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L'un des défis à relever lorsqu'on alèse une pièce susceptible de s'écrouir est de savoir identifier si le trou préalésé est déjà écroui.
« Le plus gros problème, c'est que la plupart du temps l'opérateur qui alèse la matière écrouie ne s'en rend pas compte », explique Harvey Patterson, directeur de développement produit pour Scientific Cutting Tools Inc., à Simi Valley en Californie.
Résultat, il programme généralement sa machine pour aléser avec des paramètres adaptés à un métal qui n'est pas écroui, comme l'acier doux par exemple, et se retrouve avec un outil à la durée de vie écourtée, ajoute-t-il. Pourtant, il se peut que le trou se soit déjà écroui parce qu'il a été percé avec un foret émoussé ou inadapté à la tâche, et l'utilisateur final doit réparer les effets de la mauvaise opération.
« Très souvent, le fabricant de la barre d'alésage reçoit un coup de téléphone qui lui dit que l'outil ne tient pas aussi longtemps qu'avant – Qu'est-ce qu'il se passe ? Vous faites des outils de qualité inférieure, maintenant ? – alors que ça n'a rien à voir », constate Patterson.
Sarang Garud, directeur produits d'usinage, d'alésage et de forets indexables chez Walter USA LLC, à Waukesha dans le Wisconsin, est entièrement d'accord. « Un foret émoussé ou mal utilisé va former un trou salement écroui », déclare-t-il. « Vous pourrez bien appliquer toutes les meilleures pratiques que vous voulez pour aléser, vous devrez payer le prix d'une ébauche mal faite. Au lieu de s'en prendre au fabricant de l'outil à aléser, un bon ingénieur d'application doit être capable d'identifier l'écrouissage rien qu'en regardant l'état de l'insert après l'usinage. »
Les matières sensibles à l'écrouissage comprennent les superalliages à base de nickel, comme par exemple l'Inconel 718, et les aciers inoxydables duplex et austénitiques, fait remarquer Garud.
Il explique que la matière a d'autant plus tendance à s'écrouir qu'elle est exposée à l'échauffement engendré par l'usinage dans la pièce à travailler. Les matières ont même tendance à s'écrouir lorsqu'il y a un réalignement de la structure de leur cristaux pendant un travail à froid, comme par exemple la mise sous contrainte, le pressage ou le brunissage. Toutefois, « la structure cristalline de la matière se réorganise beaucoup plus facilement à l'état chauffé. »
Contrôle des copeaux
Selon Patterson, pour savoir si le perçage a causé l'écrouissage de la matière, il faut se livrer à un examen visuel des copeaux produits pendant l'opération. Parce qu'il est impossible d'évaluer les signes d'écrouissage pendant l'alésage, du fait des conditions (copeaux qui volent et fluide de coupe qui éclabousse), le machiniste va devoir fouiller parmi les copeaux et examiner les plus gros, ceux produits pendant le perçage, en les comparant à ceux issus de l'alésage.
« Les copeaux peuvent paraître beaucoup plus sombres à l'œil », explique-t-il pour décrire ceux issus de la matière écrouie, « ce qui veut dire que je chauffe plus, et que cet échauffement provoque l'écrouissage de la matière. Examiner les copeaux de l'opération précédente constitue probablement le contrôle le plus rapide. »
Selon Garud, un défaut d'homogénéité dans la brillance et la glissance de la surface alésée est une autre indication visuelle de l'écrouissage. Lorsque l'alésage est à l'origine du problème, l'écrouissage est habituellement détecté comme un symptôme, notamment d'usure en entaille et d'écaillage de l'insert, après la première passe. Par ailleurs, lorsqu'on alèse une pièce écrouie dont une partie est à paroi mince, la paroi tend à fléchir sous l'action des forces excessives.
« Certaines techniques non destructives, par ultrasons par exemple, peuvent aider, mais les ateliers ne sont pas tous équipés ni formés pour cela », déclare Garud. « Les essais en labo ou les essais destructifs, qui consistent par exemple à ouvrir l'alésage en deux et à tester la pièce avant et après l'usinage sur une machine d'essai de dureté, sont également possibles. »
Ben Morrett, directeur produit pour Allied Machine & Engineering Corp. à Dover dans l'Ohio (USA), renchérit sur le fait que le contrôle et la formation des copeaux donnent des indices supplémentaires.
