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L’ingénierie et les innovations technologiques permettent des avancées constantes dans les secteurs critiques de l’industrie médicale, aérospatiale et de la production d’énergie. La fabrication de composants élaborés dans ces industries requiert des matières offrant une haute résistance à la chaleur et à l’usure, une dureté extrême ainsi qu’une qualité et une fiabilité constantes. Les principaux exemples de ces matériaux sont les alliages ISO-S, c’est-à-dire les superalliages résistants à la chaleur (HRSA) à base de nickel, de cobalt et de fer, ainsi que les titanes. La résistance mécanique, ainsi que la résistance à la chaleur, au fluage et à la corrosion sont les propriétés motivant leur utilisation dans un large éventail d’applications essentielles.

Cependant, les propriétés avantageuses de ces alliages engendrent également des caractéristiques d’usinage différentes de celles des aciers traditionnels. L’usinage des matériaux ISO-S est un défi car ces matériaux transfèrent mal la chaleur, un phénomène également appelé faible conductivité thermique. La chaleur produite lors de l’usinage (d’environ 1.100 degrés Celsius à 1.300 degrés Celsius) est absorbée par l’outil et la pièce au lieu d’être évacuée par les copeaux. Ainsi, la durée de vie de l’outil est réduite et la pièce peut se déformer. Les alliages ISO-S ont également tendance à l’écrouissage et au durcissement par précipitation lors de l’usinage, ce qui accroît les efforts de coupe et réduit davantage la durée de vie de l’outil. Enfin, le comportement collant de ces matériaux engendre une formation d’arêtes rapportées et une usure en entaille ne pouvant être contrôlées. Un tel comportement est également appelé ductilité, une caractéristique commune des matériaux tendres tels que l’aluminium.

En raison des difficultés à usiner les matériaux ISO-S et du coût des pièces concernées, les fabricants s’efforcent d’en améliorer l’usinage en se concentrant principalement sur la fiabilité et la qualité des composants et en faisant de la réduction des temps de cycles une priorité secondaire. L’optimisation des avantages de ces alliages haute performance nécessite l’utilisation d’outils et de stratégies de pointe. Les fabricants d’outils élaborent de tels outils et techniques afin d’offrir des solutions productives et fiables.

Afin de fonctionner parfaitement et de ne pas être rejeté par le corps du patient, un implant médical doit être chimiquement inerte et entièrement résistant à la corrosion engendrée par les fluides corporels. Ainsi, la biocompatibilité et la résistance à la corrosion des matériaux ISO-S font de ces derniers une excellente base pour un large éventail de composants orthopédiques, dentaires et autres composants médicaux.

La fabrication des implants médicaux connaît une croissance rapide. L’âge moyen de la population des zones industrialisées ainsi que le poids moyen de la population sont en augmentation. Ces deux facteurs ont des conséquences directes sur l’usure des articulations des genoux et des hanches et impliquent un besoin de prothèses. La popularité des implants dentaires s’est également développée alors que l’attention portée aux questions de cosmétiques et de santé dentaire était également plus élevée.

Une prothèse de genou se compose de deux composants principaux. Le composant fémoral imite le condyle rond situé à l’extrémité du fémur et se fixe à l’os de la cuisse, ou fémur. Le composant tibial quant à lui porte sur une cupule en polymère qui repose dans le deuxième composant principal, une embase en titane fixée sur l’os de la jambe, ou tibia.

Les faibles propriétés de transfert de la chaleur des matériaux ISO-S appellent à l’utilisation de fluides de refroidissement pour la plupart des opérations d’usinage. Néanmoins, les autorités de réglementation médicales ont des règles strictes en matière de contamination engendrée par les résidus de fluide de refroidissement et exigent la mise en œuvre de processus de nettoyage rigoureux et très longs. Par conséquent, les fabricants d’outils développent des méthodes « sèches » pour usiner des pièces médicales, sans fluide de refroidissement ni émulsion. Seco, par exemple, a élaboré des processus exempts de fluide de refroidissement afin d’usiner des embases tibiales en titane Ti6Al4V à l’aide de fraises spéciales pour rainure à T et fraises de formes. L’opération est réalisée en moins de 10 minutes et garantit une excellente durée de vie des outils, une qualité du produit optimale et des pièces sans contamination.

Cet ensemble d’outils Jabro, comprenant quatre solutions personnalisées et deux solutions standard, est parfaitement adapté pour les fabricants de pièces médicales élaborant des composants d’embases tibiales.

Une autre méthode visant à limiter les effets des faibles propriétés de transfert thermique des alliages ISO-S implique le remplacement des opérations de meulage par l’usinage. La chaleur générée par les longues opérations de meulage peut engendrer des efforts sur la pièce et la déformer : un fabricant a constaté que les composants fémoraux des prothèses de genou ne correspondaient plus aux spécifications dimensionnelles après le meulage, engendrant un taux de rebut de 20 à 30 %.

