Usinage avancé du titane et alliages HRSA : Optimiser l'usinabilité, fluides de coupe et outillage

Des métaux comme les superalliages résistants à la chaleur et le titane peuvent être vraiment difficiles, mais avec la bonne approche et les conseils en usinage, maintien de pièce et sélection de plaquettes, les opérateurs machine peuvent surmonter les zones problématiques.

Des implants articulaires dans le corps humain aux grosses pièces pour installations marines dans l'industrie pétrolière aux turbines de moteurs en aérospatiale, les superalliages résistants à la chaleur et autres alliages sont utilisés régulièrement dans les grands segments de fabrication. Mais ils peuvent être ardus à usiner.

Si l'objectif est de faire des pièces à la plus haute qualité en un minimum de temps, alors comprendre quel outillage utiliser est essentiel. Personne ne veut user ses outils ou causer des retards de production à cause de métaux super denses et durs qui font monter le régime de la machine mais coupent super lentement ou imprécisément. Comprendre les capacités d'une machine est essentiel aussi — ainsi que connaître les outils qui fonctionneront le mieux pour les matériaux durs.

« L'application principale des HRSA est les composants de turbine à zone chaude pour l'aéronautique et la production d'énergie — pièces comme aubes, blisks, supports, soupapes et collecteurs, dont la plupart sont complexes et profilées », écrit Ed Sinkora pour Advanced Manufacturing dans l'article « Hot Techniques for Cutting High-Temperature Alloys. »

« Cela signifie utiliser du fraisage 5 axes pour atteindre les formes et tolérances requises en un seul serrage. Et pour les petites pièces, des outils ronds en carbure massif sont nécessaires, nécessitant des porte-outils particulièrement rigides », explique Sinkora.

De nombreuses industries sont sous pression de fabrication. Le temps pour obtenir des pièces de qualité compte vraiment, surtout sur des marchés très concurrentiels.

« L'accent principal est mis sur la fiabilité du processus car ces composants structurels sont extrêmement coûteux », note Walter Tools dans un article sur le fraisage de poche de titane en aérospatiale. « En même temps, la pression des coûts du marché exige une performance d'usinage et de productivité élevée. »

Pour atteindre ce niveau confortable de « fiabilité du processus », il y a beaucoup de savoir-faire avec l'utilisation des bonnes machines, maintien de pièce, outillage, trajectoires d'outils et fluide de coupe — tous ensemble — trouvent les professionnels de l'usinage et de l'outillage. Nous explorons les meilleurs conseils d'outillage et d'usinage pour le titane, les HRSA et les alliages.

Connaître l'indice d'usinabilité du métal

Si on coupe du titane, de l'acier inoxydable ou des HRSA, il est probable que beaucoup de pièces fabriquées contiendront du nickel ou du chrome — et parfois du cobalt. Les alliages de nickel courants incluent Inconel, Waspaloy, Hastelloy, aciers inoxydables dont 304, 316 et 17-4, et autres.

« [Le nickel est] dur, résistant à la corrosion et présente d'excellentes propriétés de résistance et d'impact », note Kip Hanson, consultant en fabrication, dans l'article « 5 Metal-Cutting Tips for Nickel-Based High-Temp Alloys. »

« Donné un outil affûté et les bons paramètres de coupe, le nickel pur n'est pas terriblement difficile à tourner ou fraiser, bien que des alliages de nickel comme Ni-Span-C 902 et Monel K-500 portent des indices d'usinabilité de 15 % ou moins », explique Hanson.

Et l'usinabilité est tout l'enjeu. Heureusement, beaucoup de machines et outils de coupe d'aujourd'hui peuvent gérer la plupart des matériaux — mais le défi est de connaître les bons outils et techniques pour créer un processus d'usinage répétable et rapide. À cette fin, cela aide de comprendre comment un matériau est noté, donc utiliser un tableau d'indices d'usinabilité peut aider.

Mais rien ne peut remplacer l'expérience et la connaissance du terrain : Parlez des problèmes d'usinabilité avec ceux qui le font aujourd'hui. Rejoignez le forum métallurgie [inscription requise].

