Maximiser l'efficacité d'usinage dans la fabrication aérospatiale : stratégies éprouvées

Publié le 11 mai 2020 | Par WayKen Rapid Manufacturing

Le summum de la pensée et de l'ingénierie humaines est à juste titre réservé aux machines volantes géantes. Fusées, avions et jets sont impossiblement difficiles à concevoir et encore plus à produire. C'est pourquoi il n'y a que 8 grandes entreprises au monde qui fabriquent des avions commerciaux en volumes considérables. Un aéronef, spatial ou simplement volant, a plus de 500 000 pièces, une grande partie devant être extrêmement précise et durable. Assurer que ces pièces aient la meilleure qualité et le meilleur coût est un objectif vital de l'usinage aérospatial industriel.

Problèmes de production des pièces aérospatiales

L'usinage de précision aérospatiale a beaucoup de problèmes. D'abord, la multitude de pièces aérospatiales est faite d'une vaste variété de matériaux. Les éléments moteurs, les plus cruciaux pour le fonctionnement de l'aéronef, sont faits d'alliages durcis résistants à la chaleur, extrêmement difficiles à usiner. Ces alliages conduisent mal la chaleur, donc la chaleur pendant le traitement s'accumule dans l'outil. Les alliages de nickel sont souvent vieillis ou traités thermiquement, ils sont donc très durs à usiner. La précision des pièces aérospatiales est bien plus stricte que dans d'autres industries tandis que les géométries sont bien plus complexes.

En dehors des problèmes d'usinage directs, il y a beaucoup de problèmes indirects. L'un inclut les normes de production. Avec l'industrie médicale, la production aérospatiale est l'une des plus réglementées au monde et répondre à toutes les exigences de qualité est difficile.

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Usiner efficacement les pièces aérospatiales à parois minces

Le poids est extrêmement crucial pour les véhicules aérospatiaux. Plus le design est léger, moins il consommera de carburant, donc les ingénieurs aérospatiaux conçoivent souvent des pièces avec des parois minces, treillis, âmes, etc. Conventionnellement, elles sont usinées à partir d'un bloc massif de métal coulé ou estampé et le matériau gaspillé de telles pièces est de 95%. Mais la faible efficacité matière n'est pas le seul problème. Le problème réel lors de l'usinage de telles pièces est la déformation due aux forces de coupe élevées. Si vous augmentez trop l'avance et la profondeur de coupe, surtout avec les alliages de nickel, vous risquez de briser les parois à cause des vibrations ou de les déformer à cause de l'excès de chaleur. Le résultat est généralement que vous enlevez une minuscule copeau à une avance rampante et le temps total d'usinage devient impossiblement long.

Que pouvez-vous faire pour réduire le temps d'usinage et usiner compétitivement des pièces aérospatiales à parois minces ? La première chose est de réduire les vibrations. L'outil vibrant frappe une paroi mince et elle se plie ou se fissure. Pour réduire les vibrations, mieux vaut diminuer l'avance mais augmenter le nombre de arêtes de coupe dans une fraise (ou même utiliser plusieurs outils de coupe sur un tour). La stratégie de coupe optimale pour le fraisage de parois minces aérospatiales est le fraisage en escalade (climb milling). Cette stratégie utilise une avance qui va dans le sens opposé à la stratégie conventionnelle. Cela conduit à une force de coupe plus faible, meilleure finition de surface et surtout, la fraise entre dans le matériau là où la paroi est la plus épaisse, donc les vibrations sont bien moindres. Pour contrer la surchauffe, il est nécessaire d'utiliser des fluides de refroidissement progressifs à haute pression.