Afin de résoudre ce problème, les ingénieurs en applications de Seco ont développé une méthode en cinq étapes pour l’usinage des composants fémoraux sur un centre d’usinage. Le processus utilise des fraises sphériques et une fixation de pièce dotée d’un verrouillage central permettant la rotation de la pièce durant l’usinage. Cette approche de fraisage par copiage est parfaitement adaptée pour les méthodes de serrage des pièces moins rigides, ce qui est souvent le cas pour produire ces pièces tridimensionnelles complexes. Le temps d’usinage pour l’intégralité de l’opération est d’environ sept minutes. Après l’usinage, seule une opération de polissage est requise. Cette dernière demande moins de temps que le polissage auparavant effectué suite au meulage.

Des méthodes d’usinage spécifiques permettre de surmonter les difficultés rencontrées dans l’usinage de matériaux ISO-S. Les stratégies de fraisage à grande avance (voir encadré) permettent d’optimiser la productivité et d’allonger la durée de vie de l’outil. Lors d’une opération d’ébauche sur un composant dentaire composé d’acier CoCr, une fraise JHF 180 de 3 mm de diamètre provenant de la gamme de fraises Jabro de Seco a été utilisée à une vitesse d’avance de table de 4.000 mm/min avec une profondeur de passe axiale de 2 mm, une profondeur de passe radiale de 0,2 mm et à une vitesse de coupe de 66 m/min. Avec l’acier cobalt-chrome, la durée de vie de l’outil était de 175 minutes.

De nombreux composants médicaux et dentaires de petite taille sont usinés sur des centres d’usinage compacts à grande vitesse, dans des laboratoires ou des cabinets dentaires. Les petites fraises utilisées sur ces machines doivent être conçues afin de résister aux débits de copeaux changeant rapidement, caractéristiques des opérations de profilage sur les implants et autres pièces de petite taille. Pour répondre à ce besoin, Seco a développé les fraises Jabro Mini JM905 et JM920. Les outils sont disponibles en versions quatre dents dans des diamètres de 0,1 à 2,0 mm et selon de grandes longueurs de porte-à-faux allant jusqu’à 16 x D. Malgré leur petite taille, ces outils offrent la force et la stabilité requises pour la production de petites pièces, avec des dimensions respectant les exigences de pièce à usiner traditionnelles.

Les matériaux ISO-S sont également de plus en plus utilisés dans l’industrie de l’énergie. Malgré toute l’attention portée aux sources d’énergie « vertes » telles que les énergies éolienne, hydraulique et solaire, plus de 60 % de l’énergie électrique mondiale est à présent produite à partir de combustibles. La majorité de la production d’énergie implique l’utilisation de turbines à gaz ou à vapeur. En outre, de nombreux efforts sont fournis afin d’améliorer ces turbines. Par exemple, des composants en titane, résistants et légers, réduisent les forces centripètes à vitesse de rotation élevée dans les sections de compression inférieures des turbines, permettant ainsi des vitesses de rotation plus élevées. En plus des composants en titane, les pièces en HRSA sont utilisées dans les sections de combustion pour leur capacité à résister aux hautes températures nécessaires à un rendement de moteur élevé.

Afin de garantir efficacité et performances plus élevées, les alliages ISO-S sont soumis à des évolutions constantes. Les producteurs de métaux développent des alliages offrant des possibilités optimisées afin de répondre aux exigences d’applications de plus en plus exigeantes. Par exemple, les HRSA existants, tels que l’Inconel 738 à base de nickel et le SFX414 à base de cobalt, ont été développés afin d’être utilisés à des températures entre 850 et 1.200 degrés Celsius. Certaines compositions HRSA récentes, telles que le GTD 262 et Rene 108, sont destinées à des températures allant de 1.200 à 1.600 degrés Celsius. Ces nouveaux alliages représentent des défis encore plus grands.

Seco a récemment participé à l’usinage d’un nouvel alliage haute performance utilisé pour les composants statiques d’une turbine de production d’énergie. En raison de la meilleure résistance à la chaleur du matériau, l’usinage est devenu plus complexe : seule une vitesse de coupe de 18 m/min a pu être atteinte en comparaison avec une vitesse de 25 à 35 m/min habituellement atteinte avec le matériau de référence Inconel 718.