Dans de nombreux cas, cela aide aussi d'utiliser les guides techniques fournis par les fournisseurs d'outillage, comme celui-ci de Sandvik Coromant :

« Guide d'application : Superalliages résistants à la chaleur »

Dans ce guide, Sandvik Coromant dit ceci sur les HRSA : « Les propriétés physiques et le comportement d'usinage de chaque [groupe d'alliage] varient considérablement, en raison à la fois de la nature chimique de l'alliage et du traitement métallurgique précis qu'il reçoit pendant la fabrication. Que le métal soit recuit ou vieilli est particulièrement influent sur les propriétés d'usinage subséquentes. »

Voici un exemple vidéo de coupe du difficile Monel K-500 avec un outil amélioré conçu pour lui.

Voici un autre exemple de coupe d'Inconel 718.

Voulez-vous en savoir plus sur la composition des matériaux que vous utilisez ? Lisez « Guide de sélection d'outils de coupe : Métaux ferreux vs non ferreux.»

Surveiller la chaleur, utiliser les fluides de coupe métallurgie

La chaleur générée dans une machine CNC sur la surface du matériau aux vitesses et avances nécessaires pour faire des coupes précises, fiables avec les copeaux appropriés est difficile à sous-estimer. Cela peut être un vrai défi pour les plaquettes et outils.

« Une mauvaise conductivité thermique et une dureté élevée génèrent des températures élevées pendant l'usinage », note Sandvik Coromant dans l'article « Selecting the Right Turning Insert for HRSA Materials. » « La résistance élevée, l'écrouissage et les propriétés d'adhérence créent une usure en encoche à la profondeur de passe maximale et un environnement extrêmement abrasif pour l'arête de coupe. »

Comment un tourneur doit-il se protéger ? Pour de nombreuses applications, utiliser des plaquettes de coupe à base de carbure qui gardent l'arête dure et adhérente au substrat et aident à éviter la déformation.

« En général, utilisez des plaquettes avec un grand angle d'entrée (plaquettes rondes) et sélectionnez une géométrie de plaquette positive. En tournage et fraisage, des grades céramiques peuvent être utilisés, selon l'application », explique Sandvik Coromant.

Et n'oubliez pas le rôle des revêtements et du fluide de coupe, conseille Scott Etling, directeur de la gestion de produits chez Kennametal, dans l'article « The Heat Is On Difficult-to-Machine Metals. »

« Il faut avoir le bon revêtement PVD, un substrat dur, la bonne géométrie, la bonne préparation d'arête, et des géométries à fort cisaillement », dit Etling. « La chaleur ne part pas dans le copeau comme dans l'acier. La chaleur doit aller quelque part, donc pour la plupart des applications titane, il faut utiliser une énorme quantité de fluide de coupe. »

Pour plus sur le fluide de coupe et les HRSA, lisez le guide d'application de Sandvik Coromant. Le fabricant d'outillage suggère ce qui suit :

« Le fluide de coupe doit être appliqué dans toutes les opérations sauf le fraisage avec céramiques. Le volume doit être élevé et bien dirigé. Le fluide de coupe haute pression HPC (jusqu'à 80 bars / 1160 psi) montre des résultats positifs en termes de durée de vie d'outil et de constance. »

Maintenir la pièce rigide

« L'usinage des HRSA nécessite une machine très stable, un maintien de pièce rigide et une interface très rigide entre broche et porte-outil », note Sinkora.

Il y a bien plus à savoir que simplement le matériau et l'outil de coupe. Il y a aussi les éléments nécessaires qui aident à maintenir une pièce en place et à une résistance équilibrée qui peut supporter les régimes très élevés et les débits que les machines et outils de coupe innovants d'aujourd'hui peuvent gérer.

