MEP prend l'avantage sur la fabrication de pièces aérospatiales

Présentation

Les fabricants utilisent des opérations de tournage, de fraisage et de perçage pour usiner les caractéristiques des pièces. Cependant, ces mêmes processus peuvent également produire des bavures et des arêtes vives indésirables au niveau des bordures des fonctions. Ces états de bord peuvent entraîner une rupture de matière lors de l'utilisation de la pièce, la fragiliser structurellement et constituer un danger pour ceux qui la manipulent. Ces conditions négatives expliquent pourquoi de nombreux utilisateurs finaux considèrent les bavures ou les bords extrêmement tranchants comme des raisons de rejeter les pièces des fournisseurs.

Les fabricants ont traditionnellement éliminé les bavures et les arêtes vives à l'aide de meuleuses à main et d'autres procédés manuels. De tels procédés sont lents et nécessitent de sortir la pièce de la machine-outil et de la refixer pour les opérations d'ébavurage ou de chanfreinage. Et même lorsqu'elles sont effectuées par des artisans qualifiés, ces opérations manquent de la cohérence de processus nécessaire lors du passage d'une pièce à l'autre.

Une alternative productive à l'ébavurage manuel est le profilage mécanisé des bords (MEP). MEP élimine les conditions de bord inacceptables en appliquant un outil conçu et le même équipement qui a usiné les caractéristiques de la pièce. Le processus MEP offre de nombreux avantages. Il permet de définir et de programmer avec précision l'état final des bords via le système de FAO de la machine, ce qui se traduit par une répétabilité maximale. Le temps de production global des pièces est réduit car la pièce n'a pas besoin d'être retirée de la machine et refixée, et l'empilement des tolérances et autres incohérences qui se produisent d'une configuration à l'autre sont éliminés. En réponse à cette tendance, les fabricants d'outils de coupe d'aujourd'hui continuent de développer de nouveaux outils productifs qui améliorent les avantages du processus MEP.

Principaux candidats pour le MEP

Compte tenu des exigences de plus en plus rigoureuses de l'industrie aérospatiale en matière de précision et de cohérence des pièces, les composants d'avions à réaction sont des candidats de choix pour l'application de la MEP.

Les composants de turbomachines d'avions, par exemple, sont généralement classés comme non rotatifs et rotatifs. Pour le MEP des pièces de moteur non rotatives telles que les tambours et les carters, le profilage des bords consiste généralement en un chanfrein standard et un outillage de bord de rupture, appliqué sur l'équipement qui a usiné la pièce.

Pour les pièces rotatives critiques telles que les disques de ventilateur et de compresseur, les utilisateurs finaux ont des normes plus élevées et exigent une élimination complète des imperfections de surface. Les conditions de bord doivent généralement faire l'objet d'une approbation et d'une certification en laboratoire. Pour ébavurer ces pièces, les fabricants d'outils ont développé des outils MEP personnalisés de haute précision, entièrement reproductibles.

Développement d'outils MEP

Les outils d'ébavurage et de profilage standard, tels que ceux appliqués sur les composants non rotatifs, comprennent des fraises à chanfreiner en carbure monobloc revêtues avec des arêtes de coupe de 45˚ et 60˚, ainsi que des outils qui utilisent des plaquettes indexables pour produire des chanfreins à 45˚ et 60˚.

Pour les applications les plus critiques, les fabricants d'outils fournissent des outils conçus sur mesure pour profiler les bords et éliminer les bavures spécifiquement à l'entrée ou à la sortie d'un trou. Certains outils combinent ces capacités et peuvent supprimer les bavures latérales d'entrée et de sortie.

Ces outils personnalisés présentent souvent des géométries de coupe complexes. Les plus sophistiqués ont des conceptions de bord qui produisent un chanfrein avec un bord arrondi précédé d'angles d'entrée et de sortie conçus pour empêcher la formation de bavures secondaires.

Le développement d'outils spécialisés va au-delà des seules arêtes de coupe. Pour le profilage des bavures et des bords à l'entrée d'un trou ou à la surface supérieure d'un composant, la recherche a révélé que la combinaison d'une coupe à droite avec une hélice à droite est la plus efficace car elle sert à retirer le matériau coupé de la pièce. D'autre part, pour les bavures de sortie sur la surface inférieure d'une pièce, une coupe à droite combinée à une hélice à gauche fonctionne mieux, encore une fois parce que cette configuration éloigne les copeaux du composant.

