Atteindre la précision : maintenir la stabilité dimensionnelle en usinage aluminium

Publié le 23 octobre 2020 | Par WayKen Rapid Manufacturing

Maintenir un contrôle dimensionnel précis pour les pièces où la précision est une exigence fondamentale est toujours un sujet d'intérêt pour les prestataires de services d'usinage métallique. Cela a conduit à plusieurs activités de recherche sur la stabilité dimensionnelle. Les études incluent divers phénomènes comme les limites élastiques, la micro-déformation, le fluage microscopique, les mécanismes qui les causent, et une variété de méthodes proposées pour améliorer le contrôle dimensionnel. Par stabilité dimensionnelle d'un matériau, on fait référence à sa capacité à maintenir sa forme, sa taille d'origine et à rester dans ses tolérances dimensionnelles prévues sur une période donnée sous un ensemble de conditions environnementales.

Dans cet article, nous discuterons de l'instabilité dimensionnelle dans l'un des métaux les plus utilisés, l'aluminium, et nous présenterons des moyens de contrer les dilemmes rencontrés dans l'usinage de l'aluminium.

Nous soutenons les derniers procédés d'usinage et de fraisage CNC aluminium. Si vous avez des problèmes avec l'usinage de l'aluminium, nous serions ravis de vous aider.

Pourquoi discuter de l'usinage de l'aluminium ?

En tant que métal le plus abondant dans la croûte terrestre (8,1 %), l'aluminium est largement utilisé dans presque toutes les industries, y compris l'aviation, l'automobile et la construction. La nature unique des alliages d'aluminium et les propriétés diverses qu'ils offrent pour diverses applications en font un métal véritablement phénoménal. Cependant, ses applications diverses ont un coût : l'usinage des alliages d'aluminium nécessite plusieurs considérations d'usinage, contrairement à l'acier.

Le principal dilemme réside dans les valeurs considérablement plus élevées des coefficients de dilatation thermique des alliages d'aluminium par rapport aux autres métaux couramment utilisés. Examinons les valeurs comparatives des coefficients de dilatation thermique dans le tableau ci-dessous.

D'après ce tableau, on remarque clairement les valeurs relativement plus élevées des coefficients de dilatation thermique pour l'aluminium et ses alliages. Par conséquent, nous discuterons des considérations vitales impliquées dans l'usinage de l'aluminium au fur et à mesure que l'article progresse.

Dilemmes rencontrés dans l'usinage de l'aluminium

L'usinage des alliages d'aluminium fait face à des déformations majeures dans de multiples opérations, y compris l'usinage de parois minces et le forgeage. Avant d'aller plus loin, il est nécessaire de comprendre la différence entre les changements dimensionnels récupérables, la déformation plastique (micro-déformation) et l'instabilité dimensionnelle.

• Les changements dimensionnels récupérables sont indépendants du temps et prévisibles. Ils incluent la déformation élastique, la dilatation thermique et la magnétostriction.
• La déformation plastique fait référence aux déformations plastiques irrécupérables, dépendantes du temps, résultant de contraintes appliquées.
• L'instabilité dimensionnelle fait référence aux changements de dimensions résultant de contraintes internes. Elle fait référence aux instabilités métallurgiques, par exemple changements de phase, précipitation. Cette forme d'instabilité se produit en l'absence de forces externes.

Deux mécanismes principaux conduisent aux instabilités dimensionnelles dans les métaux. Le premier est l'instabilité métallurgique et le second est la relaxation des contraintes résiduelles. Discutons des diverses raisons de la déformation des pièces en aluminium. Ces raisons incluent les aspects matériau, la forme des pièces, les conditions pendant la production et la performance du fluide de refroidissement.

• Déformations causées par les contraintes internes dans le brut
• Déformations causées par les forces de coupe
• Déformations dues à la dissipation de chaleur lors des opérations de coupe
• Déformations dues aux forces de serrage pendant les opérations d'usinage

Il est donc crucial de contrôler ces déformations pour assurer un usinage de haute qualité des alliages d'aluminium. Nous classerons et discuterons diverses mesures dans la section suivante.

