Les alliages de titane et les alliages d’aluminium se ressemblent sur les points suivants : Les deux types de métaux sont utilisés pour fabriquer des composants structurels d’aéronefs, et dans les deux cas, le composant pourrait nécessiter le fraisage de 90 % du matériau avant que la pièce ne soit terminée.
De nombreux ateliers souhaiteraient probablement que les métaux aient plus en commun que cela. Les fournisseurs de l’industrie aéronautique qui sont à l’aise dans l’usinage de l’aluminium se retrouvent à usiner beaucoup plus de titane, car les nouvelles conceptions d’avions font un usage accru de ce dernier métal.
John Palmer, directeur du segment aérospatial mondial pour le fabricant d’outils de coupe Stellram, dit que beaucoup de ces ateliers ont en fait plus de capacité d’usinage du titane qu’ils ne le réalisent. De nombreuses techniques précieuses pour usiner efficacement le titane ne sont pas difficiles à employer, mais peu d’ateliers utilisent toutes les techniques disponibles pour fraiser ce métal de manière productive. Il consulte les fabricants sur les méthodes permettant d’améliorer les performances de fraisage dans divers alliages aérospatiaux, y compris les alliages de titane. Il dit que le titane ne doit pas être difficile – c’est juste que l’ensemble du processus d’usinage doit être pris en compte, car un seul élément pourrait entraver l’efficacité du processus global.
La stabilité est essentielle, dit-il. Lorsque l’outil touche la pièce, il ferme un cercle. L’outil, le porte-outil, la broche, la colonne, les voies, la table, les fixations et la pièce font tous partie de ce cercle, et de la stabilité nécessaire. D’autres considérations importantes incluent la pression et le volume du liquide de refroidissement, ainsi que la méthode d’alimentation en liquide de refroidissement, plus la méthodologie et l’application – l’objet de cet article. Pour réaliser davantage le potentiel de ces processus qui ont le potentiel d’usiner le titane de manière productive, M. Palmer partage souvent des conseils incluant tous les conseils suivants :
- Maintenir un engagement radial faible
- Augmenter la quantité de cannelures
- Faire un copeau épais à mince
- Arc In
- Fin sur un chanfrein
- S’appuyer sur le relief secondaire
- Alter la profondeur axiale
- Limiter la profondeur axiale autour des éléments minces
- Choisissez un outil beaucoup plus petit que la poche
- S’inspirer de l’acier à outils
- Contenu connexe
- Là où le fraisage à sec prend tout son sens
- Conseils pour le taraudage des alliages de titane
- Méthodes non traditionnelles pour réaliser de petits trous
Maintenir un engagement radial faible
L’un des défis cruciaux du titane est la dissipation de la chaleur. Dans ce métal, relativement peu de la chaleur générée pendant l’opération d’usinage est éjectée avec le copeau. Par rapport à l’usinage d’autres métaux, un pourcentage plus important de la chaleur dans un processus d’usinage du titane va plutôt dans l’outil. En raison de cet effet, le choix de l’engagement radial dicte le choix de la vitesse de surface dans ce métal.
Le graphique de la figure 1 le montre. Un rainurage complet – c’est-à-dire un engagement à 180 degrés – exige une vitesse de surface relativement faible. Mais la réduction de l’engagement radial réduit le temps pendant lequel l’arête de coupe génère de la chaleur, et laisse plus de temps à l’arête de coupe pour refroidir avant de pénétrer dans le matériau lors de la rotation suivante. Ainsi, lorsque l’engagement radial est réduit, la vitesse de surface peut être augmentée tout en maintenant la température au point de coupe. Pour la finition, un procédé de fraisage consistant en un très petit arc de contact avec une arête de coupe affûtée et aiguisée et une vitesse de surface élevée et une avance minimale par dent peut réaliser des résultats exceptionnels.
Augmenter la quantité de cannelures
Les fraises en bout couramment utilisées ont quatre ou six cannelures. Dans le titane, cela pourrait être trop peu. Le nombre plus efficace de cannelures pourrait être de dix ou plus (voir la figure 2).
L’augmentation du nombre de cannelures compense la nécessité d’une faible avance par dent. L’espacement étroit des cannelures d’un outil à 10 cannelures est trop serré pour le dégagement des copeaux dans de nombreuses applications. Cependant, le fraisage productif du titane favorise déjà une faible profondeur radiale (voir conseil n° 1). Le petit copeau qui en résulte laisse la liberté d’utiliser une fraise en bout à nombre de goujures élevé pour augmenter la productivité.
