Repousser les limites avec la céramique

Sep 28, 2023

Selon Bernie McConnell, vice-président exécutif, commercial, de Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvanie, le développement d'opportunités révolutionnaires pour les nuances de carbure dans l'usinage est pratiquement épuisé.

"En dehors de faire différentes choses avec les revêtements, la géométrie et la préparation des bords, il n'y a qu'un nombre limité de façons de mélanger et de mélanger les matériaux en carbure", a-t-il déclaré. "La plupart des développements technologiques passionnants concernent le côté céramique de l'entreprise." C'est à la fois pour les outils de coupe et les pièces. "Qu'il s'agisse d'aller très vite, de faire face à une chaleur extrême ou à des caractéristiques d'usure abrasive, la céramique repousse les limites dans diverses applications. Les capacités de la céramique d'aujourd'hui sont incroyables et continuent de s'améliorer."

La céramique reste une excellente solution pour les alliages à haute température et les matériaux abrasifs, avec la possibilité d'atteindre des taux époustouflants. En fait, les vitesses de fraisage dans les alliages haute température vont de 2 800 à 4 400 pieds de surface par minute (SFM), selon Robert Navarrete, spécialiste national des produits pour le tronçonnage, le rainurage et le tournage chez Iscar USA.

"Pour le fraisage, je commence généralement à environ 3 400 SFM, j'évalue l'usure de la plaquette et j'ajuste les paramètres en conséquence", a-t-il expliqué. "Pour le tournage, selon la capacité de la machine, vous seriez entre 600 et 1 100 SFM dans les alliages haute température."

Mais ce n'est pas nouveau. Navarrete a noté qu'un certain nombre de magasins sont familiers avec ces capacités basées sur l'expérience de la céramique renforcée de moustaches, qui est une technologie vieille de plusieurs décennies. Au lieu de cela, il a vanté les nouvelles céramiques de silicium, d'aluminium, d'oxygène et d'azote (SiAlON). "Vous pouvez utiliser les mêmes paramètres de type whisker à moindre coût, car les SiAlON sont moins chers à produire que les whiskers", a déclaré Navarrete. "Je ne suis jamais allé dans un magasin, j'ai spécifié et cité un SiAlON et j'ai été plus cher qu'un cheveu. Cela ne s'est pas produit."

La différence de prix peut facilement être de 25 à 30 %, a-t-il ajouté, citant le cas d'une céramique renforcée par des whiskers ayant une durée de vie de sept minutes, contre six minutes pour le SiAlON. Mais, avec un prix inférieur de 25 %, cela équivaut à une économie de 7 % en faveur du SiAlON. "Plus d'un an d'utilisation, c'est une énorme économie", a affirmé Navarrete. "La céramique n'est pas bon marché."

Un autre avantage : les SiAlON sont "beaucoup plus indulgents qu'une moustache", a-t-il poursuivi, et par conséquent, ils peuvent fonctionner à des vitesses inférieures, sans la plastification normalement requise pour la coupe de la céramique à moustaches. "Si j'avais une pièce avec une coupe interrompue, comme une pièce forgée avec une écaille ou tout type de croûte, j'utiliserais un SiAlON, par opposition à une moustache."

Iscar propose des SiAlON "durs" et des versions "dures". Ce dernier est annoncé comme "ressemblant à des moustaches", car il imite la nature dure et cassante de la céramique renforcée par des moustaches.

Selon Martin Dillaman, directeur mondial de l'ingénierie et des applications de la société, les céramiques renforcées de whiskers aux performances supérieures de Greenleaf continuent d'avoir des applications à valeur ajoutée, en raison de leur dureté à chaud plus élevée et de leurs capacités de vitesse d'alimentation plus larges. Par exemple, a-t-il déclaré, "vous ne finirez généralement pas avec un SiAlON dans des alliages résistants à la chaleur, car ils fonctionnent à une vitesse d'alimentation plus élevée qui dépasse l'exigence de finition de surface de la pièce. Vous devez donc utiliser une céramique renforcée par des moustaches si vous voulez maintenir la vitesse et la finition".

Dillaman a ajouté que de nombreuses entreprises aérospatiales effectuent des tests soniques sur leurs pièces en alliage résistant à la chaleur, en vérifiant les imperfections mineures de la surface. Mais dans tous les cas qu'il connaît, "la finition de surface laissée par un SiAlON ne passera pas les tests soniques, alors que nos céramiques renforcées de moustaches WG300 et revêtues WG600 ont été approuvées pour ces tests. Il y a donc certainement des zones où les moustaches ne seront pas remplacées par un SiAlON".

