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Le défi de l’allègement des aéronefs a pour conséquence d’intensifier l’utilisation des matériaux complexes tels que les composites, les titanes et les Inconels. Bien que les matériaux composites soient plus légers, ils sont plus solides que ceux habituellement utilisés. Ils présentent chacun leurs propres contraintes en matière d’usinage, et plus particulièrement pour le fraisage et le perçage.
Pour les opérations de fraisage et de perçage, les constructeurs aéronautiques utilisent souvent des outils en acier à coupe rapide et/ou en carbure monobloc. Lors de ces opérations, les constructeurs doivent atteindre le meilleur niveau de qualité possible, auquel ils parviennent souvent en suivant et en maintenant attentivement la sécurité des process. Les préoccupations sont le coût par pièce, mais dans la plupart des cas, la production de pièces de haute qualité l’emporte sur l’accroissement de la productivité.
Les constructeurs aéronautiques s’efforcent d’assurer la régularité et la sécurité des process grâce à des machines et des outils aux performances prévisibles. Dans le cas des outils, les constructeurs doivent disposer de fraises et de forets dont la durée de vie est pratiquement identique d’un outil à l’autre. Et même lorsqu’ils connaissent avec précision la durée de vie d’un outil, ils programment souvent le changement des outils de leurs machines bien avant qu’ils ne soient complètement usés.
Grâce aux technologies des outils de coupe et des machines, les matériaux tels que les composites, les titanes et les Inconels sont passés du stade où ils étaient presque impossibles à usiner à celui, aujourd’hui, où les constructeurs aéronautiques les usinent sereinement et efficacement. Très perfectionnés, les fraises et forets monoblocs spécialisés constituent une technologie d’outillage offrant une remarquable régularité et un meilleur contrôle des process. Ces outils ont été spécifiquement conçus pour surmonter les difficultés d’usinage que présentent ces matériaux complexes. Grâce à l’incorporation de divers revêtements innovants et à l’utilisation de différentes géométries et préparations d’arêtes en combinaison avec des stratégies et des techniques d’usinage de pointe, ces outils assurent non seulement la sécurité des process, mais accélèrent également la cadence de production et améliorent le rendement.
Composites
Le marché de l’usinage des matériaux en plastique renforcé par fibres de carbone (CFRP) connaît une hausse spectaculaire dans l’industrie aéronautique. Toutefois, ces matériaux sont difficiles à usiner car ils sont très abrasifs. De plus, il convient d’éviter le délaminage, c’est-à-dire un défaut de cohésion entre les plis des fibres de carbone, lors de l’usinage. Ces difficultés peuvent être surmontées à l’aide de fraises carbure monobloc affûtées qui présentent des revêtements de surface spéciaux.
Généralement, les deux types de process de revêtement utilisés sont le dépôt physique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), avec un matériau de coupe sophistiqué, le diamant polycristallin (PCD). Les revêtements PVD impliquent un processus physique et incluent les revêtements en nitrure d’aluminium, en nitrure de chrome et en nitrure de titane avec des duretés de près de 3 000 Vickers. Les revêtements en diamant résultant du processus chimique CVD sont près de trois fois plus durs (de l’ordre de 10 000 Vickers). Les outils en PCD intègrent des plaques de PCD monobloc brasées sur des fraises carbure monobloc.
Du point de vue de la géométrie, les fraises pour les composites intègrent de faibles angles d’hélice pour réduire les forces axiales sur les couches stratifiées du matériau afin d’empêcher le délaminage. En outre, les fraises présentant une hélice à gauche et à droite offrent également des géométries efficaces pour les matériaux composites. Ces modèles de fraises, communément appelées mèches de compression, dirigent et compriment les efforts de coupe vers le centre de l’épaisseur de la pièce à usiner, dans le cas du contournage, afin de préserver l’intégrité des couches stratifiées. De plus, ces types de géométries de fraise contribuent à une coupe bien plus facile des composites.
