Une solution improbable mais puissante

Jan 23, 2024

L'une des premières leçons que tout machiniste apprend est que les étincelles et les flammes dans la zone d'usinage sont mauvaises - comme dans, appuyer sur le gros bouton rouge et courir vers l'extincteur est mauvais. Et bien que ce soit généralement un bon conseil, il existe des situations où un flux de copeaux incandescents s'échappant de la pièce n'est pas seulement préféré, mais est une condition préalable à un usinage productif. Bienvenue dans le monde des outils de coupe en céramique.

L'une de ces réussites « plus c'est chaud, mieux c'est » vient de Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvanie, où un client aurait réduit le temps de cycle de 97 % lors du fraisage d'un bloc d'Inconel 625. « Auparavant, il fallait trois fraises en bout en carbure monobloc et plus de 90 minutes pour usiner la pièce », a déclaré Martin Dillaman, responsable de l'ingénierie des applications chez Greenleaf. "Après être passé à notre fraise en bout en céramique monobloc XSYTIN-360, cela n'a pris que trois minutes."

Les outils de coupe en céramique ne sont pas nouveaux. Comme l'a expliqué E. Dow Whitney de l'Université de Floride dans le livre "Comprehensive Hard Materials", les premières céramiques ont commencé à apparaître au début des années 1930, lorsque les machinistes les utilisaient pour transformer des fontes grises. Pourtant, en raison du "processus de fabrication difficile de la céramique combiné à des machines-outils inadaptées et au manque d'expérience", il faudrait encore quatre décennies de travail de développement avant que ces outils de coupe avancés ne commencent à être utilisés de manière limitée dans les applications de tournage dur.

Depuis lors, l'utilisation d'outils de coupe en céramique a augmenté et, pour de nombreux ateliers, ils sont devenus la solution incontournable pour le tournage et le fraisage. Les fontes, les aciers trempés et, comme l'a souligné Dillaman, l'Inconel, l'Hastelloy et d'autres superalliages résistants à la chaleur (HRSA) sont tous un jeu équitable pour les outils de coupe en céramique. Et bien que la plupart n'offrent pas la réduction de 97 % du temps de cycle citée précédemment, beaucoup s'en rapprochent, avec des taux d'enlèvement de métal bien supérieurs à ceux de leurs équivalents en carbure monobloc.

Avec des gains de productivité comme celui-ci, la question se pose : pourquoi les outils de coupe en céramique ne sont-ils pas plus populaires auprès des ateliers d'usinage ? La réponse, selon Dillaman et les autres experts interrogés pour cet article, est que a) les outils de coupe en céramique sont principalement limités aux métaux durs, durs ou abrasifs que nous venons d'énumérer, b) ils nécessitent l'utilisation de machines-outils et d'outils très rigides, et c) ils nécessitent des vitesses de coupe et des avances très élevées, des paramètres d'application que certaines machines-outils sont incapables d'atteindre.

C'est ce dernier point que Greenleaf a récemment abordé avec sa gamme de fraises en bout en céramique solide XSYTIN-360, qui, comme l'a noté Dillaman, peut être appliquée à des vitesses de coupe de 20 à 25 % inférieures à celles nécessaires avec la céramique traditionnelle. "Grâce à sa capacité à mieux contrôler la chaleur, vous n'avez pas besoin d'avoir une température aussi élevée qu'avec un oxyde d'aluminium ou une céramique renforcée par des moustaches", a-t-il déclaré. "Pour quelqu'un qui fraise avec une fraise de 3/8 ou 5/16"- [9,53 ou 7,94 mm] de diamètre, cela signifie qu'elle tourne à 20 000 contre 25 000 tr/min ou plus. Les vitesses de broche plus faibles peuvent faire une grande différence de prix pour quelqu'un qui regarde un nouvel équipement."

