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La super efficacité est requise pour l'usinage des superalliages

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Les superalliages - alliages métalliques, qui reflètent leur structure alliée complexe, sont devenus depuis longtemps l'un des principaux matériaux d'ingénierie. Ils se caractérisent par une résistance extrêmement élevée à haute température, et sont donc souvent appelés superalliages haute température (HTSA) ou superalliages résistant à la chaleur (HRSA).

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L'histoire des superalliages a commencé avec le développement des moteurs à turbine à gaz qui nécessitaient des matériaux fiables pour des plages de températures de fonctionnement élevées. Grâce aux recherches intensives et aux progrès de la métallurgie, les superalliages modernes (SA) offrent une longue durée de vie pour des températures de travail supérieures à 1000°C.

Il va de soi que les plus grands consommateurs de superalliages sont aujourd'hui les producteurs de moteurs aéronautiques et marins (Fig. 1). Les superalliages sont également très courants dans l'industrie médicale, qui les utilise effectivement pour les implants prothétiques en chirurgie orthopédique. En outre, les superalliages se sont répandus dans la production d'énergie et dans les industries pétrolières et gazières en tant que matériaux cruciaux pour les pièces essentielles de divers dispositifs.

La solidité exceptionnelle à haute température et la résistance à la corrosion sont les avantages indéniables des superalliages. Cependant, il y a deux côtés à la médaille : non seulement les superalliages ont un prix élevé, mais leur usinabilité est médiocre, ce qui peut poser des problèmes de fabrication. L'effort de coupe spécifique qui caractérise la résistance du matériau à l'enlèvement des copeaux et définit la charge mécanique d'un outil de coupe est élevé pour les superalliages. Bien que la principale difficulté soit la chaleur, les superalliages ont une mauvaise conductivité thermique. Les copeaux élémentaires et libres, qui sont généralement générés lors de l'usinage des superalliages, ne permettent pas une dissipation adéquate de la chaleur de la zone de coupe. Une tendance à l'écrouissage aggrave la situation.

Le fabricant traite diverses pièces en SA : moulées, corroyées, frittées, etc. Les méthodes de fabrication des pièces ont également un impact sur l'usinabilité. Par exemple, l'abrasivité des pièces forgées est plus élevée que celle des pièces coulées et nettement plus faible que celle des pièces frittées.

Par conséquent, un outil de coupe est soumis à une charge thermique et mécanique importante, ce qui réduit considérablement sa durée de vie. Par conséquent, lors de l'usinage des superalliages, la vitesse de coupe directement liée à la génération de chaleur pendant l'enlèvement des copeaux est considérablement inférieure à celle d'autres matériaux d'ingénierie courants tels que l'acier ou la fonte. Le résultat direct de cette limitation de la vitesse de coupe est une faible productivité. Par conséquent, surmonter les difficultés d'usinage et augmenter la productivité sont les principaux défis pour le fabricant de pièces en SA.

Selon la norme ISO 513, les superalliages, ainsi que les alliages de titane, relèvent de l'application du groupe S de l'ISO. Selon l'élément dominant, les superalliages sont divisés en trois types : les alliages à base de fer (Fe), de nickel (Ni) et de cobalt (Co). L'usinabilité diminue dans l'ordre indiqué : des alliages à base de fer, qui peuvent être comparés à l'acier inoxydable austénitique, aux alliages à base de cobalt qui représentent les matériaux les plus difficiles à découper du groupe.

L'augmentation de l'efficacité de l'usinage des superalliages est devenue l'objet de diverses recherches scientifiques et améliorations technologiques. Leur résultat a été une avancée significative dans la production de composants SA. La fabrication a effectivement adopté de nouvelles stratégies d'usinage et des méthodes innovantes d'alimentation en liquide de coupe, telles que le refroidissement à haute pression (HPC), la lubrification par quantité minimale (MQL) et même le refroidissement cryogénique, ont été introduites avec succès. La productivité de l'usinage des superalliages a ainsi atteint un nouveau niveau. Cependant, comme dans le cas des alliages de titane, l'élément clé pour améliorer la productivité de l'usinage des SA est un outil de coupe qui enlève directement les couches de matière d'une pièce à usiner et produit des copeaux. Un outil de coupe se caractérise par son matériau et sa géométrie, qui déterminent le triomphe ou l'échec de l'outil.

