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Outils de coupe de fraisage: Ceramic Beats Carbides.

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The need for speed beats the heat

Pour les superalliages résistant à la chaleur, la vitesse de coupe des fraises en carbure est d’env. 50m / min. Les fraises en céramique offrent une approche différente, avec des vitesses de coupe pouvant atteindre 1 000 m / min. La gamme d’applications des matériaux pour outils de coupe céramiques comprend les alliages résistant à la chaleur à base de nickel, de cobalt et de fer dans le groupe ISO S. Les alliages typiques sont par exemple les Inconel 718, René 80, Nimonic 80A, Haynes 556, Mar-M-247 et Stellite 31. Ces superalliages résistant à la chaleur (HRSA) sont le choix préféré pour une utilisation dans la partie chaude des moteurs d’avion.

Walter AG, spécialiste des outils de coupe, explique comment l’usinage de superalliages résistant à la chaleur peut être réalisé avec les mêmes vitesses d’avance que l’aluminium. Stefan Benkóczy, responsable de la composante aérospatiale de Walter.

Le volume élevé de commandes dans l’industrie aéronautique exerce une forte pression sur la capacité des constructeurs de moteurs et de leurs fournisseurs. Par conséquent, une réduction des temps d’usinage des composants serait très bénéfique. Pour les superalliages résistant à la chaleur, la vitesse de coupe des fraises en carbure est d’env. 50m / min. Les fraises en céramique offrent une approche différente, avec des vitesses de coupe pouvant atteindre 1 000 m / min. La gamme de produits Walter comprend deux séries de fraises en céramique: la MC275 à géométrie universelle convient à la plupart des applications; la MC075 est conçue comme une fraise à grande avance. Les deux gammes de produits (voir image 1) sont disponibles avec des diamètres de coupe de 8 à 25 mm. Les outils avec un diamètre de 8 à 12 mm sont disponibles en tant que fraises intégrales, tandis que les outils avec un diamètre de 12 à 25 mm sont disponibles en tant que fraises ConeFit. Dans les deux cas, seule la tête de l’outil est en céramique. Cette tête est brasée soit sur une tige en carbure, soit sur un corps de base en carbure ConeFit. En principe, la fraise entière peut être fabriquée en céramique, mais une tige en carbure augmente la résistance et l’amortissement de l’outil. Cela permet d’augmenter les longueurs de projection et les taux d’enlèvement de matière par rapport aux outils en céramique solides.

La gamme d’applications des matériaux pour outils de coupe céramiques comprend les alliages résistant à la chaleur à base de nickel, de cobalt et de fer dans le groupe ISO S. Les alliages typiques sont par exemple les Inconel 718, René 80, Nimonic 80A, Haynes 556, Mar-M-247 et Stellite 31. Ces superalliages résistant à la chaleur (HRSA) sont le choix préféré pour une utilisation dans la partie chaude des moteurs d’avion.

Le matériau de l’outil de coupe en céramique est conçu pour être utilisé dans des applications de fraisage. Les céramiques SiAlON sont plus résistantes aux fluctuations de température que les céramiques renforcées par des moustaches. Cela en fait le choix idéal pour les opérations de fraisage. La coupe interrompue entraîne une variation de la température sur le tranchant et l’utilisation de fluide de refroidissement peut augmenter davantage la différence de température, entraînant un effet de choc thermique. Pour cette raison, Walter recommande l’usinage à sec lors de l’usinage de superalliages à haute température avec des fraises en céramique. Un avantage supplémentaire pour les utilisateurs est l’avantage environnemental et économique qu’ils évitent en évitant l’utilisation de lubrifiants réfrigérants.

Les principales causes d’usure lors du fraisage d’alliages à base de nickel avec des outils en céramique sont l’usure chimique provoquée par la température et les arêtes rapportées. Alors que l’usure chimique ou l’usure par diffusion affaiblit continuellement le matériau de l’outil de coupe, l’usure provoquée par l’accumulation sur le tranchant est imprévisible et se produit par incréments soudains. En raison de la température d’usinage élevée (voir image 2) et de la ténacité élevée des superalliages à haute température, même à des températures élevées (par exemple, Inconel 718; Rm = 880N / mm² à 750 ° C), une accumulation importante de des éclats peuvent se former sur l’outil. Ceux-ci peuvent fondre à la surface du matériau de coupe et provoquer l’écaillage de certaines parties de la céramique lors de leur retrait. Le bord d’accumulation sur l’outil est clairement visible dans l’image 3. Même si la température élevée résultant de l’usinage de HRSA a un impact négatif sur la durée de vie de l’outil, elle est nécessaire. C’est le seul moyen de réduire la dureté du matériau et de le travailler efficacement.