« L'usinage du titane et d'autres superalliages résistants à la chaleur génère des forces de coupe élevées non seulement dans la direction radiale, mais aussi dans la direction axiale, ce qui peut entraîner l'arrachement de l'outil », dit Hanson dans l'article « Lessons in High-Performance Machining: Don't Forget the Tool Holders. » « C'est encore plus important d'utiliser le bon type de porte-outils pour prévenir la défaillance d'outil et la mise au rebut de pièces. Ce n'est peut-être pas beaucoup — peut-être juste quelques millièmes de pouce à la fois, mais il y a de bonnes chances que ce soit suffisant pour mettre au rebut des pièces très chères. »

Si on utilise des porte-outils à vis latérale, il est peut-être temps d'apporter quelque chose de nouveau et d'amélioré. De nombreux vendeurs licencient la technologie Safe-Lock brevetée de Haimer. Mais ce n'est pas seulement pour augmenter la durée de vie de l'outil en réduisant l'arrachement. C'est aussi pour réduire le chatter et les harmoniques — et ne pas endommager la broche de la machine — donc les mandrins hydrauliques dans la fabrication de pièces HRSA méritent d'être évalués, tout comme s'assurer que la CNC a HSK, Capto, KM4X ou autre technologie.

« Quand vous faites tourner des machines-outils aussi vite, généralement au-dessus de 12 000 tr/min, il est recommandé d'équilibrer toujours le système complet (porte-outil avec l'outil de coupe) », dit Ronald West, responsable produit global senior chez Kennametal dans l'article sur les porte-outils. « Cela augmente juste la durée de vie de l'outil et diminine l'usure de la broche … C'est un peu plus difficile avec un mandrin à pince ou un adaptateur queue cylindrique de maintenir l'équilibre en raison de leur conception et du matériel requis, mais généralement les mandrins hydrauliques et adaptateurs à retrait par chaleur sont beaucoup plus faciles à équilibrer finement pour les applications à haute vitesse. »

Pour ébaucher les HRSA, essayez les outils céramiques ; gardez les trajectoires d'outils longues

« Les matériaux de coupe céramiques offrent une excellente productivité dans les opérations d'ébauche en FSM et ISM. Leur application diffère grandement par rapport au carbure … » note Sandvik Coromant dans son guide d'application pour travailler avec les HRSA. La raison en est que les céramiques permettent des vitesses de coupe élevées qui aident à produire un « copeau hautement plastifié et cisailé. »

La clé pour ébaucher les HRSA est dans les vitesses et avances pour atteindre la bonne température, selon les experts. Des vitesses de plus de 900 m/min (3 000 pieds/min) sont recommandées.

« [L]a première étape est de régler la bonne vitesse pour élever la température dans la zone de coupe pour créer un certain degré de plastification du matériau, le rendant plus facile à usiner », dit Jan Andersson, responsable global chez Greenleaf Corp. « Sinon, vous luttez avec une durée de vie d'outil imprévisible. Après avoir déterminé la vitesse appropriée, vous utilisez l'avance pour gérer l'évacuation thermique. Plus l'avance est élevée, plus la masse dans le copeau. Plus la masse dans le copeau, plus vous évacuez la chaleur de la zone de coupe. Cela contrôle le composant d'usure chimique. »

Un autre point clé : Les trajectoires d'outils doivent rester le plus longtemps possible dans la coupe pour garder vos outils en vie et utiles le plus longtemps possible. Cela signifie employer une programmation appropriée dans votre FAO pour forcer un rayon dans chaque trajectoire d'outil.

« La technique de programmation clé qu'on cherche pour l'Inconel et autres superalliages est de garder l'outil dans la coupe aussi longtemps que possible », dit Dale Mickelson, responsable produit chez Methods Machine Tools dans un article Advanced Manufacturing. « Parce que chaque fois que vous entrez et sortez de la coupe, vous perdez de la durée de vie d'outil. Donc on crée des routines de poche qui descendent dans la pièce hélicoïdalement. Si vous avez une surface plane, vous descendez jusqu'à ce plan hélicoïdalement et puis finissez la surface plane. »

Voici un exemple vidéo de fraisage céramique coupant une pale de turbine.

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