Usinage des HRSA :savoir quand le carbure ne suffit pas

Les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) tels que l'Inconel 718 sont conçus pour maintenir la résistance et la stabilité sous des températures extrêmes et des contraintes mécaniques. Ces matériaux sont couramment utilisés dans les industries aérospatiale, médicale, de production d'électricité, pétrolière et gazière, dans lesquelles des températures extrêmes sont rencontrées et/ou la résistance à la pression, à l'usure et aux environnements caustiques est essentielle. Cependant, les mêmes caractéristiques qui rendent les HRSA précieux les rendent également extrêmement difficiles à usiner.

Depuis de nombreuses années, les outils en carbure constituent la solution standard pour usiner ces matériaux. Le carbure reste une option efficace et largement utilisée car il est économique, polyvalent et compatible avec la plupart des machines-outils. Cependant, lorsque la réduction du temps de cycle devient une priorité, les matériaux de coupe avancés tels que la céramique et le nitrure de bore cubique (CBN) offrent des avantages significatifs.

Contenu en vedette

En combinant stratégiquement le carbure, la céramique et le CBN, les fabricants peuvent augmenter considérablement les vitesses de coupe, raccourcir les cycles d'usinage et maintenir l'intégrité de surface requise pour les composants critiques.

Carbure :une option polyvalente et rentable

Les plaquettes en carbure restent un choix fiable pour l'usinage des alliages à haute température. Leur ténacité leur permet de mieux gérer les coupes interrompues et les conditions instables que de nombreux matériaux de coupe avancés. Les outils en carbure sont également généralement moins chers que les plaquettes en céramique ou en CBN, ce qui les rend attrayants pour les ateliers qui doivent gérer soigneusement les coûts d'outillage.

Cependant, le carbure présente des limites lors de l'usinage des HRSA. Étant donné que les matériaux tels que l'Inconel 718 génèrent une chaleur importante et s'écrouissent facilement pendant l'usinage, les plaquettes en carbure doivent fonctionner à des vitesses de coupe relativement conservatrices pour maintenir la durée de vie de l'outil. Cela se traduit souvent par des cycles d'usinage plus longs lors des opérations d'ébauche.

Malgré cette limitation, le carbure continue de jouer un rôle important dans les stratégies d'usinage HRSA. En fait, pour certaines applications, des outils en carbure sont utilisés pour la passe de finition finale lorsqu'une haute précision et une finition de surface de qualité sont requises.

Outillage céramique pour l'ébauche à grande vitesse

Les outils de coupe en céramique peuvent améliorer considérablement la productivité lors de l'ébauche des HRSA. Contrairement au carbure, les céramiques sont capables de fonctionner à des vitesses de coupe extrêmement élevées tout en conservant leur stabilité à des températures élevées.

Plutôt que d’éviter la chaleur, les outils en céramique fonctionnent mieux lorsque la chaleur est concentrée dans la puce plutôt que dans le tranchant. Cela permet aux inserts en céramique de fonctionner plusieurs fois plus rapidement que le carbure tout en conservant des performances constantes.

Les céramiques sont particulièrement efficaces pour les opérations d'ébauche car elles peuvent gérer des profondeurs de coupe plus importantes que les plaquettes CBN. Cela permet d'enlever rapidement de grandes quantités de matière, réduisant ainsi considérablement les temps de cycle d'ébauche.

Plusieurs nuances de céramique sont spécialement conçues pour l'usinage des alliages à haute température. Par exemple, les composites céramiques avancés BIDEMICS et les nuances de céramique SiAlON SX7, SX3, SX9 et SX5 de NTK sont conçus pour l'usinage à grande vitesse des superalliages à base de nickel.

Dans cette gamme, le SX9 offre une ténacité plus élevée et est souvent utilisé pour l'ébauche et les coupes plus lourdes, tandis que le SX7 et le SX3 prennent en charge les applications de tournage et de semi-finition à grande vitesse où des conditions de coupe stables facilitent des vitesses plus élevées. Ces nuances céramiques permettent aux machinistes d'augmenter considérablement les vitesses de coupe et de réduire le temps d'usinage lors des opérations d'ébauche.

Cependant, l’outillage céramique nécessite des conditions d’usinage stables. La rigidité de la machine, un montage sécurisé et un engagement constant des outils sont essentiels. De plus, certaines machines peuvent ne pas être capables d'atteindre les vitesses de broche nécessaires pour utiliser pleinement l'outillage en céramique.

CBN pour la finition à grande vitesse

Les plaquettes CBN sont couramment utilisées pour les opérations de finition dans les alliages haute température dans lesquelles l'état de surface et la précision dimensionnelle sont critiques. Le CBN est l'un des matériaux de coupe les plus durs disponibles et offre une excellente résistance à l'usure à des températures élevées. Lors de la finition de matériaux tels que l'Inconel 718, les plaquettes CBN peuvent fonctionner à des vitesses de coupe similaires à celles des outils en céramique mais avec des profondeurs de coupe plus légères, généralement comprises entre 0,1 et 0,5 mm. Cette combinaison permet une finition à grande vitesse tout en conservant une excellente qualité de surface.

