17 december 2013 | La Revue POLYTECHNIQUE 10/2013 | Machine tools

Des fraises en céramique monobloc

Les nouvelles fraises en céramique monobloc Beyond EADE™ de la société Kennametal fournissent d’excellentes performances en termes de vitesse et de durée de vie pour l’usinage des alliages haute température et haute résistance à base de nickel haute résistance. Les vitesses de coupe sur ces superalliages peuvent être jusqu’à vingt fois supérieures à celles des fraises en carbure monobloc, grâce à l’exceptionnelle résistance à la chaleur et aux arêtes de coupe renforcées de la céramique.

L’un des principes fondamentaux en matière d’usinage est le fait que le degré de résistance des outils doit être proportionnel à celui des matériaux à découper. Les alliages exclusifs à base de nickel utilisés dans les turbines à gaz et à vapeur font partie des matériaux les plus résistants au monde. Ils sont constamment améliorés pour permettre aux sites de production de fonctionner à des températures toujours plus élevées. Ils fournissent ainsi davantage de puissance aux utilisateurs, améliorent l’efficacité des sites et réduisent ou éliminent les émissions nocives. Les superalliages, tels que l’Inconel^®, le Waspaloy^® et le Rene^® sont utilisés dans les aubes de turbine et dans d’autres pièces nécessitant une résistance au fluage à haute température, une bonne stabilité de phase, ainsi qu’une résistance à l’oxydation et à la corrosion.

Leur usinage est souvent laborieux et coûteux. En général, les outils en carbure monobloc fonctionnent à des vitesses comprises entre 65 et 200 pieds linéaires par minute (SFM) (de 20 à 60 m/min) avec ces matériaux, et leur durée de vie est limitée. Les nouvelles fraises en céramique monobloc de la nuance Beyond KYS40™ de la société Kennametal présentent, quant à elles, des améliorations des ordres de grandeur pour l’usinage des alliages à base de nickel haute résistance, assurant l’ébauchage à des vitesses de coupe pouvant atteindre 3300 SFM (1000 m/min) et garantissant une durée de vie d’outil deux à trois fois supérieure à celle des outils en carbure monobloc comparables.

Une première industrielle

Les outils de coupe en céramique, principalement en oxyde d’aluminium (Al₂O₃), existent depuis le début du XX^e siècle. Les brevets sur ces outils, déposés en Allemagne en 1913, sont devenus disponibles sur le marché américain dans les années 50. Les plaquettes indexables en céramique prennent tout leur sens aujourd’hui, car elles peuvent fonctionner à des vitesses élevées dans certaines applications. Pourtant, les fraises en céramique monobloc étaient peu courantes jusqu’à présent, car ces outils étaient plus cassants que le carbure et fournissaient des performances médiocres. D’ailleurs, en raison de la consommation élevée des fraises en carbure monobloc, de nombreux fabricants de turbines ont été amenés à les produire eux-mêmes.

Une excellente méthode

La nouvelle nuance céramique SiAlON KYS40 et la conception globale des fraises en céramique monobloc représentent désormais une excellente méthode pour ébaucher les alliages haute température à base de nickel. «Les vitesses de coupe sur les superalliages à base de nickel peuvent être jusqu’à vingt fois supérieures à celles des fraises en carbure monobloc, et grâce à l’exceptionnelle résistance à la chaleur et aux arêtes de coupe renforcées (angle de coupe négatif) de la céramique, la durée de vie de l’outil peut être jusqu’à cinq fois supérieure, voire plus», déclare Thilo Mueller, chef de produit chez Kennametal.

Deux types de fraises en céramique monobloc KYS40 sont disponibles: une version à six dents pour le fraisage et le profilage, et une version à quatre dents à col pour le rainurage et l’usinage des poches. Ces deux gammes de produits peuvent aussi être utilisées pour l’interpolation hélicoïdale ou l’usinage, par exemple.

Les mécanismes et l’indication de l’usure sur les fraises en céramique monobloc sont totalement différents de ceux du carbure, ce qui permet de les utiliser bien au-delà du point de remplacement d’outils en carbure. C’est également la raison pour laquelle la nouvelle fraise de nuance KYS40 est un outil de type jetable, afin de permettre une utilisation au-delà du type d’usure habituel.