Bien que les fraises de compression soient couramment utilisées, certains fabricants d’outils de coupe, dont Seco, ont mis au point des fraises de compression dotées de nouvelles géométries, telles qu’une double hélice. Seco a notamment conçu deux fraises à double hélice. L’une est un outil à plusieurs goujures avec des arêtes de coupe lisses. L’autre présente moins de goujures, offrant ainsi plus de dégagement pour les copeaux et des brise-copeaux sur ses arêtes de coupe. Cette dernière convient mieux aux opérations d’ébauche, tandis que le modèle à plusieurs goujures sans brise-copeaux offre des performances idéales pour les opérations de finition.
En ce qui concerne les techniques d’usinage, les paramètres de coupe pour les composites dépendent souvent des différents matériaux eux-mêmes. Les vitesses de coupe classiques des fraises carbure monobloc pour les composites approchent 150 m/min et les vitesses d’avance sont d’environ 0,07 mm. Il convient cependant de souligner que dans cette catégorie de matériaux, il existe un grand nombre de liants, chacun requérant ses propres vitesses d’avance et de coupe. Les points de fusion de ces liants déterminent souvent les vitesses d’avance et de coupe des composites. Par ailleurs, la teneur en fibre et l’orientation des fibres ont une influence décisive sur le processus d’usinage régissant les vitesses de coupe et d’avance, ainsi que la trajectoire optimale de l’outil.
Alliages de titane
Dans l’industrie aéronautique, les alliages de titane sont souvent utilisés dans trois domaines d’application de base : les éléments de structure des aéronefs, les composants des parties froides des réacteurs et les trains d’atterrissage. L’un des titanes couramment utilisés est le 5553, un alliage ß métastable qui sert généralement à la fabrication des pièces de train d’atterrissage. Le TiAl6-4 est un alliage de titane alpha-beta parmi les plus répandus, en particulier dans les éléments de structure.
Les facteurs qui rendent les alliages de titane difficiles à usiner et contribuent à leur faible indice d’usinabilité sont leur conductivité thermique, leur adhésion élevée et leur tendance à l’écrouissage. Les alliages de titane présentent une faible conductivité thermique, ce qui signifie que lors de l’usinage, la chaleur générée par le processus est transférée à la fraise au lieu d’être évacuée de la zone de coupe avec les copeaux.
L’adhésion élevée du titane signifie que les copeaux ont tendance à coller aux outils, des copeaux très longs sont ainsi générés, au lieu de copeaux plus courts et donc plus faciles à extraire. La tendance à l’écrouissage du titane entraîne le durcissement d’une mince couche du matériau sous l’effet de la pression générée pendant l’usinage.
Bien que le titane puisse être usiné à l’aide de fraises carbure monobloc universelles fabriquées pour divers matériaux, les fraises spécifiquement conçues pour les caractéristiques d’usinabilité du titane afficheront presque toujours des résultats supérieurs. Ces fraises spéciales offrent des niveaux de performance extrêmement élevés, mais peuvent être moins polyvalentes quant au nombre de matériaux auxquels elles s’appliquent.
Ainsi, Seco propose une fraise en acier rapide dans son programme conçu pour le titane et les aciers inoxydables. Les fraises de la gamme Jabro® HPM (usinage hautes performances) sont spécifiquement conçues pour certaines natures de matériau comme le titane. Ces fraises intègrent des géométries spéciales et des qualités de conception optimisées pour le titane.
Les géométries et les qualités de conception comprennent : des angles d’hélice élevés entre 40 et 50 degrés ; des canaux de lubrification interne par le centre pour éviter que les copeaux n’adhèrent aux goujures de la fraise et pour évacuer rapidement les copeaux tout en refroidissant la zone de coupe ; des pas de denture différentiels pour réduire les vibrations lors des grandes profondeurs de passe ; ainsi qu’une combinaison de carbure avec un revêtement en nitrure de chrome et d’aluminium. Les fraises ne contiennent pas de nitrure de titane, pour empêcher une réaction chimique entre la fraise et le matériau.