Greg Bronson, directeur des ventes de Greenleaf pour les Amériques, a élaboré. "Parce que le bord de la céramique de qualité moustache résiste mieux, vous n'obtenez pas le même niveau de génération de chaleur et le maculage du matériau qui pourrait faire échouer les tests de surface supplémentaires."

La forme de puce GF1 de Greenleaf contribue également au succès de la finition. La forme est meulée dans le haut de l'insert, jusqu'au bord de coupe, et est offerte sur toutes les qualités de moustaches de Greenleaf. "Cela aide à réduire la pression de coupe, ce qui réduit le risque de tout type de défaillance lors de l'inspection de la qualité", a déclaré Dillaman.

En général, la dureté à chaud plus élevée des céramiques renforcées par des whiskers, par rapport aux SiAlON, permet au WG300 de fonctionner dans des alliages résistants à la chaleur à des vitesses supérieures de 10 à 20 %, mais à une vitesse d'alimentation réduite, ce qui est nécessaire pour la finition, selon Bronson. « Notre WG600 revêtu irait encore 20 % plus vite, donc vous seriez environ 30 à 40 % plus rapide qu'un SiAlON. Et notre WG700 nano-revêtu est encore 20 % plus rapide, donc vous seriez proche de 50 à 60 %. 700 excelle également dans le découpage interrompu de René.

Bien que chimiquement similaire à un SiAlON, la célèbre céramique XSYTIN-1 de Greenleaf est un nitrure de silicium durci en phase. "La façon dont il est pressé provoque la croissance d'une structure cristalline à l'intérieur du matériau", a expliqué Bronson. En conséquence, a-t-il déclaré, l'entreprise peut "généralement exécuter des vitesses d'alimentation 20 à 30 % plus élevées avec XSYTIN-1 que la plupart des SiAlON", même si XSYTIN-1 a une limite de vitesse similaire, car les liants se décomposent à une température similaire.

Le plus récent appel pour des outils de coupe en céramique vient de la nécessité de nettoyer les plaques de construction après l'impression 3D en métal. Bronson a répertorié le cobalt chrome pour les produits médicaux, l'Inconel 718 pour l'aérospatiale, le Haynes 282 pour les moteurs de fusée, le Rene 220 pour la production d'électricité et le Rene N2 comme alliages difficiles avec lesquels l'entreprise est invitée à traiter. Ces matériaux sont difficiles à usiner lorsqu'ils sont forgés, et Bronson a expliqué que leur impression ajoute un autre degré de difficulté car le processus de frittage au laser laisse du tartre entre les couches.

"Cela bat le carbure de manière significative. Vous obtenez beaucoup d'écaillage et une usure excessive. Les clients espéraient donc que la céramique pourrait passer à travers cela."

Ces pièces imprimées sont généralement coupées de la plaque de construction avec un fil EDM, laissant 0,200-0,300" (5,08-7,62 mm) de structure de support à retirer, a déclaré Bronson. "Ensuite, ils veulent nettoyer la plaque de base afin de pouvoir imprimer à nouveau. Alors ils enlèveront 15 ou 20 mille de l'assiette."

La première incursion de Greenleaf a consisté à retirer 31-35 HRC Haynes 282 imprimé sur une plaque d'acier inoxydable. En raison de la configuration de la pièce, l'impression nécessitait un ensemble très variable de portes, de contremarches et de structures de support, a rappelé Bronson. "Certains étaient épais, d'autres minces. Certains étaient grands. Ils étaient partout. Donc, par nature, c'était très interrompu. De plus, Haynes est très abrasif."

Curieusement, a-t-il ajouté, le matériau inoxydable plus tendre présentait un défi encore plus grand pour le carbure. Une fois qu'un outil conçu pour le matériau le plus résistant heurtait l'acier inoxydable, il échouerait. C'est probablement parce que la gomme de l'acier inoxydable a inhibé la formation de copeaux. La solution de Greenleaf consistait à utiliser la céramique XSYTIN-1 dans une petite fraise à surfacer avec des inserts RNG45. La force de XSYTIN-1 permet à l'utilisateur de "s'en tirer avec un bord plus net", a déclaré Bronson. "Cela vous permet de passer à travers le matériau dur, mais il ne s'étale pas dans le matériau plus doux, grâce à la géométrie plus nette."

De plus, là où la nature abrasive du matériau avait obligé le client à prendre des profondeurs de coupe très faibles, s'élevant à seulement 0,015" à 0,025" (0,38-0,635 mm), Greenleaf a augmenté la profondeur de coupe entre 35 et 50 mille. "Et au lieu de devoir faire peut-être cinq, six ou sept passages avec du carbure, nous pouvons en prendre deux ou trois avec de la céramique et nettoyer toute la plaque", a déclaré Bronson. En fait, sur six de ces projets sur lesquels il a travaillé, les dommages aux bords nécessitaient généralement l'indexation de l'outil en carbure après un seul passage à travers le matériau fritté au laser. Alors que la céramique "a duré à chaque passage que nous avons dû faire", a observé Bronson.