Étapes pour réduire les déformations d'usinage de l'aluminium

Fort d'une vaste expérience dans l'industrie de l'usinage, guidons-vous à travers les étapes clés pour réduire les déformations d'usinage spécifiquement pour les alliages d'aluminium. Les étapes comprennent les aspects technologiques, le choix de l'équipement CNC, le réglage de paramètres machine appropriés, la sélection des outils, les méthodes de serrage et les compétences requises de l'opérateur.

Réduction des contraintes internes dans la pièce métallique

Comme discuté précédemment, l'instabilité dimensionnelle dépend principalement des contraintes internes sans forces externes. Pour éliminer les contraintes internes, les méthodes les plus courantes pour les alliages d'aluminium sont le traitement par vibration et le vieillissement naturel ou artificiel de la pièce. Selon le Manuel ASM, trois méthodes peuvent être utilisées pour soulager les contraintes.

La première implique une déformation plastique contrôlée du matériau en utilisant un chargement en compression ou en traction. Cette méthode ne s'applique qu'aux forgeages à matrice ouverte. La seconde implique des traitements thermiques comme le traitement sous-zéro ou la stabilisation à froid, pendant lesquels le matériau est exposé à des températures cycliques entre -73 et 100 °C. Cela aide à réduire les contraintes internes jusqu'à 25 %. La dernière méthode recommandée est le trempage en montée (uphill quenching) où le brut est refroidi à -273 °C puis rapidement chauffé par un jet de vapeur chaude.

Amélioration de la capacité de coupe de l'outil

Le choix approprié des paramètres d'outillage impacte directement la qualité de la force de coupe et la quantité de dissipation de chaleur. Examinons d'abord les paramètres géométriques importants, suivis du choix de la structure d'outil appropriée.

Paramètres géométriques

1. Les outils pour l'usinage des alliages d'aluminium doivent être correctement affûtés. Cela permet des angles de rake arrière et latéral plus importants. Des angles de rake plus grands doivent être utilisés pour les outils destinés aux finitions. De plus, des angles de rake plus grands sont également bénéfiques pour l'usinage d'alliages d'aluminium plus tendres car ils signifient des arêtes de coupe plus aiguës. Des angles de rake plus petits sont bénéfiques pour les coupes brutes, les coupes profondes et les avances élevées. Les angles de rake varient de 0 à 40 degrés et ne doivent jamais être négatifs.
2. L'angle de dépouille doit toujours être grand car il impacte directement l'usure de la surface arrière de l'outil ainsi que la qualité de la finition de surface. L'angle de dépouille dépend de l'avance et de la profondeur de coupe. Si une coupe brute et des avances élevées sont nécessaires, l'angle de dépouille doit être plus petit. Cependant, dans les opérations d'usinage CNC aluminium de précision, il faut réduire les déformations élastiques et assurer moins de frottement entre la fraise et les surfaces de la pièce pour obtenir une finition de surface élevée. Pour cela, la magnitude de l'angle de dépouille doit toujours être aussi grande que possible.
3. Il est nécessaire de comprendre l'importance de l'angle de dégagement pour le bon fonctionnement de l'outil. En cas d'angle de dégagement très petit, le talon (côté) de l'outil pourra frotter contre la pièce et causer une dissipation de chaleur. D'un autre côté, un angle de dégagement trop grand fera pénétrer l'outil trop profondément dans la pièce et causera des vibrations. Par conséquent, le choix de l'angle de dégagement doit être optimal. Dans la plupart des applications, des angles entre 6 et 10 degrés sont optimaux.
4. Enfin, l'angle d'hélice. Pour assurer un fraisage fluide et réduire la force de fraisage requise, l'angle d'hélice doit être aussi grand que possible.