L’utilisation d’un outil en carbure monobloc ou d’un outil en acier rapide dépend de certains facteurs, le facteur principal étant le diamètre de fraise. Il convient d’utiliser les outils en carbure monobloc lorsque les applications nécessitent des fraises de diamètre réduit et lorsque les géométries des pièces à usiner sont extrêmement complexes. Ces outils peuvent également être utilisés pour obtenir de grandes profondeurs de passe (ap).
Les fraises en acier rapide sont recommandées pour les pièces à usiner moins complexes dans les applications de masse et pour obtenir de grandes largeurs de coupe (ae) et de grandes ap. Ces outils peuvent également être envisagés lors de l’utilisation de machines-outils classiques, plus anciennes, dont la puissance et le couple sont élevés.
Inconel
Comme c’est généralement le cas dans la construction aéronautique, les pièces en Inconel ont tendance à être très coûteuses, non seulement en terme de coût du matériau, mais également en temps investi pour les mettre en production avant même qu’elles n’atteignent la phase d’usinage. Des pertes considérables s’ensuivent lorsque les pièces sont mises au rebut après des heures, voire des jours d’usinage.
L’Inconel et le titane présentent certaines similitudes. Toutefois, en termes d’usinabilité, les Inconels (des superalliages à base de nickel) sont les matériaux les plus difficiles à usiner. Ils présentent une conductivité thermique très faible et des niveaux très élevés d’écrouissage, plus élevés même que ceux du titane. L’Inconel pâtit également d’une adhésion élevée, les vitesses de coupe peuvent donc rarement dépasser 25 ou 30 m/min dans le cadre d’une méthode d’usinage classique.
Les géométries des fraises pour l’usinage de l’Inconel diffèrent considérablement de celles utilisées pour le titane. Pour l’Inconel, les géométries sont angulaires, avec des angles très prononcés. Ces géométries réduisent autant que possible le contact entre la fraise et le matériau. C’est essentiel car l’Inconel est flexible et présente une bonne mémoire, ce qui signifie que, soumis aux forces d’un outil de coupe, il va quelque peu « se relâcher ». Par conséquent, plus la durée du contact entre le relief de la fraise et le matériau est longue, plus l’usure abrasive sur l’outil est importante et plus sa durée de vie est courte. Pour réduire encore les frictions entre la fraise et l’Inconel, Seco a intégré un revêtement en nitrure de titane et d’aluminium, qui est poli pour obtenir un état de surface extrêmement lisse et fin.
Quatre stratégies d’usinage pour le titane et l’Inconel
En substance, il existe quatre stratégies d’usinage pour le titane et l’Inconel. La première est l’usinage conventionnel, qui implique un équilibre entre ae et ap de 1x1. Autrement dit, l’usinage est réalisé à pleine largeur de coupe (1*Dc) et à une certaine profondeur de passe jusqu’à 1 fois le diamètre de fraise, à des vitesses d’avance moyennes.
La deuxième stratégie est l’usinage hautes performances (HPM), qui implique des fraises spécifiquement conçues pour le titane et l’Inconel, comme celles de la gamme HPM de Seco. Ces fraises sont utilisées à de grandes ap (jusqu’à 1.5*Dc) et à pleine ae. Des volumes importants de métal sont enlevés en peu de temps pour une productivité accrue.
La troisième stratégie est l’usinage à avance élevée (HFM) qui utilise une infime ap axiale et une pleine ae, la largeur de coupe est donc de 1 * Dc. Les géométries spécifiques des fraises utilisées pour cette stratégie dirigent les efforts de coupe au niveau de la broche de la machine-outil, cette stratégie s’avère donc particulièrement utile dans des conditions d’usinage instables dues à de larges porte-à-faux et des applications complexes telles que les poches avec des profondeurs de 5 * Dc et plus.
