Maîtriser l'usinage médical de précision : 8 techniques essentielles pour le titane, cobalt-chrome et acier inoxydable

Découvrez les techniques préférées pour travailler le titane médical, le cobalt-chrome et les alliages d'acier inoxydable à base de nickel.

Vis de fixation osseuse, plaques de fixation, implants de hanche et de genou — ce ne sont que quelques-unes des pièces médicales difficiles auxquelles certains machinistes font face chaque jour. Non seulement les géométries sont complexes et les tolérances serrées, mais les métaux de ces composants peuvent faire regretter à même le machiniste le plus ambitieux d'avoir accepté les heures supplémentaires.

Malheureusement, les choses ne s'arrangent pas. Les entreprises médicales et leurs partenaires métallurgiques développent continuellement de nouveaux matériaux innovants, y compris le Ti-6Al-4V ELI (interstitiels extra-faibles), Phynox et MP35N, ainsi qu'une multitude d'alliages propriétaires.

La plupart de ces matériaux entrent dans la catégorie des superalliages résistants à la chaleur (HRSA). Traduction : ces métaux sont aussi à l'aise dans une colonne vertébrale que dans un échappement de turbine à gaz rougeoyant.

Les outils de coupe s'usent rapidement, et l'encoche à la ligne de profondeur de passe est courante. Le bord rapporté (BUE) — une boule de métal qui colle au sommet de l'outil, et qui généralement émousse le tranchant quand elle se détache — est aussi un problème fréquent.

Les fabricants d'outils de coupe relèvent le défi médical

La bonne nouvelle, c'est que les fabricants d'outils de coupe suivent le rythme de ces exigences éprouvantes. En développant de nouvelles géométries d'inserts audacieuses, des grades de carbure robustes et des revêtements super-lubrifiants, les machinistes devraient être capables de dompter même les métaux les plus combatifs. Bien sûr, il y a plus à l'usinage HRSA réussi que du bon carbure.

Les machinistes doivent aussi appliquer de bonnes pratiques d'usinage et des trajectoires d'outil correctement programmées. Voici les techniques les plus importantes pour un enlèvement de métal efficace lors du travail avec des alliages de qualité médicale :

1. Restez affûté et utilisez un revêtement PVD pour vos outils.

En règle générale, les outils affûtés, revêtus PVD, fonctionnent le mieux sur toute la gamme des superalliages de qualité médicale. Ne vous contentez pas de grades de carbure ou de revêtements à usage général. Les fournisseurs d'outils de coupe ont développé des grades spécifiques pour chaque matériau médical, et vous devriez en profiter, surtout sur les travaux de longue durée ou récurrents.

Réservez du temps pour quelques essais de coupe sur tout nouveau matériau. Faites venir vos fournisseurs sur site pour vous aider, et suivez leurs conseils. Avant tout, développez un processus prévisible : il est bien mieux de programmer des remplacements d'outils prématurés que d'attendre qu'ils cassent, abîmant la pièce, endommageant la machine-outil ou blessant son opérateur.

2. Soyez agressif avec la vitesse de coupe et le taux d'avance pour réduire le bord rapporté.

Quand les inserts ne durent pas aussi longtemps qu'on le voudrait, beaucoup d'entre nous ont tendance à réduire la vitesse de coupe ou à diminuer le taux d'avance. Cela pourrait être exactement l'opposé de ce qui est nécessaire.

En règle générale, les fournisseurs d'outils de coupe recommandent une approche agressive lorsque les opérations d'usinage ne se passent pas bien. C'est parce que pousser l'outil plus fort améliore souvent la formation du copeau, et des vitesses de broche plus élevées apportent plus de chaleur dans la coupe, réduisant le BUE.

3. Évitez de couper profond avec des tactiques comme le fraisage trochoïdal.

De faibles profondeurs de passe à des avances plus élevées sont généralement plus efficaces que les approches traditionnelles de « gougeage » pour l'enlèvement de métal.

