommandé de toujours équilibrer le système complet (c'est-à-dire, le porte-outil avec l'outil de coupe)", déclare Ronald West, chef de produit mondial senior chez Kennametal dans le porte-outil. article. "Cela augmente simplement la durée de vie de l'outil et diminue l'usure de la broche... Il est un peu plus difficile avec un mandrin à pince ou un adaptateur de fraise en bout de maintenir l'équilibre en raison de leur conception et du matériel requis, mais généralement, les mandrins hydrauliques et les adaptateurs de frettage sont beaucoup plus faciles à équilibrer pour applications à grande vitesse.”

Pour les HRSA bruts, essayez les outils en céramique ; Gardez les parcours d'outils longs

« Les matériaux de coupe en céramique offrent une excellente productivité dans les opérations d'ébauche en FSM et ISM. Leur application est très différente de celle du carbure… », note Sandvik Coromant dans son guide d'application pour travailler avec HRSA. La raison en est que la céramique permet des vitesses de coupe élevées qui aident à produire un "copeau hautement plastifié et cisaillé".

Selon les experts, la clé du dégrossissage des HRSA réside dans les vitesses et les avances afin que vous puissiez atteindre la bonne température. Des vitesses de plus de 3 000 pieds de surface par minute sont recommandées.

"[L]a première étape consiste à régler la bonne vitesse pour augmenter la température dans la zone de coupe afin de créer un certain degré de plastification du matériau, ce qui facilite l'usinage", explique Jan Andersson, directeur mondial chez Greenleaf Corp. "Sinon , vous luttez contre la durée de vie imprévisible de l'outil. Après avoir déterminé la vitesse appropriée, vous utilisez l'avance pour gérer l'évacuation thermique. Plus la vitesse d'avance est élevée, plus la masse dans le copeau est importante. Plus il y a de masse dans la puce, plus vous transportez de chaleur loin de la zone de coupe. Cela contrôle le composant d'usure chimique."

Autre point clé :les trajectoires d'outils doivent rester aussi longtemps que possible dans la coupe pour que vos outils restent actifs et utiles aussi longtemps que possible. Cela signifie utiliser une programmation appropriée dans votre FAO pour forcer le rayon dans chaque trajectoire d'outil.

"La technique de programmation clé que nous recherchons dans l'Inconel et d'autres superalliages consiste à maintenir l'outil dans la coupe aussi longtemps que possible", explique Dale Mickelson, chef de produit chez Methods Machine Tools dans un article sur la fabrication avancée. "Parce que chaque fois que vous entrez et sortez de la coupe, vous perdez la durée de vie de l'outil. Nous créons donc des routines de poche qui descendent dans la pièce de manière hélicoïdale. Si vous avez un méplat, vous coupez jusqu'à ce méplat de manière hélicoïdale, puis finissez la surface plane. »

Voici un exemple vidéo de fraisage céramique coupant une aube de turbine.

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