Broche rapide ou non, Dillaman a suggéré que tout tour ou centre d'usinage CNC équipé d'outils de coupe en céramique doit être rigide et bien entretenu, tout comme son serrage. Toute vibration aura un effet négatif sur les inserts en céramique ou les outils solides, donc le succès dépend souvent de l'évitement des équipements plus anciens, où les roulements de broche et les surfaces de guidage peuvent avoir "juste assez de jeu" pour créer des problèmes de durée de vie de l'outil et des pannes inattendues.

"Lorsque vous appliquez les vitesses et les avances plus élevées associées à la céramique, cela illustre définitivement les défauts du système mécanique", a-t-il déclaré. "En fait, nous constatons souvent des différences de performances spectaculaires d'une machine à l'autre, même si nous exécutons exactement les mêmes paramètres et que les machines elles-mêmes sont par ailleurs identiques."

Luke Pollock, chef de produit chez Walter USA LLC, Waukesha, Wis., a également des qualités relativement nouvelles dans sa gamme de céramiques. Il s'agit notamment des fraises MC275 et MC075 Prototyp, toutes deux disponibles en configurations à tête brasée ou modulaire "ConeFit", et toutes deux conçues pour l'ébauche des superalliages à base de nickel. Qu'il s'agisse des fraises en bout de Walter ou d'une marque concurrente, cependant, Pollock a suggéré que ce qui était le plus nécessaire, c'était un changement de mentalité. "Selon l'alliage, vous pouvez fonctionner à des vitesses de coupe de 3 000 à 4 000 pieds par minute, et vous le ferez sans liquide de refroidissement", a-t-il déclaré. "Cela signifie que vous aurez cette grosse boule de feu à l'intérieur de la machine ; si c'est la première fois que vous la voyez, vous allez probablement chercher le bouton d'arrêt. Et au lieu d'obtenir 45 minutes d'une fraise en bout, vous devrez peut-être la remplacer après 10 minutes ou même moins, au cours desquelles elle s'usera peut-être de 0,02" [0,51 mm] ou plus sur le diamètre. C'est juste une expérience complètement différente de l'usinage au carbure. »

Différent ou pas, tout cela est parfaitement acceptable, a-t-il ajouté, car une fois que les machinistes auront dépassé la courbe d'apprentissage initiale, ils découvriront rapidement qu'ils enlèvent huit à 10 fois plus de matière par minute qu'avec le carbure. Cela dit, il est important de surveiller les outils de coupe, quelle que soit leur composition. Pollock a noté que, dans le cas de la céramique, une fraise en bout peut sembler "complètement brûlée" mais coupera toujours bien.

Plutôt que de changer d'outils en fonction de leur apparence, les opérateurs doivent plutôt écouter la machine et regarder les compteurs de charge pour savoir quand un outil en céramique est prêt pour le bac de recyclage. "Il est surprenant de constater à quel point ils peuvent s'user et continuer à couper, mais il est important de les retirer avant qu'une défaillance catastrophique ne se produise", a-t-il déclaré.

Justin Messerschmidt, responsable technique des outils de coupe chez Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, a convenu de la capacité de la céramique à résister à des vitesses de coupe élevées et à des vitesses d'avance proportionnellement élevées. Cependant, il est loin d'être aussi indulgent que le carbure et ne tolère généralement aucune vibration. De plus, la céramique doit être appliquée dans les paramètres opérationnels relativement stricts du fabricant, sinon tous les paris sont ouverts.

"La capacité de la céramique à maintenir la résistance des bords à des températures élevées est phénoménale, mais comme elle est nettement plus fragile que le carbure, elle n'est peut-être pas le meilleur choix pour les coupes interrompues ou sur des machines-outils moins performantes", a déclaré Messerschmidt.

Malgré ces avertissements, le chef de produit pour les outils de coupe, Robert Bokram, a proposé quelques conseils pour les situations d'usinage moins qu'optimales. "Ceratizit est très actif sur le marché automobile, où les moulages et les pièces forgées sont courants", a-t-il déclaré. "Ici, il est important de passer sous la 'peau' lors de la première passe, puis de faire varier la profondeur de coupe lors des passes suivantes, de manière à répartir l'usure de manière uniforme sur la plaquette autant que possible. Nous recommandons également d'utiliser un rayon de bec aussi large que possible avec la céramique et d'essayer de maintenir une pression d'outil constante pour minimiser les chocs."