Un article de Manufacturing Engineering de 2021 sur les outils en carbure, "Une solution improbable mais puissante", incluait le fait curieux que les inserts en céramique peuvent ressembler à l'enfer et toujours bien couper. La clé de cette capacité, a expliqué Navarrete, est l'état du bord. "Il y a tellement de chaleur dans ces inserts, surtout si vous les faites fonctionner à sec, ils ont l'air brûlés. Mais la préparation des bords est toujours là. Vous pouvez le retirer et observer qu'il est sombre ou carbonisé, mais une fois que vous recommencez à couper, il brûle - on pourrait presque dire - comme un barbecue. Une fois que le seuil de température d'usinage est atteint, les résidus de matériau chauffent et se détachent de la céramique et la préparation des bords est à nouveau enclenchée."

Plutôt que de vous soucier de l'apparence trompeuse de l'insert ou de concentrer votre attention sur le bord, Navarrete a recommandé de simplement fixer une limite de temps. "La céramique est très sensible aux chocs, mais aussi prévisible." Il a suggéré de commencer par un temps de coupe programmé relativement court (TIC), puis d'inspecter le bord. "Je commence généralement avec trois minutes et demie comme point de départ. Une fois que nous avons trouvé un point idéal où tout le monde est à l'aise, nous pouvons nous ajuster en conséquence en ajoutant ou en diminuant le temps d'insertion en coupe.

Nous voulons trouver un TIC où nous pouvons ensuite indexer en toute sécurité à chaque fois et savoir qu'il n'échouera pas. Le fraisage peut durer de 7 à 10 minutes, comme on pouvait s'y attendre. »

Bien sûr, tout cela dépend de la bonne préparation des bords pour commencer. "Pour les coupes de finition dans les alliages à haute température, nous spécifierions un bord affûté", a déclaré Navarrete. C'est la coupe la plus libre. Pour "la coupe intermédiaire, comme la semi-finition ou la semi-ébauche, nous opterions pour un chanfrein, que nous appelons un T-land. C'est un peu plus fort. S'il s'agit purement d'ébauche, avec beaucoup de matière qui se détache, ou si nous allons usiner l'échelle ou la croûte, nous allons avec ce que nous appelons une préparation des bords TE. C'est un chanfrein et un affûtage. manger."

Cependant, a-t-il souligné, la fragilité de la céramique est souvent exagérée. "La céramique peut prendre des coups, il suffit de la programmer et de l'aborder correctement." Sur cette note, a-t-il averti, tout passage d'un outil en carbure à un outil en céramique nécessite une reprogrammation de la coupe. "Vous ne devez pas brancher un outil en céramique dans un programme au carbure."

Ni Greenleaf ni Iscar ne partagent les secrets de fabrication de leurs outils. Mais Better Edge, basé à Scottsdale, en Pennsylvanie, donne un aperçu du défi que représente le meulage de la géométrie de coupe finale. Alors que l'entreprise se concentre sur les outils de coupe en carbure spécialisés, Better Edge a récemment obtenu un projet de meulage d'une fraise en bout à six cannelures d'un diamètre d'un demi-pouce pour un client de l'aérospatiale. Les outils sont arrivés usés, donc Better Edge a coupé la partie coupante, puis a rectifié une nouvelle géométrie dans l'ébauche restante.

Bien qu'elle n'ait aucune expérience préalable avec la céramique, l'entreprise a résolu rapidement les écarts requis par rapport à ses méthodes au carbure. Il n'y avait que deux problèmes. Le premier, a expliqué Brian Shaffer, vice-président des opérations et de la qualité, était l'usure des roues.

"Au départ, nous utilisions une meule Toolgal avec un liant hybride plus dur et plus performant, le RM644, notre liant incontournable lorsque nous recherchions une durée de vie plus longue pour les cannelures. Mais dans les outils en céramique à cannelures, il s'usait plus vite que nous l'aurions souhaité."

Pour aider à résoudre le problème, Better Edge a contacté David Ginzburg, qui est le président d'Elberton, en Géorgie, Toolgal USA Corp. Ginzburg a conseillé d'essayer la nouvelle liaison à cannelure hybride RM769G. Cela aurait pu sembler contre-intuitif, car le RM769G est une liaison plus souple, mais il a en fait mieux fonctionné et a prolongé la durée de vie de la roue. Selon Ginzburg, la qualité différente du diamant de la meule et la meilleure rétention du diamant par le liant permettaient une coupe plus libre et convenaient au cannelage de la céramique. Les temps de cycle étaient juste un peu plus lents que le carbure, environ une demi-heure par outil, a ajouté Shaffer.

