Usinage de superalliages :des experts offrent des conseils pour les matériaux difficiles à couper

Gagner un avantage dans le monde concurrentiel de l'usinage d'aujourd'hui nécessite que les ateliers restent à la pointe de la technologie des outils de coupe. Voici quelques solutions pour les superalliages, des métaux notoirement difficiles à usiner mais courants dans les industries aérospatiale, énergétique et médicale.

L'Inconel se classe parmi les moins usinables de tous les alliages métalliques. Il en va de même pour Hastelloy, Nimonic, Waspaloy et René. Tous contiennent des quantités relativement élevées de nickel, de cobalt ou de chrome (parfois les trois) et des métaux réfractaires tels que le molybdène et le tantale.

Compte tenu de leur extrême ténacité, de leur dureté et de leur résistance à la chaleur et à l'usure, il n'est pas surprenant que ces métaux importants portent le noble titre de "super alliages".
 

L'Inconel 718, par exemple, est largement utilisé pour fabriquer les composants de la section chaude des moteurs à turbine à gaz, c'est pourquoi il est étiqueté superalliage résistant à la chaleur (HRSA).

Monel K-500 est très résistant à la vapeur et à l'eau de mer, ce qui en fait un favori pour les applications marines.

Le cobalt chrome (CoCR), en revanche, est utilisé pour tout, des ponts dentaires et des genoux artificiels aux éoliennes et aux alliances.

Il existe trois classes générales de superalliage :à base de nickel, à base de cobalt et à base de fer. La plupart sont propriétaires, développés par des sociétés telles que Haynes International et Special Metals Corporation (SMC) pour une utilisation aérospatiale et pour des environnements extrêmement chauds, froids ou corrosifs. Comme indiqué, tous sont difficiles à usiner, nécessitant un équipement rigide et des outils de coupe conçus pour ces matériaux exigeants.

Fraises, forets et plaquettes de tournage

Heureusement, les ateliers d'usinage souhaitant s'attaquer aux HRSA et autres superalliages disposent aujourd'hui d'un large choix d'outils de coupe.

Les trois fabricants d'outils de coupe avec lesquels nous avons parlé pour cet article proposent tous des fraises, des forets et des plaquettes de tournage conçus spécifiquement pour ces matériaux difficiles, comme le font d'autres fournisseurs. La mise en garde dans chaque cas, cependant, est que différentes tactiques d'usinage peuvent être nécessaires si les ateliers veulent tirer pleinement parti de ces outils.

Par exemple, KYOCERA SGS Precision Tools Inc. a ses fraises en bout de la série Multi-Carb, qui, selon l'ingénieur d'applications Jacob Rak, sont disponibles avec 7, 9 ou 11 cannelures et disposent d'un noyau très lourd pour la rigidité.

"Il y a des années, l'approche conventionnelle avec les superalliages consistait à utiliser des fraises en bout avec moins de cannelures et à les attaquer de manière agressive", dit-il. "Mais nous avons constaté, grâce à des tests internes ainsi qu'à nos clients de l'aérospatiale, que les outils avec un nombre de goujures plus élevé, lorsqu'ils sont appliqués à des profondeurs de coupe assez légères et à des vitesses de coupe faibles à modérées, sont extrêmement efficaces dans les superalliages."

Selon le matériau spécifique, Rak recommande généralement de commencer avec une profondeur de coupe radiale (DOC) ne dépassant pas 5 % du diamètre de l'outil. Cela suppose, bien sûr, qu'une stratégie d'usinage à haut rendement (HEM) ou de fraisage dynamique soit utilisée, car elles servent à amincir le copeau et à réduire la chaleur dans la zone de coupe.

"Nous sommes allés jusqu'à 20 % de COD avec un outil à 9 flûtes et cela a très bien fonctionné", dit-il. "La clé est d'utiliser ces parcours d'outils d'usinage à haut rendement pour répartir les forces de coupe et éviter tout pic de charge d'outil."

Utiliser un outil à noyau lourd

Rak réitère la nécessité d'un outil à noyau lourd, car cela réduit la déviation courante avec l'usinage des superalliages. Il en va de même pour Derek Nading, ingénieur d'applications chez M.A. Ford Mfg. Co. Inc., qui commence généralement avec le TuffCut XT9 (série 380) de l'entreprise lorsqu'il est confronté à une application de superalliage difficile.

« La XT9 est une fraise en bout hélicoïdale à 9 dents, à pas variable et à 37 degrés que nous avons conçue pour un grand compte aérospatial en tant que produit spécial il y a plusieurs années », dit-il. "Nous avons rapidement constaté qu'il offre des performances inégalées dans les superalliages résistants à la chaleur, donc après quelques ajustements supplémentaires, dont un revêtement à base de TiAlSiN (ALtima Xtreme), nous en avons fait une offre standard."

Comme pour SGS et d'autres fabricants d'outils de coupe, M.A. Ford suggère également qu'une stratégie de fraisage trochoïdal est la voie à suivre pour l'usinage des superalliages.