Aujourd'hui, les carbures cémentés revêtus sont les matériaux les plus courants pour les outils de coupe destinés à l'usinage des superalliages. Le développement d'une nuance de carbure, dans laquelle la résistance et la résistance à l'usure se complètent mutuellement, est un processus délicat qui nécessite un substrat de carbure, une composition de revêtement et une méthode de revêtement appropriés. À la grande surprise de ceux qui pensent que les possibilités de percée dans cette direction sont presque épuisées, les producteurs d'outils de coupe continuent de créer de nouvelles nuances de carbure efficaces. En outre, dans l'usinage des superalliages, la céramique - un autre matériau d'outil qui permet d'augmenter considérablement les vitesses de coupe - est déjà utilisée activement.

Si les matériaux des outils sont surtout liés aux sciences des matériaux et à la métallurgie, la géométrie de coupe relève davantage du domaine de la conception des outils. Garantir une géométrie performante nécessite des connaissances approfondies en ingénierie et des compétences technologiques. D'une part, pour minimiser la production de chaleur et l'écrouissage, il faut un angle de coupe positif, un angle de dégagement suffisamment grand et une arête tranchante. D'autre part, une telle forme affaiblit l'arête de coupe qui doit résister à une charge mécanique considérable. Par conséquent, l'état correct de l'arête de coupe conçue devient un facteur de réussite essentiel. Les plaquettes en carbure fritté ont l'avantage de permettre des formes complexes de formation et de rupture de copeaux pour les faces de coupe des plaquettes. Aujourd'hui, la modélisation informatique des processus de formation et de compression des copeaux à l'aide de la méthode des éléments finis constitue un outil efficace pour optimiser les formes qui sont déjà au stade de la conception. Dans les fraises à queue pleine, une conception à pas variable permet d'améliorer la résistance aux vibrations. Les arêtes de coupe de ces fraises sont produites par des opérations de meulage, et pour éliminer l'écaillage et les défauts d'arête, le respect strict des exigences du processus technologique est très important.

Les fabricants d'outils de coupe accordent beaucoup d'attention à l'amélioration de leurs portefeuilles de produits destinés à l'usinage des superalliages. Les nouveautés d'ISCAR peuvent être d'excellents exemples indicatifs.

La nuance de carbure IC806, qui avait été introduite ces dernières années pour le rainurage frontal des superalliages et de l'acier inoxydable austénitique, a été adoptée avec succès par les lignes de filetage et de perçage profond d'ISCAR. Cette nuance possède un substrat dur submicronique et un revêtement PVD TiAlN/AlTiN avec un traitement post-revêtement selon la technologie SUMO TEC d'ISCAR. La nuance IC806 offre une résistance notable à l'écaillage et à l'effritement et permet d'obtenir des résultats fiables et reproductibles.

Pour l'usinage des superalliages à l'aide de fraises en carbure monobloc et de têtes interchangeables, la nuance IC902, qui combine un substrat à grains ultrafins et un revêtement PVD TiAlN à nano-couche, assure une résistance à l'usure extrêmement élevée et prolonge la durée de vie de l'outil. Cette nuance a donné de très bons résultats dans la production de dispositifs pour le remplacement des articulations du genou et de la hanche qui sont fabriqués à partir d'alliages cobalt-chrome difficiles à couper (Fig. 2).

ISCAR a considérablement étendu la gamme de produits pour les applications ISO S fabriqués à partir de diverses céramiques de coupe telles que le nitrure de silicium, le SiAlON et les qualités renforcées par des whiskers. Les nouveaux articles en céramique ont remplacé les plaquettes indexables et les fraises à queue pleines (Fig. 3).

Les dernières conceptions de face de coupe F3M et F3P pour les plaquettes de tournage standard ISO sont destinées spécifiquement à l'acier inoxydable austénitique et aux superalliages difficiles à usiner (Fig. 4). Leur géométrie à angle de coupe positif réduit l'effort de coupe et assure une coupe en douceur, tandis que le jeu de déflecteurs sur la face de coupe améliore le contrôle des copeaux.

Dans les plaquettes céramiques double face pour outils de tournage et de fraisage, ISCAR a ajouté de nouvelles options de condition de coupe chanfreinée et combinée (chanfreinée et arrondie) pour les applications difficiles.

ISCAR a enrichi la gamme de solutions destinées au refroidissement haute pression par de nouveaux corps de fraises indexables et porte-outils. Par exemple, les mandrins thermorétractables à queue conique polygonale, qui possèdent des canaux de jet de liquide de refroidissement le long de l'alésage central, ont été complétés par la gamme de porte-outils.

En conclusion, la nécessité d'accroître la productivité dans l'usinage des HTSA est un défi permanent pour les fabricants d'outils de coupe, et de nouveaux développements d'outils efficaces sont susceptibles de voir le jour dans un avenir proche.

Pour plus d'informations, site web : www.iscar.in

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