L’outillage existant s’est usé après seulement un segment (longueur de coupe 320 mm) et le fabricant de la turbine exigeait une durée de vie de l’outil plus longue. Seco a développé une fraise spéciale basée sur la géométrie d’outil de la Jabro 780 et dotée d’une conception d’âme double offrant une meilleure stabilité dans les conditions de coupe difficiles. L’outil a été utilisé selon les paramètres habituels : vitesse de coupe de 18 m/min, avance par dent de 0,015 mm et avance de table de 43 mm/min. Le nouvel outil a été utilisé pour l’usinage de deux segments de turbine (640 mm), ce qui représente une augmentation de 100 % de la durée de vie de l’outil. Par la suite, en réduisant la vitesse de coupe à 16 m/min et en augmentant l’avance par dent à 0,017 mm, les ingénieurs en applications ont ainsi pu étendre la durée de vie de l’outil à 800 mm (+ 150 % de durée de vie).

Composants pour l’aérospatiale

Parce que les HRSA conservent leur solidité à haute température et offrent une meilleure résistance au fluage et à la corrosion, les alliages représentent jusqu’à 50 % du poids d’un moteur dans le domaine aérospatial.

Les applications de matériaux ISO-S dans les turbines de moteur dans le domaine aérospatial sont similaires à celles liées aux turbines utilisées dans la production d’énergie. Dans de nombreux cas, cependant, les tolérances dans le secteur aérospatial sont plus exigeantes. Par exemple, Seco développe des outils spéciaux afin d’usiner le profil en forme de pied de sapin de la base des pales de turbine. Les tolérances pour les profils de base de pale pour certaines applications dans le secteur de l’énergie sont dans une fourchette de 10 microns, alors que les tolérances pour certains profils dans l’aérospatiale sont limitées : 0 - 5 microns uniquement (0 – 0.005).

Titane structurel

Outre son utilisation dans les sections basse température des turbines, la solidité et la légèreté du titane sont exploitées sur les pièces structurelles du secteur aérospatial, telles que les trains d’atterrissage. De par leur nature, les composants des trains d’atterrissage sont imposants et solides mais également très lourds lorsqu’ils sont fabriqués à partir de matériaux standard.

Les nouveaux alliages de titane, plus légers et plus solides, utilisés pour la fabrication de trains d’atterrissage plus légers sont plus difficiles à usiner que les alliages de titane utilisés auparavant. L’un de ces alliages récemment développés est nommé titane 5553 car ce dernier est composé de 5 % d’aluminium, 5 % de molybdène, 5 % de vanadium et 3 % de chrome. Le titane 5553 permet de bénéficier d’une grande résistance à la traction : 1.160 MPa au lieu de 910 MPa pour le matériau de référence Ti6Al4V. Cette résistance à la traction supérieure limite la vitesse de coupe à des vitesses 50 % inférieures à celles utilisées avec le Ti6Al4V.

Si un unique matériau ISO-S présente des difficultés d’usinage, traiter deux matériaux différents simultanément est un défi encore plus ardu. Certaines applications aérospatiales impliquent l’usinage de composants composés de couches de différents matériaux. La difficulté est d’usiner le « sandwich » ou « matériau hybride » avec un contrôle des copeaux adéquat et sans vibrations ou bavures.

Nous pouvons donner comme exemple type une combinaison de titane et d’acier inoxydable. L’acier inoxydable et le titane partagent certaines propriétés : tous deux sont relativement solides et disposent de propriétés adhésives dans le sens où le matériau coupé a tendance à adhérer à la fraise.

La solution proposée par Seco pour l’usinage d’un support de moteur composé d’un empilement titane 6Al4V/acier austénitique a impliqué l’utilisation d’un outil en carbure Jabro JHP770 spécialement conçu pour l’usinage du titane. L’outil est doté d’un espacement entre goujures différentiel, d’une dépouille radiale et d’une rainure de logement des copeaux spéciale. Un canal d’arrosage par le centre limite l’adhésion de la pièce à usiner et évacue les copeaux. Lors de l’usinage de matériaux empilés, l’outil passe tout d’abord sur l’acier inoxydable puis sur le titane. Des paramètres adaptés au matériau le plus difficile à usiner (le titane) ont été appliqués tout au long du processus. En prenant en compte la faible conductivité thermique de l’alliage, une vitesse de coupe modérée de 50 m/min a été appliquée avec une avance de 0,036 mm/tr et une profondeur de passe de 3 mm et avec une descente par interpolation circulaire.

Malgré les performances élevées qu’il garantit dans de nombreuses situations, l’outillage en carbure n’est pas la seule solution pour un usinage efficace des matériaux ISO-S. Dans certains cas, les fraises en acier à coupe rapide sont un choix plus productif et rentable.

