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Le délicat usinage des métaux exotiques

MIREL SCHERER mscherer@industrie-technologies.com

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Légers, rigides, plus résistants... Les atouts des métaux durs ont séduit de plus en plus d'industriels. Ces matériaux sont cependant difficiles à usiner. Au-delà du choix du bon équipement, les industriels doivent souvent repenser leurs stratégies d'usinage.

Confrontés à des mariages technologiques a priori antinomiques comme celui de la rigidité et de la légèreté, de nombreux secteurs industriels font désormais le choix des métaux durs. Ces métaux dits exotiques allient une haute résistance à une faible densité et permettent aux entreprises de répondre aux défis économiques de domaines comme l'aéronautique ou l'automobile. Ces derniers cherchent perpétuellement à diminuer le poids des avions ou des voitures, et donc la consommation de carburant. « Il est difficile d'imaginer que les niveaux actuels de performance des aéronefs, leurs rapports puissance/poids, la résistance des cellules, ainsi que d'autres facteurs critiques, auraient pu être atteints sans le titane », considère Uwe Speetzen, le directeur général de Makino Werkzeugmaschinenfabrik à Hambourg (Allemagne).

Des propriétés physiques incontournables

Capables de résister à des températures en dessous de 0 °C et allant jusqu'à 600 ºC, les alliages de titane, sont désormais irremplaçables dans les moteurs d'avion. « Actuellement, le titane constitue près de 10 % du poids d'un avion comme le Boeing 777 », insiste le spécialiste de Makino. Mêmes remarques pour l'inconel dont certains alliages peuvent être utilisés à des températures montant à plus de 800 °C. Ce qui explique leur utilisation dans des applications industrielles où de hautes températures sont en jeu comme les installations pétrolières ou le nucléaire.

Rigides et légers, les alliages cobalt-chrome s'imposent, eux, dans le médical. Leur biocompatibilité en fait un matériau de choix pour les implants. Pour Philippe Ledoux, le responsable du centre de compétences UGV (usinage à grande vitesse) d'Agie Charmilles, « ce succès s'explique aussi par la migration des pièces à faible valeur ajoutée vers les pays à bas coût et le souhait des sous-traitants de se recentrer, sous la pression de donneurs d'ordres, sur les matériaux difficiles à usiner à plus forte valeur ajoutée ».

Si les qualités des métaux durs sont séduisantes, le revers de la médaille réside dans leur usinage difficile et leur coût élevé. Il faut donc analyser à fond ces deux aspects lors du montage d'un tel projet. « Pour répondre à ces nouvelles exigences, il faut choisir des machines particulièrement rigides et rapides, dotées de broches puissantes et d'une lubrification adaptée », conseille Philippe Ledoux. La construction de type caisson et le moteur à entraînement direct se généralise ainsi chez les spécialistes du domaine comme Mazak, Mori Seiki, Makino, Agie Charmilles...

Conçu sur mesure pour l'usinage des métaux durs et notamment du titane, le centre d'usinage horizontal T4 de Makino est un véritable cas d'école. L'équipement conçu par le constructeur japonais divise par quatre le temps d'usinage des pièces aéronautiques en titane (alliage Ti-6Al-4V, fraise à plaquettes de 80 mm de diamètre à cinq dents, vitesse de coupe de 61,6 m/min). « Dans sa configuration de base, la machine possède cinq axes, autrement dit, elle s'affranchit de la séparation classique pour le titane entre une ébauche sur une machine trois axes et des opérations de finition sur une cinq axes », explique Uwe Speetzen. La moto-broche développe une vitesse de rotation de 4 000 tr/min (en option 8 000 tr/min), assure une puissance de 100 kW et un couple de 1 000 Nm. Tout en garantissant une très grande rigidité, une dynamique extrême et une rotation sans vibration. Constitué de glissières plates, le guidage est réalisé via un système qui assure une compensation de la masse et un excellent amortissement. « Ce système breveté agit comme un guidage hydrostatique tout en étant nettement moins compliqué d'utilisation, affirme l'expert. En plus de ses qualités d'amortissement, il améliore la commande des déplacements, ce qui se reflète dans la précision des contours, la qualité de surface des pièces, l'augmentation de la puissance limite d'usinage et la durée de vie de l'outil. » Le système d'arrosage sous pression fournit 200 l/min à 70 bars par le centre de la broche. Dirigé directement sur l'arête de coupe, le liquide forme un cône de fluide qui refroidit la zone de contact, assure l'évacuation rapide des copeaux, réduit l'usure de la plaquette et augmente la productivité. Des débits d'enlèvement de copeaux de 500 cm3/min sont réalisables et compatibles avec une durée de vie raisonnable de l'outil.

Les recherches continuent néanmoins car chaque usinage de métaux durs est un cas spécifique pour lequel il faut trouver la bonne stratégie et les équipements idoines. Les ingénieurs du Labomap de l'Ensam de Cluny (Saône-et-Loire) collaborent ainsi avec des constructeurs comme Agie Charmilles ou Mazak qui leur prêtent des machines pour les essais. « Le premier détache même des spécialistes qui participent à nos travaux », explique Bertrand Coulon, du Labomap. Coupe, équipements, environnement de la machine, FAO, outils... Tout est passé au crible.

DES QUALITÉS SÉDUISANTES, MAIS L'USINAGE RESTE DIFFICILE ET LE COÛT ÉLEVÉ.

INCONTOURNABLE

Les pièces en titane représentent 15 % du poids du futur A350-XWB d'Airbus. Elles ne représentaient que 9 % de l'A380.

BERTRAND COULON INGÉNIEUR AU LABOMAP, À CLUNY (SAÔNE-ET-LOIRE)N'oubliez pas d'étudier la structure des machines !

« L'étude approfondie des stratégies d'usinage s'impose quand on doit usiner les métaux durs comme les alliages réfractaires et autres aciers traités. Plusieurs points sont à surveiller pendant les opérations d'usinage de ces matériaux, notamment, la manière dont les outils entrent et sortent de la matière. Sans oublier la machine : sa rigidité, les systèmes connexes comme celui de fixation de la pièce. Très importante également, la lubrification, avec des approches plus économiques comme la microlubrification et l'apport d'air froid. Voire l'usinage à sec quand l'application le permet et que les outils ne s'usent pas trop vite... »

Six points critiques pour faire le bon choix

LA STRUCTURE Elle doit être à la fois rigide, statique et dynamique. LA BROCHE Puissante, elle doit opérer sans vibrations. LA COMMANDE NUMÉRIQUE Les programmes doivent être adaptés à l'usinage des métaux durs. LES OUTILS La machine doit être équipée d'une gamme spécifique. LA LUBRIFICATION Sa gestion doit être précise. LES COPEAUX Leur évacuation doit être étudiée.

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