"Avec les progrès des machines-outils et de leurs systèmes de contrôle au cours des dernières années, la technologie de fraisage dynamique, associée au carbure revêtu, vous offre la meilleure durée de vie d'outil et le meilleur taux d'enlèvement de copeaux possibles", déclare Dirk Dietsch, directeur commercial régional pour la région des Grands Lacs de M.A. Ford. .

« Cependant, ce ne sont pas les seuls avantages du fraisage dynamique », ajoute-t-il. "Il fournit également des forces de coupe plus faibles, une qualité de surface de pièce améliorée, une réduction de la chaleur critique dans la pièce, ainsi que le processus le plus systématiquement sécurisé contre une défaillance catastrophique de l'outil de coupe."

Garder votre outil au frais

Les deux spécialistes des outils de coupe soulignent la nécessité d'une configuration rigide et d'une machine-outil tout aussi robuste, tout comme Steve Archambault, chef de produit régional pour Kennametal Inc. Lorsqu'on lui a demandé quelle fraise en bout de l'entreprise était la meilleure pour un usinage réussi des superalliages, il a coché plusieurs possibilités, mais a mis en avant le HARVI 1 TE comme son premier choix.

"Il y a quelques astuces dans sa conception qui permettent au HARVI 1 TE de fonctionner plus facilement et avec moins de friction", dit-il. « Dans ces alliages à haute température, cette dernière partie, la chaleur et le frottement, est un énorme problème. Avec un relief à facettes excentrique, une coupe spéciale des copeaux et un noyau parabolique pour plus de résistance, cet outil possède tous les attributs nécessaires pour une coupe efficace des superalliages. »

Greg Sage, chef de produit régional pour le tournage chez Kennametal, n'hésite pas à souligner que le carbure monobloc n'est pas le seul jeu en ville pour l'usinage des superalliages ; il y a aussi la céramique.

Sage appuie les conseils des autres sur la rigidité, mais ajoute que cela est particulièrement nécessaire avec des outils tels que les fraises en bout entièrement en céramique de Kennametal et dans les applications de tournage où la céramique ou le PCBN (nitrure de bore cubique polycristallin) est utilisé.

« Avec une configuration rigide, des nuances telles que notre céramique KYS25 peuvent atteindre des vitesses de coupe de 700 sfm ou plus dans les superalliages, ce qui augmente considérablement le débit », déclare Sage. « Et pour les opérations de finition, les plaquettes de tournage KB1630 PCBN de Kennametal font un travail fantastique. Ce qui est important, cependant, c'est que les ateliers se souviennent qu'il existe de nombreuses options et qu'ils doivent contacter leur fournisseur d'outils de coupe pour obtenir de l'aide lorsqu'ils décident lesquels utiliser et comment les appliquer."

Rendre les configurations super

Les fabricants d'outils de coupe vous diront qu'une nuance et une géométrie spécifiques au matériau, une configuration rigide et la bonne machine-outil sont toutes nécessaires pour un usinage réussi des superalliages résistants à la chaleur tels que l'Inconel et l'Hastelloy.

Ils ont raison, bien sûr, mais il y a plus dans l'histoire de HRSA que cela.

Si la perceuse ou la fraise en bout le permet, il est également conseillé d'utiliser un liquide de refroidissement filtré et bien entretenu à travers l'outil à des pressions de 70 bar ou plus (1 000 psi). Bien sûr, cette affirmation s'applique aussi bien aux matériaux moins exigeants qu'à la plupart des opérations de tournage.

La construction de porte-outils mérite également une attention particulière. Étant donné que l'extraction de l'outil est un problème lors de l'ébauche des superalliages, du titane et même de l'aluminium, un porte-outil Haimer Safe-Lock ou un porte-outil antidérapant comparable est un bon investissement. Il en va de même pour un système d'équilibrage d'outils. Comme tout machiniste le sait, l'élimination du faux-rond et des vibrations est essentielle pour prolonger la durée de vie de l'outil et améliorer la qualité des pièces ; l'un des meilleurs moyens d'y parvenir, en plus d'utiliser des porte-outils hydrauliques, mécaniques ou frettés de haute qualité, consiste à équilibrer l'ensemble complet du porte-outil avant utilisation.

Suivez ces étapes et vous découvrirez bientôt que les superalliages ne sont pas si difficiles après tout.

Quels conseils et techniques pouvez-vous proposer concernant l'usinage des superalliages ? Partagez vos pensées et vos idées dans les commentaires ci-dessous.

Comment gérez-vous l'usinage de matériaux difficiles à couper ?

Alors que les fabricants cherchent à prendre l'avantage sur un marché mondial difficile, il est essentiel de comprendre comment usiner certains métaux.

Il est donc utile de connaître les techniques d'usinage des superalliages, des métaux notoirement difficiles à usiner mais courants dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'énergie et du médical.

Aidez les autres à mieux comprendre l'usinage de ces matériaux en répondant à notre sondage.

Quelles sont les techniques d'usinage des superalliages que vous trouvez les plus utiles ?