Les trajectoires trochoïdales avec engagement sur toute la longueur (axe Z) sont préférées. Entrez et sortez de la coupe en arc chaque fois que possible. Évitez d'enterrer l'outil dans le coin. Vous saurez qu'il y a un problème car la machine grognera de détresse.

Programmez un rayon légèrement plus grand que celui de l'outil, et revenez avec un outil plus petit pour reprendre les coins. Assurez-vous d'évacuer les copeaux. Si vous entendez le bruit croustillant qui accompagne la recoupe, il est temps de vérifier s'il y a un outil ébréché ou cassé.

4. Restez vrai (et rigide) avec la configuration pour les applications médicales.

Les configurations rigides sont toujours une évidence mais sont doublement importantes avec les matériaux difficiles. Évitez le faux-rond d'outil en abandonnant les porte-outils à collet et à verrouillage latéral au profit de ceux à retrait thermique ou hydrauliques.

Gardez les outils aussi courts que possible, et envisagez de remplacer les étaux et mandrins mécaniques par leurs homologues hydrauliques. Inclinez légèrement les mors de mandrin en arrière, et utilisez des mors d'étau à tranchant pour augmenter la prise. (Même le plus infime mouvement lors du gougeage d'un bloc de cobalt-chrome ou de titane peut faire une mauvaise coupe.)

Rappelez-vous que les porte-outils doivent être remplacés tous les quelques années, et plus souvent en cas d'utilisation intensive.

5. Soyez positif avec votre angle d'attaque.

La plupart des outils revêtus PVD et rectifiés de précision ont des tranchants « up sharp ». C'est bien, mais un angle d'attaque positif sur l'outil est aussi avantageux — comme le côté inutilisé d'un diamant à 80 degrés ou un insert rond si possible. Cela réduira l'encoche de profondeur de passe, mais cela vous oblige souvent à revenir avec un outil capable d'usiner le coin carré. Pourtant, cela peut en valoir la peine, particulièrement lors du tournage de certains superalliages de nickel super-résistants ou de titane « triple 5 ».

6. Restez au frais et entretenez vos fluides de coupe.

C'est un fait triste, mais certains ateliers négligent leurs fluides de coupe. Vous pourriez vous en tirer en usinant de l'aluminium ou de l'acier doux (bien que même alors ce soit déconseillé). Avec des métaux riches en chrome, nickel ou cobalt, un fluide de coupe usé mène à une mauvaise durée de vie d'outil et des résultats imprévisibles.

Chaque machine-outil CNC devrait être équipée d'un écumeur pour éliminer les huiles parasites. Les fluides de coupe devraient être vérifiés régulièrement pour la concentration et le pH appropriés.

Si votre atelier ne possède pas d'aspirateur de cuve, il est temps d'envisager d'en acquérir un. Il réduira non seulement les temps d'arrêt associés au nettoyage de la cuve, mais réduira aussi les coûts de recyclage. Envisagez également un investissement supplémentaire : fluide de coupe haute pression et filtration. Tout fonctionne mieux avec le fluide de coupe haute pression.

7. Regardez les alternatives aux inserts carbure revêtus.

Si vous luttez avec le carbure revêtu, il est peut-être temps d' « aller à nu ». Les inserts non revêtus donnent souvent de meilleurs résultats avec les superalliages, surtout en passes de finition.

Essayez aussi les céramiques. Beaucoup de ces inserts ont des « whiskers » renforcés de carbure de silicium, et offrent des vitesses de coupe 10 fois supérieures au carbure. Faites-les toujours tourner à sec, et n'utilisez jamais de céramique avec du titane, car les deux réagissent chimiquement.

8. Partagez vos meilleures pratiques pour les superalliages.

Gardez de bons dossiers de ce qui fonctionne et de ce qui ne fonctionne pas — et partagez ce que vous savez avec vos pairs. L'usinage médical de précision est un travail important, et les ateliers qui réussissent dans ce domaine peuvent facilement s'attaquer à un travail aérospatial tout aussi difficile.

Avouez : réduisez-vous la pression sur vos outils quand un insert ne dure pas aussi longtemps que vous le voudriez ? Partagez votre expérience.