Le deuxième problème avec le meulage de la céramique est qu'elle produit des copeaux fins et laiteux qui obstruent les filtres de liquide de refroidissement plus rapidement que le carbure. Better Edge a résolu ce problème en changeant les filtres plus fréquemment, mais a décidé que s'ils devaient continuer à broyer la céramique, ils devraient dédier un filtre à cette application.

Comme mentionné précédemment, la céramique peut également servir de pièces d'usure ou d'autres composants qui doivent survivre à des conditions difficiles. Greenleaf exploite une division "céramique technique" pour de telles applications et forme son personnel d'outillage pour garder un œil ouvert. McConnell a déclaré qu'un ingénieur avait récemment remarqué qu'un opérateur changeait les roues de guidage en carbure sur l'appareil de mesure d'un grand laminoir. Cette jauge doit rouler en permanence le long d'une immense surface en acier, mesurant la rondeur et la taille, il y a donc une usure importante. Comme solution, Greenleaf a proposé au client des céramiques qui durent 10 à 15 fois plus longtemps.

Comme autre exemple, McConnell a souligné les douilles de guidage pour le forage de trous profonds. "Dans le passé, ils auraient été en carbure ou en acier trempé. Maintenant, nous les fabriquons en céramique et ils durent 20 fois plus longtemps. Les possibilités sont donc en quelque sorte illimitées."

Si vous avez besoin d'un troisième exemple, vous ne pouvez pas faire mieux qu'une ligne qui produit 2 000 canettes de boisson en aluminium par minute. Selon Jim Beavers, directeur des ventes du groupe Danobat à Rolling Meadows, dans l'Illinois, la matrice de rétreinte qui forme les parois de la boîte pour accepter le couvercle était traditionnellement en carbure, "mais au fil des ans, ils ont découvert que la céramique HIP (pressée isostatiquement à chaud) a une durée de vie plus longue, car elle a un meilleur transfert de chaleur et une meilleure capacité d'usure". La version que Danobat voit le plus souvent est le polycristal de zircone tétragonale d'yttria (YZTP), que Beavers a rapporté comme "se situant à 81 sur l'échelle de Rockwell et à 1 300 sur le Vickers. Donc certainement un matériau difficile".

Ce n'est pas tout. Le dé a une forme assez complexe, à l'intérieur comme à l'extérieur, plus une fente. "La tolérance de profil est de deux dixièmes. Et l'autre aspect important est la tangence sur le rayon par rapport à l'angle où ils se croisent", a expliqué Beavers. Ça s'empire. "Les clients demandent que l'alésage intérieur vienne de la machine jusqu'à deux micropouces. Nous devons donc fournir une finition polie."

Danobat relève ces défis avec sa machine Overbeck IRD, équipée d'une tête de roue à quatre broches. Le meulage de la forme nécessite une interpolation sur trois axes (X, Z et B0), ainsi que les quatre broches. Par exemple, le meulage de l'extérieur de la forme nécessite une grande meule OD, tandis que des meules beaucoup plus petites s'attaquent à la forme intérieure. L'obtention de la finition de surface requise nécessite également l'utilisation de plusieurs abrasifs pour l'ébauche ainsi que la finition, a ajouté Beavers.

"Beaucoup de gens n'apprécient pas à quel point les tolérances dimensionnelles et de forme sont strictes sur ces pièces", a observé Daniel Rey, président du distributeur Danobat Rey Technologies, St. Charles, Illinois. "Et l'une des raisons pour lesquelles Overbeck a réussi à les satisfaire est d'utiliser du granit naturel solide comme base de machine. Entre autres choses, cela gère toutes les fluctuations de température dans un magasin. Overbeck utilise également des moteurs linéaires, ce qui est un autre avantage sur certains concurrents."

De plus, les castors de Danobat ont déclaré que prêter la "plus grande attention" à la stabilité thermique de la machine signifie incorporer un refroidissement liquide dans les têtes de travail. La filtration du liquide de refroidissement doit également être au "niveau le plus élevé", a-t-il déclaré. Ainsi, en plus d'un système standard, l'entreprise ajoute des filtres à cartouche jusqu'à cinq microns, ainsi que des refroidisseurs pour maintenir une température constante.

Donc, voilà. La céramique offre des solutions exceptionnelles aux défis d'usinage difficiles, et le défi de l'usinage de la céramique elle-même peut également être relevé avec la bonne technologie et la volonté de repousser les limites.

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