Fraisage des aubes de turbine

Qu’elle soit alimentée par des combustibles fossiles, de l’énergie hydraulique ou nucléaire, une turbine est presque toujours utilisée pour produire de l’électricité. La production, la gestion et l’entretien de ces composants essentiels revêtent une importance capitale pour assurer la production d’énergie.

Les fabricants doivent donc s’efforcer d’améliorer en permanence leurs stratégies d’usinage. Il faut prendre en compte de nombreux facteurs: faut-il un grand nombre d’aubes similaires ou de petits volumes d’aubes de conception différente? Plusieurs installations et centres d’usinage sont-ils concernés, ou y a-t-il des machines multitâches et multi-axes? Quel est le système de CAO/FAO utilisé et le niveau de qualification requis pour les opérateurs? Et, bien sûr, quels sont les meilleurs choix en termes d’outils pour les tâches d’usinage? Les résultats de récents tests effectués sur la nouvelle fraise en céramique monobloc KYS40 sont éloquents.

En premier lieu, quelle que soit la version concernée (quatre ou six dents), la nuance céramique Beyond KYS40 bénéficie d’une conception centrale élargie, qui améliore la rigidité de l’outil et réduit les déviations à des vitesses de coupe élevées. La géométrie optimisée de l’extrémité et l’angle hélicoïdal de 40° améliorent le cisaillage et l’évacuation des copeaux.

Lors de l’ébauchage du profil d’une petite aube de turbine en Inconel 718, usinée à sec, la fraise à quatre dents EADE a fonctionné à une vitesse de 645 m/min (2116 SFM), avec une avance de 0,03 mm en z (0,0012 IPT). La profondeur de coupe (ap) était de 0,5 mm (0,0197 pouces) et la largeur (ae) de 11,4 mm (0,866 pouces). Comparée à une solution classique, la fraise à quatre dents EADE a duré trois fois plus longtemps, tout en effectuant l’ébauchage en un temps inférieur. Cette application a permis d’obtenir une production de pièces par fraise trois fois supérieure.

La fraise en céramique monobloc à six dents EADE a été testée pour profiler un disque monobloc en alliage Inconel 718. On a utilisé de l’air comprimé pour l’évacuation des copeaux. Contrairement aux outils en carbure habituels, l’ébauchage visant à obtenir des formes précises crée des copeaux proches de la poussière, qui ne nécessitent donc que de l’air comprimé pour être évacués. Les conditions de test étaient les suivantes: vitesse de coupe de 679 m/min (2228 SFM), avance de 0,03 mm en z (0,0012 IPT) et profondeur de coupe variable, jusqu’à 0,5 mm (0,0197 pouces). Deux segments de disque monobloc ont été obtenus avec un outil. Le temps d’usinage par segment a été mesuré à douze minutes, un résultat «sans précédent» d’après le personnel en charge du test.

Une nouvelle application

Les nouvelles fraises en céramique monobloc EADE sont également incluses dans la nouvelle application conviviale Kennametal Innovations pour iPad, disponible en téléchargement gratuit sur l’iTunes^TM App Store. Le système de navigation simple de l’application intègre une fonction de recherche à l’aide de mots-clés, ce qui permet de trouver facilement des solutions d’outillage et des groupes de produits donnés. Voici quelques-unes des caractéristiques essentielles:

les animations de produit fournissent une représentation visuelle claire des procédés et des liens directs vers des informations détaillées;
un plan de navigation inclut des menus déroulants contenant des informations supplémentaires, notamment des tableaux et graphiques que l’on peut grandir et personnaliser;
la navigation par l’utilisateur avec choix des données permet d’effectuer rapidement des comparaisons entre produits complémentaires et concurrents;
les démonstrations et vidéos d’application montrent de manière concrète les modes d’utilisation des technologies d’outillage.

Les nouvelles fraises en céramique KYS40 de la société Kennametal sont disponibles dans une gamme comprise entre 3/16 et 1/2 pouce (4 et 12 mm). L’outil ne nécessite pas de système de serrage spécial. Des mandrins haute performance à serrage à pince ou hydraulique classiques sont largement suffisants. La seule condition est que le mandrin soit capable de fonctionner à des vitesses suffisamment élevées pour l’usinage des superalliages. Pour garantir une durée de vie d’outil optimale, un équilibrage final est préconisé.