Nombre de composants imposants du secteur aérospatial, comme les pièces de trains d’atterrissage, sont usinés à partir de billettes monoblocs de titane ou d’acier inoxydable. Pour ces pièces, des outils en HSS haute performance jusqu’à 50 mm de diamètre sont capables d’enlever de grandes quantités de matière. Les outils en HSS sont très efficaces sur des machines à faibles vitesses de rotation et à couple élevé et permettent d’effectuer avec efficacité des opérations d’ébauche et même de finition sur le titane et l’acier inoxydable. La possibilité d’employer des diamètres et largeurs de coupe importants permet aux outils d’offrir des taux de dépouille optimaux à faibles vitesses en comparaison avec ceux obtenus avec les outils en carbure.

La fraise en HSS-Co Jabro JCO710, composée de 8 % de cobalt et dotée d’une dureté de 67 HRC est un exemple d’outil en HSS de pointe. Elle dispose de goujures polies afin de réduire la friction et la formation d’arêtes rapportées, et d’une géométrie de face variable afin de garantir une coupe soigneuse et de réduire le risque de vibration qui engendre des valeurs de rugosité de surface inacceptables. Ces fraises ont atteint une durée de vie de 800 minutes lors de leur utilisation par un fabricant de grandes pièces en titane.

Lors de l’usinage des matériaux ISO-S utilisés dans les applications critiques, les fabricants ont pour objectif d’obtenir une qualité optimale, une régularité constante et une productivité adéquate. Alors que les producteurs de métaux développent de nouveaux alliages afin de répondre aux exigences toujours plus strictes des applications haute performance, les fabricants d’outils de coupe créent à leur tour des matériaux de coupe et élaborent des stratégies dans le but de relever les défis représentés par l’usinage des matériaux ISO-S et de permettre aux fabricants de respecter leurs objectifs d’usinage.

Encadré

Stratégies de fraisage ISO-S

Des associations d’outils et de stratégies de coupe élaborées avec soin permettent un usinage des matériaux ISO-S productif et rentable.

L’une des approches est le fraisage à grande avance, une méthode qui transfère les efforts de coupe de la direction radiale vers la direction axiale, associant de faibles profondeurs de passe axiales avec une avance de table élevée. Cette technique produit des copeaux plus fins qui évacuent la chaleur de l’arête de coupe, et réduit les efforts de coupe, limitant ainsi les vibrations et stabilisant l’opération d’usinage. Outre la réduction de la production de chaleur et l’allongement de la durée de vie de l’outil, le fraisage à grande avance offre également des taux de dépouille élevés : de 200 à 300 % plus rapides que le fraisage traditionnel.

Le fraisage à grande avance peut être utilisé avec un large éventail d’outils. Parmi sa gamme globale de fraises Jabro, par exemple, Seco propose les outils JHF180 conçus pour l’usinage d’aciers et d’alliages cobalt-chrome plus durs dans la plage HRC 48 - 62. L’outil dispose d’une encolure conique rigide à 0,9 degré qui réduit la flexion de l’outil, permet le fraisage de cavités profondes et améliore l’état de surface.

La géométrie de l’outil est conçue pour évacuer les copeaux de l’arête de coupe. Ils sont parfaitement adaptés aux applications de fraisage à grande avance, notamment le fraisage en bout, le rainurage, la plongée oblique, l’interpolation hélicoïdale et l’usinage par niveau Z.

Les autres stratégies de fraisage des matériaux ISO-S dépendent de l’opération, de la matière à usiner et de la machine à disposition. Une approche conventionnelle implique un équilibre 1-1 de profondeur de passe axiale et radiale et de vitesses d’avance moyennes. L’usinage hautes performances, réalisé avec des fraises spéciales telles que la gamme HPM de Seco, utilise de grandes profondeurs de passe axiales et des profondeurs de passe radiales pleine largeur afin d’atteindre des taux de dépouille élevés. L’usinage à grande vitesse est une autre alternative et implique que la fraise se déplace selon des profondeurs de passe radiales faibles et des profondeurs de passe axiales élevées. Cette approche permet de travailler à des vitesses de coupe plus élevées afin d’accroître la productivité. La réussite de la mise en place des différentes stratégies d’usinage dépend d’un certain nombre de facteurs, notamment les capacités de la machine-outil utilisée ainsi que le système CNC qui prendra en charge les grands programmes et fichiers requis pour la réalisation des processus d’usinage.

L’usinage du titane implique des exigences qui lui sont spécifiques en termes de fonctionnement et d’outillage. L’utilisation de vitesses de coupe modérées permet d’éviter la production excessive de chaleur pouvant favoriser des réactions chimiques entre l’outil et la pièce à usiner. Il est primordial d’utiliser un fluide de refroidissement autant que possible. Les arêtes de coupe vives réduisent les efforts de coupe en facilitant le cisaillement de copeaux à partir de la pièce à usiner. Les stratégies à grande avance peuvent également être appliquées dans ce cas particulier.

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