Top 5 techniques de coupe pour les alliages haute température à base de nickel

Le nickel et ses cousins alliages sont durs à couper, mais la résistance à la corrosion et la force du nickel le rendent idéal pour tant d'applications, y compris dans l'aérospatiale et d'autres industries manufacturières clés. Obtenez des conseils clairs et concis sur la façon de travailler avec ce matériau vital — et comment tirer le meilleur parti de vos outils de coupe.

En tant que numéro 28 du tableau périodique, le nickel a été isolé pour la première fois en 1751. Son nom vient de la croyance des mineurs allemands que le métal brun-rouge, connu alors sous le nom de « kupfernickel » (qui se traduit par « cuivre du diable ») les rendait malades. En réalité, leur maladie était causée par la grande quantité d'arsenic contenue dans le minerai qu'ils extrayaient des mines de cobalt de Suède.

Le nickel est un métal extrêmement important. Avec le chrome, c'est l'un des éléments d'alliage les plus essentiels de tous, utilisé dans une grande variété d'aciers, d'aciers inoxydables et de superalliages. Il est dur, résistant à la corrosion et présente d'excellentes propriétés de résistance et d'impact. Les types courants d'alliages de nickel incluent Inconel, Hastelloy, Waspaloy, aciers inoxydables dont 304, 316 et 17-4 — et d'autres. Donné un outil affûté et les bons paramètres de coupe, le nickel pur n'est pas terriblement difficile à tourner ou fraiser, bien que les alliages de nickel comme Ni-Span-C 902 et Monel K-500 portent des indices d'usinabilité de 15 % ou moins. Voici quelques choses que vous devriez savoir si vous travaillez actuellement avec, ou êtes sur le point de travailler avec, ce matériau difficile.

1. Gardez vos outils de coupe pour alliages de nickel revêtus et affûtés

Le nickel et ses divers alliages ont tendance à s'écrouir pendant l'usinage. Il y a plusieurs façons de combattre cela. Premièrement, l'outil de coupe devrait avoir un angle de dépouille positif et un tranchant vif. Parce qu'il est moins fragile que le carbure, l'acier rapide pourrait bien fonctionner, bien que les vitesses de coupe dans ce cas doivent être maintenues assez basses, typiquement à 30 m/min (100 pieds/min) ou moins comme point de départ.

Selon l'alliage, un carbure PVD revêtu de grade premium et robuste fournira généralement la meilleure durée de vie d'outil et productivité, bien que certains fournisseurs d'outils de coupe suggèrent la céramique ou le cermet comme alternative — soyez ouvert à leurs recommandations. Le CBN peut être utilisé sur le 17-4 PH durci et les alliages traités thermiquement similaires. Utilisez un insert rond ou un avec un angle d'attaque positif partout où c'est possible pour minimiser l'encoche. Les fraises à hélice variable et goujures variables aident à briser les harmoniques qui mènent aux vibrations. Si vous utilisez de l'HSS, les forets devraient avoir un tranchant de ciseau vif et une pointe fendue à 135 degrés. Gardez les outils affûtés et remplacez-les plus tôt que tard avant que le désastre ne frappe.

2. Restez rigide dans votre coupe d'alliages de nickel

Rendre les configurations aussi rigides que possible est un bon conseil pour toute application d'usinage, mais surtout pour les métaux super-résistants comme le nickel et les alliages à base de nickel. Pour les opérations de fraisage, un porte-outil à retrait thermique est souvent le premier choix, avec les mandrins de fraisage hydrauliques ou mécaniques arrivant en deuxième proche. Laissez les porte-outils à verrouillage latéral dans le magasin d'outils. De même, le serrage de pièce hydraulique devrait être utilisé chaque fois que possible, même si cela signifie investir dans de nouveaux étaux et mandrins. Les porte-à-faux doivent être maintenus au minimum pour éviter la déflexion d'outil et les vibrations qui l'accompagnent. Ce pourrait être un bon moment pour étudier les outils d'alésage anti-vibrations, et si votre machine-outil en est équipée, assurez-vous de comprendre et d'activer ses fonctions anti-vibrations.

Voulez-vous en savoir plus sur les métaux haute température utilisés dans les industries aéronautiques ? Lisez « 4 matériaux aérospatiaux qui décollent. »

3. Pour aider la durée de vie de l'outil, soyez agressif avec les avances et vitesses

Des problèmes avec la durée de vie de l'outil ? Votre premier instinct pourrait être de réduire l'avance et de ralentir la broche. Mauvaise idée. Tous les fabricants d'outils de coupe fournissent des vitesses de coupe recommandées, des profondeurs de passe et des plages de taux d'avance. Quand des ennuis surviennent, c'est souvent une bonne idée de viser le haut de ces paramètres et de couper plus agressivement, pas moins. Cela dépend cependant d'abord des points mentionnés — une configuration rigide — ainsi que de l'utilisation du bon grade d'outil de coupe. Avant tout, apprenez à identifier les modes de défaillance — l'encoche à la ligne de profondeur de passe et le bord rapporté (BUE) sont courants avec les matériaux à base de nickel, les deux menant à une défaillance catastrophique de l'outil si pas traités en temps voulu.

4. Prenez la bonne trajectoire d'outil

Les stratégies de programmation appropriées sont primordiales. Les trajectoires trochoïdales fournissent des charges de copeau cohérentes et préviennent le choc à l'outil de coupe et à la pièce. Parce que les alliages à base de nickel sont durs, les pas de coupe (stepovers) devraient être bien en dessous du rayon de l'outil de fraisage et les taux d'avance relativement élevés. Inversement, la profondeur de passe minimum pour le tournage ne devrait pas être inférieure au rayon de nez de l'outil, et de préférence plusieurs fois cela si possible. Les techniques de fraisage à haute avance utilisant des géométries d'outils de coupe de style bouton dirigent les forces vers le haut dans la broche, minimisant la déflexion. L'entrée et la sortie en rampe sont efficaces sur les tours CNC et centres d'usinage. Évitez de séjourner dans les coins.

5. Trouvez la zone « Goldilocks » : Documentez vos paramètres et conditions de coupe

Trouver le point idéal pour usiner les alliages riches en nickel nécessite des essais et erreurs. Vous pouvez éviter les défaillances inattendues en développant un processus prévisible et testé, mais cela à son tour appelle à documenter quels outils, grades, revêtements et paramètres de coupe ont été essayés, et les résultats pour chacun. Faites des petits pas. N'ayez pas peur de pousser au-delà des recommandations du fabricant, mais assurez-vous que le processus est stable avant de quitter la machine. Si vous l'avez, utilisez la fonction de gestion de durée de vie d'outil de votre machine-outil ou magasin d'outils pour surveiller combien de temps un outil a été en coupe — sinon, documentez la durée de vie d'outil à l'ancienne, avec stylo et papier. Si vous pouvez obtenir 15 minutes d'un insert, comptez-vous chanceux. L'usinage du nickel n'est pas le moment pour la connaissance tribale, les secrets du deuxième quart, ou les changements de processus non contrôlés. Documentez.

Quels types de problèmes ou difficultés avez-vous rencontrés en coupant le nickel ou ses alliages ? Partagez votre expérience.