« Lorsqu'un copeau se brise dans une matière connue pour en produire peu », explique Morrett, « c'est que votre matière est probablement écrouie. »
Les géométries à l'œuvre
Pour prévenir l'écrouissage tout en alésant efficacement un trou, Morrett explique qu'Allied propose un insert conforme à la norme ISO avec une géométrie positive de l'arête de coupe, qui passe sous le copeau pour le cisailler et réduire l'échauffement généré pendant l'alésage.
« Cette géométrie constitue un bon point de départ pour les matières sensibles à l'écrouissage, elle est disponible dans trois tailles ISO différentes », complète-t-il.
Un léger arrondi sur l'arête de coupe est également bénéfique pour aléser les matières susceptibles de s'écrouir. Patterson souligne le fait qu'une entaille peut se former à la ligne de profondeur de coupe de l'outil lorsqu'on alèse un trou écroui, et l'arrondi aide à arrêter l'usure en entaille.
Garud préconise de varier la profondeur de coupe de chaque passe si l'opération et la quantité disponible de matière à enlever l'autorisent. Quand cette approche est impraticable, utilisez un outil à rayon de coupe et rayon de bec vifs pour atténuer l'effort radial de coupe et choisissez une profondeur de coupe bien au-delà du rayon de bec, ajoute-t-il. « Prévoyez la profondeur de coupe bien à l'avance. »
Morrett ajoute que l'insert Allied possède également un revêtement multicouches PVD au nitrure-aluminium-titane pour l'usinage de finition des alliages haute température et des aciers inoxydables difficiles à usiner.
« Ce revêtement présente d'excellentes qualités de résistance à la chaleur et d'adhérence de la matière, qui évitent la formation d'une arête rapportée », explique Morrett. « Notre combinaison substrat/revêtement WHC111 donne de très bons résultats avec les matières jusqu'à 58 de dureté Rockwell. »
Patterson confirme qu'un outil à revêtement TiAlN est efficace pour aléser une matière écrouie. Pourtant, nombreux sont les fabricants de pièces à utiliser des outils sans revêtement, parce qu'ils sont moins coûteux et adaptés aux métaux plus tendres. « Mais si vous l'écrouissez, il y a des chances que vous ayez besoin du revêtement. »
Vaincre l'échauffement
Lorsqu'un utilisateur final se rend compte qu'il n'alèse plus dans une matière tendre, un acier recuit par exemple, mais que son alésage est écroui, Patterson recommande de réduire la vitesse de coupe, jusqu'à 30 %.
Pour aléser les matières susceptibles de s'écrouir, Morrett est d'accord sur le fait qu'une réduction de la vitesse de coupe est nécessaire. Toutefois, on peut augmenter l'avance pour aider à maintenir le taux de pénétration et prévenir l'écrouissage. « Il ne faut pas avoir peur des avances plus rapides pour entrer et sortir rapidement de la coupe », explique-t-il, « parce que plus vous restez longtemps en coupe, plus vous avez de chances d'écrouir la matière. Pour aléser ces matières, nous utilisons plus ou moins la même approche que pour les percer. »
Garud ajoute qu'avec une avance extrêmement lente, l'outil d'alésage arrache la matière plutôt qu'elle ne la cisaille. « Un métal cisaillé net implique un transfert moindre d'énergie au système pour faire le même travail, et cela conduit à moins d'écrouissage. »
Une autre méthode courante pour lutter contre l'échauffement consiste à arroser de lubrifiant, surtout si celui-ci est dirigé avec précision à l'interface outil/pièce. « L'arrosage au travers de l'outil aide assurément », explique Patterson. « Le lubrifiant est amené jusqu'au fond du trou, d'où il en est chassé. »
Il ajoute que lorsqu'on arrose de lubrifiant par l'entrée du trou et non au travers de la barre d'alésage, son passage est gêné par les obstacles que constituent, par exemple, les copeaux et la barre en elle-même. « La probabilité pour que vous ayez de l'écrouissage de cette manière est accrue. »
Morrett observe que « En ce qui concerne la pression d'arrosage, la plupart des utilisateurs réussissent à travailler avec des fluides d'usinage à moins de 400 ou 500 psi de pression, et pour aléser il n'est pas nécessaire d'avoir un arrosage à 1 000 psi. »
La dureté, facteur important
Même si le nitrure de bore cubique polycristallin est le matériau de choix pour aléser dans le dur, il n'est pas adapté pour aléser les trous n'ayant pas subi de traitement thermique, même si la pièce est dans une matière ayant tendance à s'écrouir. La raison en est que, comme expliqué précédemment, il est difficile de savoir si la matière est écrouie. Et il y a donc toutes les chances qu'elle ne le soit pas si les outils utilisés tout au long des opérations de perçage et de finition sont récents et affûtés, explique Patterson.