Faire un copeau épais à mince
« Fraiser en montant » est le terme familier pour cette idée. C’est-à-dire qu’il ne faut pas faire avancer la fraise de manière à ce que l’arête se déplace dans le matériau dans la même direction que l’outil. Connue sous le nom de « fraisage conventionnel », cette approche de l’usinage fait que le copeau commence par être fin et devient plus épais. Lorsque l’outil frappe le matériau, les forces de friction créent de la chaleur avant que le matériau ne commence à se détacher du métal de base. Un copeau mince est incapable d’absorber et d’éjecter cette chaleur générée, qui va plutôt dans l’outil de coupe. Ensuite, au point de sortie où le copeau est épais, l’augmentation de la pression de coupe rend l’adhésion du copeau dangereuse.
Le fraisage en escalade – ou la formation de copeaux épais à fins – commence par l’entrée de l’arête de coupe dans le matériau excédentaire et sa sortie sur la surface finie (voir figure 3). Sur le fraisage latéral, l’outil essaie de « grimper sur » le matériau, créant un copeau épais à l’entrée pour une absorption maximale de la chaleur et un copeau mince à la sortie pour éviter l’adhésion des copeaux.
Le fraisage de surface par contournement exige un examen attentif de la trajectoire de l’outil pour s’assurer que l’outil continue à entrer sur le matériau excédentaire et à sortir sur la surface finie de cette manière. Atteindre cet objectif au cours de passes complexes n’est pas toujours aussi simple que de simplement garder le matériau à droite.
Arc In
Dans le titane et d’autres métaux, la durée de vie de l’outil est perdue dans les moments de changement brusque de la force. Le pire de ces moments se produit souvent lorsque l’outil pénètre dans le matériau. L’alimentation directe dans le matériau (comme le ferait presque tout parcours d’outil standard) produit un effet similaire à celui de frapper l’arête de coupe avec un marteau.
Glissez plutôt en douceur. Pour ce faire, créez un parcours d’outil qui décrit un arc dans le matériau au lieu d’y entrer en ligne droite (voir la figure 4). Dans le cas d’un fraisage d’épaisseur à épaisseur, l’arc d’entrée du parcours d’outil doit suivre le même sens (sens horaire ou antihoraire) que la rotation de l’outil. La trajectoire d’entrée en arc de cercle permet une augmentation progressive de la force de coupe, ce qui évite les arrachements ou l’instabilité de l’outil. La production de chaleur et la création de copeaux augmentent également progressivement jusqu’à ce que l’outil soit complètement engagé dans la coupe.
Fin sur un chanfrein
Des changements brutaux de la force peuvent également se produire à la sortie de l’outil. Aussi utile que soit la coupe d’épaisseur à épaisseur (conseil n°3), le problème de cette méthode est que la formation d’épaisseur à épaisseur s’arrête soudainement lorsque l’outil atteint la fin de la passe et commence à dégager le métal. Ce changement brutal produit un changement tout aussi brutal de la force, ce qui choque l’outil et peut endommager la surface de la pièce. Pour éviter que la transition ne soit aussi soudaine, prenez la précaution de fraiser d’abord un chanfrein à 45 degrés à la fin de la passe afin que l’outil voie une diminution progressive de sa profondeur de coupe radiale (voir figure 5).
S’appuyer sur le relief secondaire
Une arête de coupe affûtée minimise les forces de coupe dans le titane, mais l’arête de coupe doit également être suffisamment solide pour résister à la pression de coupe. Une conception d’outil à relief secondaire, dans laquelle la première zone positive de l’arête de coupe résiste aux forces, après quoi la seconde zone s’efface pour augmenter le jeu, permet d’atteindre ces deux objectifs (voir figure 6). Le relief secondaire est courant dans l’outillage, mais dans le titane en particulier, l’expérimentation d’outils ayant différentes conceptions de relief secondaire pourrait révéler des changements surprenants dans les performances de coupe ou la durée de vie de l’outil.