La quatrième stratégie est l’usinage à grande vitesse (HSM) qui utilise des profondeurs de passe radiales ae plutôt faibles et de très grandes profondeurs de passe ap. Comme la profondeur de passe radiale est relativement faible, il y a un petit arc de contact qui favorise la réduction de la chaleur dans les zones de coupe en raison de la durée de contact plus courte, ce qui permet d’augmenter les vitesses de coupe pour compenser et gagner en productivité.
Les progrès réalisés à la fois sur les machines-outils et sur les outils de coupe ont rendu possible ces stratégies. Par exemple, les géométries des fraises HPM de Seco présentent des caractéristiques spéciales telles que les pas de denture différentiels et les angles d’hélice incurvés, offrant la stabilité nécessaire pour des stratégies d’usinage haute performance. Dans le cas de l’usinage à avance élevée et à grande vitesse, ces stratégies ont tendance à dépendre davantage des capacités des machines-outils, ainsi que des géométries des outils.
Pour l’essentiel, les machines et les outils de coupe agissent de concert pour répondre aux besoins spécifiques des constructeurs aéronautiques en matière d’usinage des matériaux. Les machines-outils et les fraises adaptées sont requises. Cela s’applique particulièrement à l’usinage à avance élevée et à grande vitesse, qui nécessite non seulement une machine-outil pouvant offrir une vitesse d’avance élevée, mais également des contrôles CNC qui peuvent traiter les programmes et fichiers NC plus volumineux associés aux opérations de fraisage à avance élevée et grande vitesse.
Composites
Pour les applications aéronautiques, les perçages dans les composites doivent être parfaitement nets, sans fibres effilochées ou aux bords irréguliers qui peuvent interférer avec les opérations d’assemblage ultérieures et les compromettre.
Deux difficultés fréquentes du perçage des composites sont le délaminage et les fibres non coupées, en particulier au verso des pièces à usiner ou en sortie de trou. Lors du perçage, l’outil exerce des efforts de poussée sur le matériau et, à l’approche de la sortie de trou, un effort excessif peut conduire le foret à enfoncer la dernière portion du trou, plutôt qu’à la transpercer. En conséquence, les fibres composites sont déchirées et déchiquetées au lieu d’être coupées de façon nette, ce qui entraîne le délaminage du matériau.
Pour surmonter ces difficultés, les fabricants d’outillage s’efforcent de réduire les efforts d’avance des forets contre le matériau par le biais de différents angles de pointe et d’angles d’hélice sur les forets. Il convient de souligner que certaines géométries de foret génèrent des efforts d’avance inférieurs et fonctionnent mieux que d’autres.
Par exemple, un angle de pointe de 140 degrés, le plus courant pour les forets carbure monobloc, sera très efficace sur plusieurs trous lors du perçage des composites. Malheureusement, dès que l’outil s’émousse un tant soit peu, il perd de son efficacité. Sur le foret carbure monobloc revêtu de diamant C1 pour les composites, Seco a conçu une géométrie à deux angles de pointe, un angle de 130 degrés au centre et un angle de 60 degrés sur le chanfrein du foret. En fonctionnement, la pointe de centrage du foret sort du trou en premier, enlevant une partie du matériau du trou. Ainsi, lorsque la portion à 60 degrés sort de l’extrémité du trou, les efforts d’avance du foret dans le matériau sont considérablement réduits. Par conséquent, il y a moins de délaminage et moins de fibres non coupées, voire aucunes.
Outre les forets revêtus de diamant à deux goujures, Seco a mis au point une géométrie de foret unique à embout PCD et 3 goujures pour les composites. Appliquée aux mêmes conditions de coupe que les forets pour composites standard, cette nouvelle géométrie de foret PCD offre de bien meilleurs résultats grâce à ses trois arêtes de coupe contre seulement deux pour les autres forets. Ces forets innovants présentent des arêtes de coupe plus vives et génèrent moins d’efforts d’avance par tour, en particulier en sortie de trou. De plus, avec un embout tout PCD, plutôt que revêtu de diamant, le foret peut offrir une durée de vie jusqu’à quatre fois plus longue dans bien des cas.