Les données de coupe sont prédéterminées par le matériau de l’outil de coupe et le matériau à usiner. Le matériau de l’outil de coupe, fragile mais résistant à la chaleur, peut être utilisé à des températures élevées, mais sa faible résistance au choc exige des vitesses d’alimentation faibles par dent de 0,02 à 0,05 mm et un faible engagement de l’outil de ap = 5% de Dc pour les opérations de rainurage complet et ae = 5% de Dc pour le fraisage de contours avec une longueur maximale du tranchant. La seule exception à cette règle est le MC075 avec une géométrie à avance élevée où fz = 0,15 mm pour ap ≤ apf. La vitesse de coupe pour les deux gammes de produits est comprise entre 400 et 1000 m / min.

Les résultats obtenus avec les fraises à arêtes en carbure et les fraises à arêtes en céramique sont on ne peut plus différents. Les photos d’usure de l’image 3 montrent pourquoi les fraises en céramique ne sont utilisées que pour l’ébauche. Les signes d’usure, tels que l’écaillement sur le tranchant et les marques d’usure supérieures à 0,5 mm, qui indiquent une fin de vie utile des fraises en carbure, ne sont pas une raison pour ne plus utiliser un outil de coupe en céramique. Les différences entre les types de matériaux des outils de coupe sont également mises en évidence en comparant les paramètres de coupe.

Une comparaison entre des fraises de coupe de diamètre 10 mm utilisées pour le rainurage complet d’Inconel 718 est utilisée à titre d’exemple (voir tableau dans l’image 7): le débit nettement plus élevé fourni par la céramique constitue un avantage imbattable, malgré la profondeur de coupe plus grande fourni par carbure. Dans ce cas, le taux d’enlèvement de métal avec un tranchant en céramique est supérieur de 56%. De plus, le volume total de métal enlevé à l’aide de la fraise en céramique est 180% plus élevé que celui de la fraise en carbure. Les taux d’enlèvement de métal et le volume total de métal enlevé par durée de vie de l’outil sont les paramètres pour lesquels la céramique offre des avantages évidents par rapport au carbure. Le temps d’usinage plus court permet d’usiner de plus grandes tailles de lots en utilisant les mêmes machines; la possibilité pour les utilisateurs de configurer leurs machines existantes leur permet de se débrouiller avec moins de centres d’usinage. Le volume total d’usinage élevé réduit les coûts d’outillage.

Un exemple classique de composant fabriqué à partir d’un alliage à base de nickel est un blisk de moteurs d’avion. Ce composant intégré rotatif est un disque avec un grand nombre de pales. Les espaces entre les lames peuvent être fraisés à l’aide de fraises en carbure selon un processus d’ébauche. Le temps d’usinage est d’environ 30 minutes. La fraise céramique MC075 à géométrie à avance élevée peut découper les mêmes espaces en 10 minutes. Pour cette application, il atteint des vitesses d’alimentation de 9 500 mm / min dans un alliage à base de nickel résistant à la chaleur avec une dureté de 44 HRC et une résistance à la traction de 1400 N / mm². Des valeurs de taux d’alimentation telles que celles-ci sont généralement attendues pour l’usinage de l’aluminium, plutôt que pour les alliages à base de nickel.

Bien que les outils en céramique offrent d’excellentes possibilités d’usinage, il convient néanmoins de se demander si les températures élevées d’usinage atteintes par les fraises en céramique risquent d’endommager le matériau. Étant donné que les outils en céramique ne sont utilisés que pour les opérations d’ébauche, la seule chose à garantir est que la profondeur de l’endommagement du matériau soit inférieure à celle de l’offset pour la finition. En collaboration avec Fraunhofer IPT à Aix-la-Chapelle, en Allemagne, la profondeur et l’étendue de la trempe ont été mesurées – pour les fraises pour céramique présentant différents niveaux d’usure, lors d’une opération de rainurage complète dans Inconel 718. La mesure de la dureté a été effectuée après utilisé pour fraiser 13 ou 14 rainures avec une usure moyenne, ou 23 rainures avec une usure très élevée, dans chaque cas.

Les points de mesure de la fente ont été sélectionnés comme indiqué (voir Image 4) afin de déterminer et d’évaluer la charge thermique maximale. La dureté de base du matériau est de 446 HV. Résultat: un durcissement allant jusqu’à 640 HV a été détecté à une profondeur de 100 µm. Aucun durcissement n’a pu être détecté à des profondeurs supérieures à 200 µm, quelles que soient l’usure de l’outil ou la direction de la mesure. Le décalage d’ébauche étant généralement compris entre trois et cinq dixièmes de millimètres, il est donc peu probable que l’ébauche utilisant des outils en céramique entraîne des dommages après le processus de finition.

Source : The need for speed beats the heat

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