Par exemple, la nuance BX815 CBN de Tungaloy est bien adaptée aux opérations de finition sur l'Inconel 718. La nuance est conçue pour l'usinage à grande vitesse des superalliages et est censée offrir une résistance à l'usure et une stabilité de l'état de surface substantielles lors des passes de finition.

Dans les environnements de production, cela permet aux fabricants de terminer les opérations de finition plus rapidement qu'avec le carbure tout en obtenant une qualité de surface améliorée.

Stratégies d'usinage hybrides

Mais au lieu de s'appuyer sur un seul matériau d'outil de coupe, de nombreux fabricants combinent plusieurs solutions d'outillage pour optimiser à la fois la productivité et la qualité de surface.

Une stratégie d'usinage typique pour les HRSA peut inclure :

1. Ébauche avec des outils en céramique. Les qualités céramiques telles que BIDEMICS, SiAlon ou des solutions similaires permettent un enlèvement de matière agressif à des vitesses de coupe élevées.
2. Semi-finition avec céramique ou carbure PVD résistant à la chaleur. Dans les situations où les machines ne peuvent pas atteindre des vitesses céramiques optimales, les nuances de carbure PVD avancées telles que AH8005 et AH8015 peuvent constituer une alternative durable pour les opérations de semi-finition.
3. Finir avec CBN. Les nuances CBN telles que BX815 permettent une finition à grande vitesse avec une finition de surface et un contrôle dimensionnel de qualité.
4. Passe de nettoyage final avec du carbure (si nécessaire). Dans certaines applications, une passe de finition au carbure léger peut être utilisée lorsque la haute précision, la qualité de la finition de surface et les caractéristiques des pièces nécessitent des géométries spéciales.

Considérations sur la programmation

Lors de la transition des outils en carbure vers les outils en céramique ou en CBN, les stratégies de programmation peuvent également nécessiter un ajustement. L'outillage en céramique fonctionne mieux avec un engagement constant de l'outil et des conditions de coupe stables. Les trajectoires d'outils doivent minimiser les interruptions, maintenir un engagement stable et permettre une entrée en douceur dans la coupe. Des changements de charge soudains ou des interruptions importantes peuvent entraîner une défaillance prématurée de l'outil. Étant donné que les outils en céramique fonctionnent à des vitesses de coupe nettement plus élevées que celles en carbure, les avances et les vitesses doivent être ajustées avec soin pour maintenir des conditions de coupe stables.

Les opérations de finition CBN bénéficient également d'un engagement stable et de profondeurs de coupe contrôlées pour maximiser la finition de surface et la précision dimensionnelle.

La capacité de la machine est un autre facteur important. Certains équipements peuvent ne pas être en mesure d'atteindre les vitesses de broche nécessaires pour que la céramique ou le CBN atteigne des performances optimales. Dans ces situations, l'outillage en carbure reste une solution pratique et efficace.

Exemple :transformer l'Inconel 718

Considérons une opération de tournage sur Inconel 718 dans laquelle une quantité importante de matière doit être enlevée avant la passe de finition finale. Un processus typique peut impliquer :

• Ébauche de la céramique utilisant une nuance telle que SX3 ou BIDEMICS pour enlever la majorité de la matière à des vitesses de coupe élevées.
• Semi-finition avec une nuance de carbure résistante à la chaleur telle que AH8005 ou AH8015 si les limitations de vitesse de la machine empêchent la poursuite de l'usinage de la céramique.
• Finition à grande vitesse avec une plaquette CBN telle que la BX815 pour obtenir des tolérances serrées et un excellent état de surface.

Par rapport à un processus utilisant uniquement du carbure, cette approche multi-outils peut réduire considérablement le temps de cycle total tout en maintenant une qualité élevée des pièces.

Améliorer la productivité dans l'usinage HRSA

Les matériaux HRSA continueront de défier les machinistes en raison de leur solidité, de leur résistance à la chaleur et de leur tendance à se durcir. Cependant, les progrès dans les matériaux des outils de coupe permettent désormais aux fabricants d'améliorer considérablement l'efficacité de l'usinage.

Le carbure reste une solution fiable et économique pour de nombreuses applications. Mais lorsque la productivité devient critique, les outils céramiques et CBN offrent la possibilité d'augmenter considérablement les vitesses de coupe et de réduire le temps d'usinage. En combinant l'ébauche céramique, la finition CBN et les passes de nettoyage du carbure, lorsque cela est nécessaire, les fabricants peuvent développer des stratégies d'usinage très efficaces pour des matériaux tels que l'Inconel 718.