Trajectoires d'usinage trochoïdales pour réduire la surchauffe dans les alliages aérospatiaux

La surchauffe des pièces due à la mauvaise conduction thermique est un problème typique pour les pièces aérospatiales. Une stratégie d'usinage pour réduire l'accumulation de chaleur s'appelle le fraisage trochoïdal. Elle exploite grandement les capacités des machines CNC à suivre des trajectoires de coupe complexes. La stratégie trochoïdale utilise une petite fraise (plus petite que la coupe de toute façon) qui suit un chemin similaire à une projection latérale de ressort sur une surface plane. Une courbe – la fraise coupe, puis elle revient pendant la seconde courbe et coupe à nouveau le métal. Cette stratégie fractionne le temps de contact entre l'outil et la pièce pour qu'il y ait un moment pour que les deux soient efficacement refroidis par les fluides de coupe. Le tournage trochoïdal est similaire au fraisage, utilisant des séquences courtes de coupe et de pause pour laisser les fluides faire leur travail et éviter la surchauffe. Une telle stratégie a beaucoup plus de passages à vide que d'autres stratégies mais elle nie cet effet en augmentant les vitesses et avances de coupe. Chez WayKen, nous pouvons aussi offrir l'usinage EDM qui peut éviter l'usinage de pièces.

Choisir les bons outils pour un usinage rapide

Quand on pense aux machines-outils, les machines CNC jouent un grand rôle et sont largement applicables à l'usinage de l'aluminium. L'un des moyens les plus importants d'augmenter l'efficacité d'usinage est de choisir le bon outil de coupe. Si les alliages tendres sont bien analysés et que beaucoup de fabricants offrent des solutions pour l'aluminium et autres alliages. Cependant, beaucoup de matériaux aérospatiaux sont classifiés et le choix doit être fait sur place.

Les astuces pour un choix d'outil efficace pour les matériaux résistants à la chaleur doivent contrer les propriétés négatives des matériaux. Donc, un outil parfait doit avoir peu de vibrations, être très dur, et résister aux hautes températures pour avoir une durée de vie constante et travailler à des avances efficaces. Un exemple parfait d'outil pour de tels usages est l'outil de coupe diamant. Les diamants synthétiques sont plus durs et plus durables que les inserts carbure et peuvent travailler à des températures plus hautes. L'usinage diamant a ses spécificités mais peut certainement être modifié pour convenir aux besoins des fabricants aérospatiaux. En dehors des outils diamant, les outils céramiques prouvent aussi d'excellentes performances car ils peuvent travailler aux températures les plus hautes.

Pour réduire les vibrations des pièces traitées, il est important d'utiliser des fraises avec plus d'arêtes de coupe et un angle de goujure plus aigu. De telles fraises minimisent le temps et la distance que l'outil parcourt avant que la prochaine arête ne frappe le matériau, réduisant ainsi les vibrations et permettant d'augmenter les paramètres de coupe pour plus d'efficacité.

Systèmes assurant la qualité d'usinage

Avant d'utiliser toute stratégie et de commencer le traitement, il est important d'estimer si la qualité de la pièce peut être atteinte dans le temps désiré. Comment pouvons-nous prédire la tolérance finale, la finition de surface et le temps d'usinage avant de le faire ? Ce n'était pas possible il y a peu mais c'est maintenant le cas grâce au taux stupéfiant de développement des techniques de modélisation mathématique. L'analyse par éléments finis a atteint un niveau où vous pouvez simuler les processus de coupe avec une bonne précision. Vous pouvez donc télécharger votre modèle et regarder les forces de coupe réelles et la dissipation de chaleur et comment cela influencera la pièce finale. Vous pouvez voir les contraintes résiduelles, déformations, etc. même avant d'installer un brut sur la machine-outil CNC. Cette technologie offre de grands avantages pour prédire le résultat de l'usinage et réduit le temps laissé pour les reprises.

Comment WayKen peut vous aider ?

Ici, nous avons massivement investi dans la technologie d'usinage CNC avancée et les machines multi-axes qui nous permettent de traiter facilement et rapidement des essais, des séries courtes personnalisées, ou des productions à faible volume. Nous pouvons répondre à vos besoins en pièces usinées quand vous pouvez télécharger vos fichiers CAO aujourd'hui pour un devis gratuit.