Les alliages à base de titane et de nickel font partie des matériaux les plus exigeants en usinage. Ils combinent une haute résistance, une faible densité et une excellente résistance à la corrosion et à la chaleur. Ces propriétés les rendent indispensables pour l'aéronautique, mais compliquent également considérablement leur usinage. Pour la fabrication, cela signifie des temps d'arrêt courts, une forte charge thermique et des coûts croissants. ISCAR répond à ces défis avec des stratégies d'outillage adaptées, visant des processus stables et des résultats reproductibles.
Les alliages à base de titane et de nickel sont préférés dans l'aéronautique en raison de leur haute résistance mécanique, de leur excellente résistance à la corrosion et de leur stabilité thermique dans des conditions d'utilisation extrêmes. Malgré ces avantages, ils posent de grands défis en usinage, qui ont un impact direct sur la durée de vie des outils, la qualité de surface et la stabilité des processus. Le développement de nouveaux systèmes d'outillage se concentre sur l'augmentation de la durée de vie et l'amélioration de la rentabilité de la fabrication.
Les composants aéronautiques sont fabriqués à partir de matériaux spécialement conçus pour résister à de fortes charges mécaniques, à des températures élevées et à des conditions environnementales agressives. Les alliages à base de titane et de nickel offrent un excellent rapport résistance/poids ainsi qu'une excellente résistance à la chaleur. Cela les rend indispensables pour les structures, les composants de moteurs et d'autres ensembles critiques pour la sécurité. En même temps, ces mêmes propriétés rendent leur usinage plus difficile par rapport à l'acier ou aux alliages d'aluminium. Des taux d'enlèvement de matière faibles, une usure accrue des outils et des exigences de qualité élevées contribuent de manière significative à l'augmentation des coûts de fabrication.
Élevée entrée de température dans l'outil
Les alliages de titane combinent résistance, faible densité et excellente résistance à la corrosion. En raison de cette combinaison inhabituelle de propriétés, le titane est utilisé dans de nombreux domaines techniques spécialisés malgré son coût. Les propriétés mécaniques des alliages de titane, en particulier la haute résistance spécifique avec une très faible ductilité à la rupture, associées à une faible conductivité thermique, posent de grands défis au processus d'usinage.
Pour clarifier : lors de l'usinage de l'acier, le rapport de dissipation de chaleur entre la copeau et l'outil en carbure est d'environ 50 %. Cela signifie que la moitié de la température générée est transférée par la copeau à la coupe, l'autre moitié restant dans la copeau. Lors de l'usinage du titane, 80 % de la température générée vont à la coupe. Ainsi, la stabilité thermique du matériau de coupe utilisé revêt une grande importance.
De plus, le titane présente une forte affinité chimique avec les matériaux de coupe. En particulier à faibles vitesses de coupe, cela favorise la formation de bords de coupe et d'adhérences de matériau.
En raison de ces défis, ISCAR utilise des substrats en carbure de tungstène à grain fin ainsi que des revêtements PVD innovants. Ceux-ci sont utilisés notamment dans des familles d'outils telles que HELIDO, CHATTERFREE et dans divers fraises en carbure plein. Ils augmentent la stabilité des arêtes de coupe et réduisent la friction ainsi que le développement de chaleur.
Préparation spéciale des arêtes et revêtements thermiquement stables
Les alliages à base de nickel posent d'autres défis, mais tout aussi exigeants, aux outils de coupe utilisés. Les matériaux Ni conservent leur résistance même à des températures élevées et présentent un comportement de durcissement à froid prononcé lors de la déformation plastique - ils deviennent plus durs et plus rigides, mais aussi plus cassants.
En usinage, cela entraîne des forces de coupe accrues, un durcissement à froid ainsi que de l'usure par entaille, diffusion et cavitation. Pour limiter le développement de chaleur, les usinages travaillent généralement à des vitesses de coupe réduites. Cela a cependant un impact négatif sur la productivité.
ISCAR répond à ces défis avec des inserts de coupe dotés d'une préparation spéciale des arêtes et de revêtements thermiquement stables. Ceux-ci sont utilisés notamment dans les gammes de matériaux de coupe SUMOTEC, y compris dans les familles d'outils HELITURN et LOGIQTURN. Ils sont spécifiquement conçus pour un comportement d'usure prévisible sur de longues périodes d'utilisation.
Le matériau de coupe approprié est décisif
Les processus d'usinage pour les composants aéronautiques sont soumis à des exigences strictes, qui vont bien au-delà de la simple précision dimensionnelle. Les tolérances typiques se situent souvent entre cinq et dix micromètres. En même temps, une haute qualité de surface doit être garantie. L'objectif est d'éviter les microfissures, les dépôts de matériau et les contraintes résiduelles, car ceux-ci peuvent affecter négativement la résistance à la fatigue. De plus, des structures de composants souvent minces, des géométries complexes et des coupes interrompues augmentent la sensibilité aux vibrations et à l'éjection des outils. Les outils de fraisage avec une pente et une hélice variables, comme ceux utilisés dans les familles ISCAR CHATTERFREE et HELIMILL, sont spécialement conçus pour réduire les vibrations et augmenter la stabilité des processus.