D'autres analyses d'application ont indiqué que les outils MEP conçus pour éliminer les bavures au sommet ou à l'entrée d'un trou offrent une durée de vie plus longue que les outils destinés à éliminer les bavures au fond ou à l'extrémité de sortie d'un trou traversant. En effet, un outil d'ébavurage conçu pour traverser une pièce pour accéder à la sortie du trou sera plus long et de diamètre plus petit que celui destiné à effectuer son travail d'un seul côté du trou. Un outil plus long et de plus petit diamètre est plus sujet à l'instabilité et aux vibrations, qui peuvent toutes deux ébrécher ou casser un outil en carbure. Par conséquent, la plupart des ateliers choisissent d'utiliser des outils séparés pour ébavurer les bords d'entrée et de sortie d'un trou plutôt qu'un seul outil qui peut faire les deux.

Les outils plus longs et de plus petit diamètre nécessitent également plus de soin en ce qui concerne le choix des paramètres de coupe. Un outil court et robuste peut fonctionner plus rapidement sans vibrations ni autres problèmes. La géométrie et les caractéristiques des pièces font également la différence. Lorsque les conditions de coupe sont stables et que les coupes sont régulières et ininterrompues, des paramètres de coupe plus agressifs peuvent être appliqués. D'autre part, les caractéristiques des pièces telles que les trous d'accès qui interrompent les trajectoires de coupe MEP obligent à utiliser des paramètres plus conservateurs afin de minimiser l'usure de l'outil et d'éviter les défaillances prématurées.

Une partie du développement continu de l'outillage MEP implique des outils qui combinent l'usinage d'une fonction avec l'ébavurage. Par exemple, l'arête de coupe MEP serait située en haut de la fraise en bout afin qu'elle puisse simultanément usiner le diamètre du trou et ébavurer les arêtes d'entrée.

Défis matériels

De nombreux matériaux aérospatiaux, en ce qui concerne leurs caractéristiques d'usinage, présentent des défis supplémentaires lorsqu'il s'agit d'éliminer les bavures et de chanfreiner leurs arêtes vives. Les alliages à base de nickel utilisés dans les composants de moteur, par exemple, sont résistants et sont de mauvais conducteurs de chaleur. Ainsi, l'outil de coupe absorbe la chaleur générée lors du processus de coupe, ce qui accélère l'usure de l'outil.

Par conséquent, lors de la détermination de la métallurgie et de la géométrie d'un outil, les outilleurs doivent trouver un équilibre entre la netteté et la résistance des arêtes. Un matériau de substrat en carbure dur peut très bien résister à l'usure thermique et abrasive, mais il n'aura pas la résistance aux chocs d'un substrat qui comporte des ajouts de cobalt ou d'un autre matériau d'alliage pour augmenter sa ténacité. De la même manière, une arête de coupe parfaitement tranchante peut être plus sujette à la casse par rapport à celle qui a un aiguisage ou une autre préparation d'arrondissage des arêtes. Les outilleurs affinent également les angles de coupe et d'hélice ainsi que les revêtements d'outils pour obtenir les meilleurs résultats avec des matériaux de pièces spécifiques.

Taille de l'outil

Pour le traitement de grands trous et arêtes, les outilleurs peuvent concevoir des outils de n'importe quelle taille pour lesquels les fournisseurs peuvent fournir une ébauche suffisamment grande. Sur le petit côté du spectre, cependant, il y a des limites. Actuellement, le plus petit rayon pouvant être rectifié est d'environ 0,2 mm, avec des angles d'entrée et de sortie proportionnellement plus petits.

Les outils MEP personnalisés ont des rayons, des chanfreins, des angles et des combinaisons spécifiques de ces caractéristiques. Les outils ont généralement des arêtes de coupe carrées. Cependant, des outils de style boule et sucette sont également disponibles pour profiler les caractéristiques d'un composant dont les contours limitent l'accès d'un outil MEP à bords carrés. Appliqués sur une machine à cinq axes, ces outils peuvent balayer la ligne d'un profil de pièce complexe et créer un rayon sur de longues arêtes profilées.

MPE en opération 

Pour optimiser la précision et la cohérence et gagner du temps lors du déplacement d'une pièce d'une machine à l'autre, les fabricants effectuent généralement la MEP dans le cadre de l'opération d'usinage de la caractéristique de la pièce.

En règle générale, l'ébavurage se produit une fois toutes les opérations d'usinage terminées. Le programme CAM ordonne aux outils MEP d'ébavurer tous les trous et de casser les arêtes vives en séquence. Certains outils MEP peuvent être utilisés pour ébavurer une variété de trous, et certains outils de profilage peuvent être appliqués sur trois ou quatre emplacements ou éléments différents, tels que le fond d'un trou ainsi que le fond d'un contour de feston.

Pour s'assurer que le profilage des bords a lieu au bon endroit et avec la bonne quantité, le trou ou l'élément concerné doit être défini ou mesuré avant le début de l'opération MEP. Lorsque les tolérances des pièces sont très serrées, l'emplacement de la surface de la pièce est bien défini et la mesure en cours de fabrication peut être inutile. Cependant, lorsque les tolérances sont généreuses, une mesure est nécessaire après l'usinage initial pour déterminer l'emplacement de l'arête ou de l'élément à profiler.