Comme Pollock, Bokram a noté qu'une défaillance catastrophique est plus probable avec la céramique en raison de sa fragilité, et que les opérateurs doivent inspecter régulièrement l'usure jusqu'à ce qu'un processus stable soit atteint. Une partie de cette stabilité dépend d'une bonne hygiène du porte-outil - nettoyez soigneusement la poche lors du changement des plaquettes, remplacez les colliers et les cales usés le plus tôt possible et utilisez toujours une clé dynamométrique pour serrer les vis du porte-outil.

"La stabilité est essentielle avec les inserts en céramique, mais ils n'ont généralement pas de trous et doivent être serrés différemment du carbure", a déclaré Bokram. "Donc, qu'il s'agisse d'une pince supérieure ou d'une pince à coin, il y a une sorte de conception de griffe pour la maintenir solidement en place. Mais parce que les copeaux qui se dégagent de la pièce sont si chauds et abrasifs, nous avons opté pour une pince supérieure en carbure surdimensionnée pour éviter l'usure prématurée qui peut se produire avec le matériel de serrage en acier."

Une chaleur élevée peut causer d'autres problèmes, d'autant plus que la plupart des usinages céramiques sont effectués sans fluide de coupe. Par exemple, les ateliers doivent toujours utiliser un système de dépoussiérage pour éliminer la fumée et les petites fines métalliques résultant de l'usinage à sec, quel que soit l'outil de coupe ou le matériau de la pièce, et c'est une bonne idée d'avoir un extincteur à portée de main.

Ce dernier conseil est devenu très clair lors d'une récente visite de Bokram dans un atelier qui souhaitait tester une application de fraisage de céramique en Inconel. Le problème était qu'ils avaient utilisé du fluide de coupe sur un autre travail la veille, et les résidus de liquide de refroidissement séchés sur les surfaces de la machine ont en fait pris feu après être entrés en contact avec des copeaux chauffés au rouge. "Assurez-vous d'essuyer la machine-outil avant de couper avec de la céramique et assurez-vous qu'il n'y a rien d'inflammable autour de la zone de travail", a-t-il déclaré.

Lothar Unglaub n'est pas nécessairement d'accord avec l'approche "sec uniquement". Directeur de la gestion du portefeuille marketing pour les plaquettes chez Kennametal Europe GmbH, Rheinfall, Suisse, il a connu un grand succès avec les alliages et les céramiques haute température, mais uniquement lorsqu'ils sont appliqués correctement. "L'usinage de la fonte est toujours effectué à sec, mais avec les matériaux aérospatiaux, certains clients ont atteint jusqu'à dix fois la durée de vie de l'outil en inondant complètement la zone de coupe avec un liquide de refroidissement à haute pression", a-t-il déclaré. "La seule mise en garde est qu'il ne doit y avoir aucun espace dans la couverture de fluide, sinon un choc thermique peut se produire, entraînant une défaillance rapide de l'outil."

Unglaub compare les outils de coupe en céramique aux tasses à café, en ce sens qu'il est possible d'appliquer une immense pression d'une direction avec une relative impunité, mais d'appuyer simultanément sur plusieurs côtés et la céramique échouera. C'est pourquoi une configuration rigide est si importante, car elle élimine les vibrations qui détruisent la plupart des outils de coupe, mais surtout ceux composés de céramique. Pour cela, utilisez toujours l'outil le plus court possible, ce qui est un bon conseil peu importe ce que vous coupez ou comment vous le coupez.

Les trajectoires d'outils sont tout aussi importantes, a-t-il déclaré, recommandant que certaines méthodes de programmation soient appliquées lors de l'usinage avec des outils en céramique. Par exemple, toute personne tentant de fraiser une fente en une seule passe ou d'employer autrement une approche "accaparante" ne réussira généralement pas. Au lieu de cela, il est de loin préférable de suivre une stratégie de fraisage trochoïdal, en utilisant des profondeurs de coupe plus petites et moins profondes, mais à des vitesses et des avances très élevées par rapport au carbure, enlevant ainsi beaucoup plus de matière dans le même laps de temps.