Pour résister aux charges mécaniques et thermiques et réduire les éclats au niveau de l'arête de coupe, les matériaux de coupe utilisés doivent présenter un équilibre entre dureté et ténacité. On utilise généralement des types de carbure à grain fin, car ceux-ci sont très résistants à l'usure même dans des conditions de coupe instables et suffisamment ductiles.
Pour l'usinage des alliages à base de titane et de nickel, des revêtements PVD sont souvent utilisés. Ceux-ci se caractérisent par une forte adhérence, une stabilité thermique et une friction réduite. En même temps, ils agissent comme une barrière thermique, ralentissant l'entrée de chaleur dans l'outil et favorisant un comportement d'usure uniforme et prévisible.
Solutions pour le fraisage, le tournage et le perçage
Lors du fraisage - en particulier des composants minces - des outils à pas variable et à arêtes hélicoïdales sont nécessaires pour minimiser les vibrations.
Lors de l'usinage des alliages de titane, des systèmes à hautes avances, comme l'outil HELIMILL-HFM, permettent une intervention radiale réduite tout en augmentant l'avance par dent. Cela réduit les forces de coupe et limite le développement de chaleur.
Pour les alliages à base de nickel, l'accent est mis sur une intervention stable et une épaisseur de copeau uniforme, afin de minimiser l'usure localisée - en particulier l'usure par entaille dans les zones de transition.
Pour résister aux fortes charges mécaniques lors des processus de tournage et de tournage à l'outil, les outils nécessitent des systèmes de serrage particulièrement stables pour les plaquettes interchangeables. Des systèmes comme HELITURN, JETCUT et LOGIQTURN sont conçus en conséquence. Ils disposent de sièges de plaquettes stables et de préparations de bords de coupe optimisées pour des conditions de coupe optimales.
Lors de l'usinage des alliages de titane, un contrôle fiable des copeaux est très important. De longues copeaux perturbent le processus d'usinage et peuvent causer des dommages au composant et à l'outil. Lors du tournage d'alliages super, la géométrie de coupe et la préparation des arêtes jouent un rôle central pour prévenir l'usure par entaille et permettre des durées de vie plus longues.
La qualité des perçages a un impact direct sur l'intégrité de montage et la résistance à la fatigue des composants aéronautiques. Des systèmes comme SUMOCHAM, QUICK-3-CHAM ainsi que des systèmes de plaquettes interchangeables comme DRTWIST et TRIDEEP offrent des géométries de coupe optimisées et un apport interne de liquide de refroidissement. Cela améliore l'évacuation des copeaux et réduit la charge thermique. Les utilisateurs bénéficient d'une qualité de perçage constante avec différents matériaux et géométries.
Sécurité des processus et durée de vie à l'esprit
L'interaction complexe des paramètres de coupe, de la géométrie de l'outil, de la stratégie de refroidissement et de la rigidité de la machine détermine la durée de vie des outils. Même une réduction modérée de la vitesse de coupe de seulement dix à vingt pour cent peut entraîner des durées de vie nettement plus longues lors de l'usinage d'alliages à base de nickel. ISCAR se concentre sur un comportement d'usure reproductible et prévisible, plutôt que sur une durée de vie théorique maximale. Cela permet aux utilisateurs d'éviter les pannes d'outils et d'augmenter la sécurité des processus.
Des exemples du quotidien des usinages montrent que les utilisateurs peuvent considérablement augmenter les durées de vie en utilisant des géométries d'outils optimisées, des revêtements adaptés et des paramètres de coupe appropriés. Un utilisateur a pu augmenter la durée de vie de 30 pour cent grâce à l'utilisation d'un fraise avec une hélice variable. En même temps, la qualité de surface s'est nettement améliorée, et il a bénéficié d'une plus grande stabilité du processus ainsi que de taux de rebut réduits.
L'intégration de bibliothèques d'outils numériques dans les systèmes CAM prend de plus en plus d'importance dans l'aéronautique. ISCAR propose des plateformes numériques avec des données d'outils standardisées, permettant une sélection et une définition des paramètres cohérentes. Cela réduit les variations de préparation et raccourcit les temps de développement des processus. Des outils de simulation et de vérification permettent également d'évaluer et d'optimiser les stratégies d'usinage avant leur mise en œuvre dans la production. Cela minimise les risques lors de la fabrication de composants de haute qualité.
Les durées de vie améliorées et les processus stables ont un impact direct sur la rentabilité. Ils réduisent les rebuts et diminuent la consommation d'énergie par composant. Étant donné les coûts élevés des matériaux lors de la fabrication de composants aéronautiques complexes, même de faibles augmentations d'efficacité entraînent d'importantes économies. En même temps, des processus optimisés contribuent à la durabilité grâce à une consommation de matériaux réduite et une meilleure utilisation des outils.
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