De plus, l'outil lui-même doit être mesuré et localisé pour s'assurer qu'il profilera correctement la pièce. Parce que les rayons d'outil sont si petits – et pour des raisons pratiques, non mesurables – la longueur d'outil est spécifiée dans le programme CAM. L'opérateur peut confirmer la longueur de l'outil loin de la machine avec un dispositif de préréglage ou sur la machine via un laser ou une sonde tactile. Les vitesses d'avance sont calculées par rapport aux dimensions mesurées des fonctions de la pièce et de l'outil. Les outils d'ébavurage personnalisés les plus sophistiqués sont mesurés à 100 % par leur fabricant avec une tolérance de 40 microns sur le profil de l'outil, faux-rond compris.

L'opération d'ébavurage ou de chanfreinage doit être considérée comme une passe de finition, avec comme priorité la qualité. La productivité est toujours importante, mais surtout dans le cas de composants aérospatiaux coûtant des centaines de milliers de dollars, pousser l'outil pour maximiser la production peut avoir des répercussions négatives et coûteuses. La cohérence, la fiabilité et l'élimination des pièces de rebut sont primordiales.

Conclusion

Les pièces avec des arêtes vives et des bavures hors spécifications sont de plus en plus souvent considérées comme des rebuts coûteux. Ceci est très évident dans l'industrie aérospatiale, mais il s'agit d'une tendance croissante dans certaines applications critiques au sein des industries médicales, énergétiques et autres. Les fabricants ont besoin d'une méthode pour ébavurer les composants et profiler les bords des pièces qui soit cohérente, documentable et rentable. Le profilage mécanisé des bords (MEP) répond à ce besoin car il remplace les opérations manuelles qui, quelle que soit leur habileté, peuvent être incohérentes d'une pièce à l'autre et sont coûteuses en termes de main-d'œuvre, de configuration et de frais de manutention des pièces. Certains utilisateurs finaux ont déjà interdit l'ébavurage manuel car il ne peut pas être documenté et certifié.

Le MEP le plus efficace et le plus rentable représente une combinaison de développement d'ingénierie et d'expertise d'application. Les fabricants d'outils qui proposent une telle solution complète contribueront à rationaliser le processus de fabrication aérospatiale (ainsi que des processus similaires dans d'autres industries critiques) et à produire de nouveaux niveaux de qualité et de productivité.

MPE en action

Le profilage mécanisé des bords profite aux fabricants dans une variété d'applications.

Dans une situation, un fabricant produisait une pièce en acier inoxydable 303 dans une machine à deux broches. À mesure que le volume des pièces et la taille des lots augmentaient, le besoin d'augmenter la productivité augmentait également. Les opérations étaient déséquilibrées et chronophages :90 % de l'usinage s'effectuait dans la broche principale et un ébavurage manuel du dessous de la pièce était nécessaire, nécessitant un réglage supplémentaire. Lorsque le fabricant a appliqué un outil MEP en carbure monobloc conçu sur mesure dans la contre-broche de la machine, cela a permis le profilage des deux côtés des trous de boulon de bride de la pièce en même temps. Le temps d'usinage entre les deux broches est devenu plus équilibré et le temps de cycle a considérablement diminué. L'utilisation de l'outil MEP a également éliminé le besoin d'ébavurage manuel ainsi que la configuration et le temps supplémentaires nécessaires.

Un autre cas impliquait un choix entre un traitement de bord chanfreiné (plat) par rapport à un bord arrondi (arrondi). Certaines pièces n'ont pas d'exigences spécifiques selon lesquelles un bord doit être traité par l'un ou l'autre style d'outillage. Un fabricant, cependant, a constaté qu'en appliquant un rayon au lieu du chanfrein, la durée de vie de la pièce était trois fois plus longue qu'une pièce chanfreinée. Une différence apparemment minime dans le choix de l'outillage a considérablement amélioré la qualité de la pièce.

Enfin, une opération de fabrication aérospatiale sur un disque de ventilateur TiAl-4V fournit un exemple d'application d'un outil de contournage MEP. Un fabricant utilisait un outil de forme en carbure maintenu dans un porte-came pour usiner le disque. La finition de surface était médiocre à des endroits aléatoires autour du rayon du disque et de la fente, et le problème était incohérent et variait en gravité et en fréquence. Le fabricant a utilisé une fraise en carbure monobloc revêtue de style sucette à coupe centrale de 10 mm de diamètre et à 10 dents avec une hélice à droite de 30˚. L'outil a éliminé les problèmes de finition de surface et a pu finir les deux côtés du disque en un temps considérablement plus court.

Précédemment présenté sur SecoTools.com.