Titane
Dans le secteur aérospatial, la plupart des diamètres de trou sont petits. Pour les diamètres inférieurs à 1 mm et jusqu’à 20 mm, les forets carbure monobloc sont largement utilisés pour le perçage du titane et de l’Inconel.
Comme lors du fraisage du titane, la chaleur générée par le processus de perçage a également tendance à se propager dans l’outil au lieu d’être évacuée avec les copeaux. Pour remédier à ce problème, les géométries de foret présentent généralement des arêtes de coupe très vives. En principe, les forets pour le titane n’ont pas de revêtement en raison de la nécessité d’avoir des arêtes de coupe extrêmement vives. Par ailleurs, les revêtements peuvent, dans une certaine mesure, augmenter les frictions, ce qui génère encore un peu plus de chaleur. Autre élément important à prendre en considération : le retrait du matériau après usinage, c’est pourquoi un cône arrière plus grand est requis sur le corps du foret.
Inconel
L’Inconel étant très abrasif et ayant tendance à l’écrouissage, les géométries de foret pour ce matériau sont pratiquement les mêmes que celles pour le titane. Toutefois, des revêtements sont ajoutés pour augmenter la résistance à l’usure et réduire les frictions. Seco utilise notamment des revêtements en nitrure d’aluminium et de titane pour protéger ses forets Inconel et prolonger leur durée de vie.
Lors du perçage de l’Inconel, des avances et des vitesses inférieures sont utilisées, en grande partie parce que ce matériau est plus dur et plus difficile à couper. L’usinabilité du matériau entre en jeu lors du perçage, à peu près de la même manière que lors du fraisage de l’Inconel. Dans les applications aéronautiques, les profondeurs de perçage dans les composants en Inconel n’excèdent généralement pas 3 x D.
Les revêtements ont joué un rôle clé dans le renforcement de la sécurité du perçage et dans l’amélioration de sa productivité dans le domaine aérospatial. Les fabricants d’outillage tels que Seco poursuivent leur quête d’une meilleure maîtrise des traitements des arêtes de coupe des forets. Grâce à des variations efficaces des revêtements, comme le nitrure d’aluminium et de titane, et au contrôle des arêtes de coupe, Seco a été en mesure d’élaborer des forets qui permettent de doubler les avances et vitesses de perçage.
À l’avenir, d’autres changements seront apportés aux géométries existantes afin d’améliorer encore les performances des forets. Bon nombre de ces changements mineurs ne seront réalisés ou possibles qu’avec la technologie de machine-outil de pointe actuelle. Les constructeurs aéronautiques qui percent des millions des trous ont déjà les yeux rivés sur des forets aussi spécialisés.
Pour usiner efficacement les matériaux complexes actuellement utilisés dans l’industrie aéronautique, la clé du succès est d’obtenir une solution d’usinage complète et pas simplement un outil. Une solution d’outil de coupe globale comprend non seulement la conception et la géométrie nécessaires, mais également l’assistance technique pour une zone d’application de nouvelle stratégies. Les connaissances et l’expérience des ressources humaines sont associées au produit sophistiqué pour former une solution complète et obtenir des résultats optimaux.
La qualité des pièces et la sécurité du process requièrent le meilleur outil possible, conçu pour l’application spécifique, qu’il s’agisse de composites, de titane ou d’Inconel. Mais cet outil doit être acquis auprès d’un fournisseur en mesure de fournir des conseils sur l’utilisation adéquate de l’utiliser afin d’obtenir des performances optimales. L’apprentissage et la formation sont essentiels pour exploiter au mieux les outils sophistiqués d’aujourd’hui conçus pour les matériaux durs utilisés dans l’industrie aéronautique.