Alter la profondeur axiale
A la profondeur de coupe, l’oxydation et la réaction chimique peuvent affecter l’outil. Des dommages précoces peuvent se produire à ce seul endroit si l’outil est utilisé de manière répétée à la même profondeur. Lors de coupes axiales successives, cette zone endommagée de l’outil peut provoquer un écrouissage, ainsi que des lignes sur la pièce qui sont inacceptables pour les composants aérospatiaux, ce qui signifie que cet effet sur la surface peut nécessiter un changement d’outil précoce. Pour éviter cela, protégez l’outil en modifiant la profondeur de coupe axiale à chaque passe, en répartissant la zone à problème en différents points de la goujure (voir figure 7). En tournage, un résultat similaire peut être obtenu en effectuant un tournage conique lors de la première passe et un tournage parallèle lors de la passe suivante, ce qui permet d’éviter l’entaillage de la profondeur de coupe.
Limiter la profondeur axiale autour des éléments minces
Le rapport 8:1 est utile à retenir lors du fraisage de parois minces et d’éléments non soutenus dans le titane. Pour éviter la déflexion des parois de poche, fraisez ces parois par étapes axiales successives au lieu de fraiser sur toute la profondeur de la paroi en un seul passage d’une fraise en bout. Plus précisément, la profondeur axiale de coupe à chaque étape descendante ne doit pas être supérieure à 8 fois l’épaisseur de la paroi qui restera après ces passages de fraisage (voir Figure 8). Si le mur a une épaisseur de 0,1 pouce, par exemple, la profondeur axiale de coupe pour une passe de fraisage adjacente ne doit pas dépasser 0,8 pouce.
Malgré la limite de profondeur, il est possible de travailler cette règle de manière à ce que le fraisage productif soit toujours possible. Pour ce faire, usinez des parois minces de sorte qu’une enveloppe de matière brute reste autour de la paroi, ce qui rend l’élément 3 ou 4 fois plus épais que l’élément final. Si la paroi est maintenue à 0,3 pouce d’épaisseur, par exemple, la règle 8:1 permet une profondeur axiale de 2,4 pouces. Après ces passes, prenez des profondeurs axiales plus légères pour usiner les murs épais jusqu’à leur dimension finale.
Choisissez un outil beaucoup plus petit que la poche
En raison de la mesure dans laquelle l’outil absorbe la chaleur dans le titane, l’outil a besoin d’un jeu pour permettre le refroidissement. Lors du fraisage d’une petite poche, le diamètre de l’outil ne doit pas dépasser 70 % du diamètre (ou d’une dimension comparable) de la poche (voir figure 9). Un jeu inférieur à cela risque essentiellement d’isoler l’outil du liquide de refroidissement, ainsi que de piéger les copeaux qui pourraient autrement transporter au moins une partie de la chaleur.
La règle des 70 pour cent peut également être appliquée à un outil qui fraise sur le dessus d’une surface. Dans ce cas, la largeur de la caractéristique doit être de 70 pour cent du diamètre de l’outil. L’outil est décalé de 10 pour cent pour favoriser la création de copeaux épais à fins.
S’inspirer de l’acier à outils
Les fraises à hauteLes fraises à avance élevée, un concept d’outil développé pour l’usinage des aciers à outils dans l’industrie des matrices/moules, ont été adaptées ces dernières années à l’usinage du titane. Une fraise à avance élevée nécessite une légère profondeur axiale de coupe, mais lorsqu’elle est utilisée à cette légère profondeur, l’outil permet des vitesses d’avance supérieures à celles des fraises de conception plus conventionnelle.
La raison en est l’amincissement des copeaux. La clé d’une fraise à forte avance est une plaquette dont l’arête de coupe présente une courbe à grand rayon (voir figure 10). Ce rayon répartit la formation du copeau sur une grande surface de contact sur l’arête. En raison de l’amincissement qui en résulte, une profondeur de coupe axiale de 0,040 pouce peut produire une épaisseur de copeau de seulement 0,008 pouce environ. Dans le titane, ce copeau mince permet de surmonter la faible avance par dent généralement requise dans ce métal. L’amincissement du copeau ouvre la voie à une avance programmée plus élevée que celle qui serait autrement possible.
Contenu connexe
-
Là où le fraisage à sec prend tout son sens
Le liquide de refroidissement offre des avantages sans rapport avec la température. L’air forcé est le fluide de choix dans cet atelier… mais même ainsi, le liquide de refroidissement conventionnel ne peut être éliminé entièrement.
-
Conseils pour le taraudage des alliages de titane
La création de trous filetés dans les alliages de titane nécessite des techniques appropriées basées sur une compréhension à la fois des propriétés de ces matériaux et des particularités du processus de taraudage.
-
Méthodes non traditionnelles pour réaliser de petits trous
Pensez à ces alternatives lorsque le perçage conventionnel ne peut pas faire le travail.