Amélioration des méthodes de serrage de la pièce

Il existe deux façons d'améliorer le serrage des pièces en aluminium. Dans le cas de pièces cylindriques à parois minces, le serrage avec un mandrin auto-centrant à trois mors cause des déformations. La méthode de compression par la face terminale est alors utile. La face terminale est compressée avec une plaque de couverture et serrée avec un écrou. Cela permet une précision d'usinage satisfaisante.

La seconde méthode s'applique aux pièces en plaques à parois minces. Elle implique l'utilisation de ventouses pour obtenir une répartition uniforme de la force de serrage le long de la plaque mince. Une méthode additionnelle est d'utiliser un milieu liquide pour éviter les déformations par serrage. Par exemple, de l'urée fondue avec 3 à 6 % de nitrate de potassium peut être versée sur la pièce. L'alcool ou l'eau peuvent rincer la pièce finale pour assurer l'élimination complète du milieu liquide.

Structure de l'outil

1. La réduction du nombre de dents de la fraise est importante pour l'usinage de l'aluminium. Cela est dû au haut degré de plasticité de l'aluminium, ce qui signifie par conséquent une déformation plus importante pendant les opérations d'usinage. Les copeaux d'aluminium ont un élément de collant qui les fait interférer dans la production de pièces fines avec les tolérances désirées. L'augmentation de l'espacement entre les arêtes de coupe permet le passage de copeaux plus gros.
2. Il est vital de maintenir la rugosité de l'arête de coupe inférieure à 0,4 µm et de traiter l'arête de coupe avec des opérations de rectifiage appropriées. Cela éliminera tous les bavures inutiles qui réduiront finalement la dissipation de chaleur et les déformations de coupe.
3. Le remplacement ou la remise en état de l'outil doit se faire selon les normes. Par conséquent, lorsque la valeur de rugosité de surface dépasse 0,2 mm et lorsque les valeurs de température de coupe dépassent 100 °C, l'outil doit être remplacé ou remis en état.

Conseils pour l'opérateur d'usinage

L'importance des compétences d'un opérateur d'usinage ne peut être négligée. C'est pourquoi des prestataires de services d'usinage CNC aluminium crédibles peuvent faire une énorme différence malgré l'utilisation des mêmes paramètres d'outillage et de pièce. Examinons ce qu'un opérateur doit considérer lors de l'usinage CNC d'alliages d'aluminium :

1. Un opérateur qualifié doit avoir une connaissance approfondie du calcul des avances et vitesses. La plage d'avances et de vitesses est bien plus étroite pour les alliages d'aluminium que pour d'autres matériaux. La coupe de l'aluminium nécessite des vitesses de broche élevées, mais les avances sont subjectives aux exigences. Des vitesses de broche plus rapides permettent des mèches de plus petit diamètre. Par conséquent, un opérateur qualifié doit avoir de l'expérience dans l'utilisation de formules appropriées pour les avances et vitesses de broche adaptées à l'usinage de l'aluminium.
2. L'usinage de l'aluminium requiert une approche lente et régulière. La tentation de programmer la machine CNC avec des coupes plus profondes par passe pour une productivité accrue peut se retourner contre l'aluminium. L'évacuation des copeaux d'aluminium collants devient une tâche ardue et signifie aussi une mauvaise finition de surface due aux bavures. Un bon opérateur CNC avancera toujours patiemment pour un meilleur résultat. Il/elle effectuera des calculs appropriés pour les profondeurs de coupe idéales par passe.
3. Une attention particulière à l'utilisation du fluide de coupe est nécessaire de la part de l'opérateur. De plus, le pré-traitement et le post-traitement des pièces sont nécessaires et l'opérateur doit être patient et soigneux pour signaler tout défaut mineur dans les pièces finies afin de maintenir la crédibilité d'un bon prestataire de services d'usinage.

Conclusion

Nous espérons que ce guide complet mais concis sur l'usinage de l'aluminium enrichira vos connaissances techniques afin que la prochaine fois que vous ferez usiner une pièce en aluminium, vous puissiez discuter techniquement chaque aspect avec votre prestataire de services d'usinage de manière très efficace.