D'autres sources interrogées pour cet article ont appuyé l'idée, ajoutant que les ateliers devraient entrer et sortir de la pièce pour réduire les chocs, éviter d'enterrer les outils dans le coin et faire tout ce qui est nécessaire pour éliminer la recoupe des copeaux - dans la plupart des cas, cela est mieux réalisé avec un jet d'air comprimé continu. Unglaub a également noté que les outils de coupe négative sont préférés dans 90 % de toutes les applications d'usinage de la céramique, car ils offrent la plus grande stabilité des bords. Enfin, formez les opérateurs de machines, non seulement sur la façon d'appliquer les outils de coupe en céramique, mais aussi sur ce à quoi s'attendre lorsqu'ils poussent le démarrage du cycle.

"Chaque fois que je travaille avec un nouveau client, il est choqué lorsque les étincelles commencent à voler", a déclaré Unglaub. "Ils essaient immédiatement de réduire les vitesses et les avances parce qu'ils sentent que quelque chose ne va pas. Cependant, c'est la pire chose que vous puissiez faire, car la céramique a une plage de fonctionnement assez étroite. Donc, comme moi et d'autres l'avons dit, veillez à éliminer toute vibration et tout porte-à-faux, appliquez les paramètres de coupe et les parcours d'outil recommandés, et faites particulièrement attention à nettoyer la poche de la plaquette et à appliquer le bon couple de serrage lors du serrage de l'outil. Ce sont les points clés pour assurer le succès."

Jason Wells est le président et chef de la direction de Kyocera SGS Tech Hub à Danville Va., la nouvelle branche de recherche et de formation de Kyocera SGS Precision Tools Inc., Cuyahoga Falls, Ohio. Il s'empresse de souligner que, si la société mère Kyocera possède une vaste expérience des outils de tournage en céramique, SGS a historiquement concentré ses efforts sur le carbure, et que les outils ronds en céramique et les applications de fraisage sont récemment devenus un terrain fertile pour cette entreprise vieille de 70 ans.

Dit Wells, "Nous voyons un énorme potentiel pour les outils de coupe en céramique sur les marchés de l'aérospatiale et de l'automobile, nous nous sommes donc associés à plusieurs organisations différentes - la NASA, Airbus, Siemens et CCAM (le Commonwealth Center for Advanced Manufacturing à Richmond, Virginie) parmi eux - pour faire des recherches sur les céramiques avancées et déterminer les géométries, les nuances et les revêtements optimaux nécessaires pour des performances maximales."

Les premiers résultats illustrent l'importance d'utiliser le bon équipement et l'outillage pour l'usinage de la céramique - dans un cas, une nuance qui "a lamentablement échoué" sur une machine de base a parfaitement fonctionné sur une machine avec des caractéristiques de performance plus élevées, renforçant ce que Dillaman de Greenleaf a dit au début de cet article. Ils ont également constaté que les trajectoires de coupe jouent un rôle tout aussi crucial dans la longévité de l'outil et qu'une évacuation efficace de la chaleur est tout aussi importante.

Pour résoudre ce dernier point, Kyocera SGS a travaillé avec le fabricant d'outillage japonais MST sur un porte-outil spécial "ventilé" spécifiquement pour les outils ronds en céramique. "De par leur nature même, les alliages à haute température ont une faible conductivité thermique, l'accumulation de chaleur est donc un réel problème", a déclaré Wells. "La conception unique du porte-outil est destinée à éliminer la croissance thermique dans l'axe Z qui peut se produire en raison de l'absorption de chaleur excessive par la broche de la machine pendant les opérations de fraisage, tout en saisissant l'outil de manière sûre et précise. C'est un excellent exemple des efforts que nous et d'autres fabricants déployons dans ce domaine, ainsi que des opportunités qui existent avec les outils de coupe en céramique."

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