« Si votre matière n'est pas à 45 au moins de dureté Rockwell, un outil à arête CBN ne marche pas bien », observe Patterson. « Quand vous usinez de l'acier doux au CBN, celui-ci s'use vraiment vite, plus vite qu'un outil au carbure. Mais quand vous dépassez le 45 Rockwell, le CBN fonctionne bien mieux que les outils standards au carbure. »
Pour compléter, Morrett observe que les inserts à arêtes au PCBN ont une géométrie de coupe adoucie qui tend à générer plus d'échauffement. « Le CBN est spécifique aux applications dans lesquelles le matériau a été traité thermiquement ou volontairement trempé – pas comme un superalliage inoxydable ou réfractaire. »
Selon Garud, la plage de dureté d'une matière traitée thermiquement ou prétrempée est davantage maîtrisée que celle d'une matière écrouie. Avec cette dernière, la profondeur de la couche écrouie peut varier en fonction des paramètres du procédé et de l'état de l'outil.
« Dans un certain sens, une matière durcie est une matière dure », explique Garud, en ajoutant que la différence se situe dans l’homogénéité de la couche durcie.
Pour éviter l'usure en entaille et l'écaillage des inserts, l'usure prématurée des outils et tous les autres pièges susceptibles de survenir lorsqu'on alèse une matière écrouie, Patterson recommande d'examiner tous les outils utilisés pour le perçages des trous, à savoir le foret, l'alésoir (le cas échéant) et l'outil à aléser, pour contrôler leur affûtage et leur bon état (ils ne doivent être ni marqués ni écaillés). Les scruter à l'œil nu peut suffire, mais un petit passage sous un microscope avec un grossissement d'au moins 10× permet de se faire une idée plus précise.
« Certains opérateurs inexpérimentés se contentent de regarder l'outil pour y voir une écaille », raconte Patterson. « Moi je regarde et je demande "Où ça ?" »
Aléser les métaux imprimés
Alors que de plus en plus de pièces métalliques obtenues par impression 3D ont besoin d'être alésées et que le nombre de poudres métalliques ne cesse d'augmenter dans leurs compositions, les fabricants de pièces risquent vraisemblablement de rencontrer des difficultés. Malheureusement, les préconisations disponibles pour l'usinage des pièces métalliques imprimées en 3D sont rares, voire carrément inexistantes, alors qu'elles doivent généralement être usinées d'une manière ou d'une autre.
« À ma connaissance, personne ne fait pour le moment d'essais de durée de vie des outils avec les matières imprimées en 3D, pour pouvoir renseigner les ateliers qui doivent les usiner sur la manière de procéder », constate Harvey Patterson de Scientific Cutting Tools. « Faut-il aller moins vite parce que c'est dur ? La résistance à la flexion de la matière est-elle vraiment élevée, et par conséquent, faut-il beaucoup de force pour la travailler ? »
Il ajoute que plus la résistance à la flexion est élevée, plus l'effort exercé sur l'outil est important pour lever le copeau. Dans ce scénario, l'outil fléchit davantage et il faut travailler à une profondeur de coupe moindre.
Pour l'instant, toutefois, le nombre d'applications demandant d'aléser des pièces imprimées en 3D paraît modeste. « Je n'ai eu au téléphone qu'un seul client qui usine ça », rapporte Patterson. Malgré tout, le client était confronté à un problème d'usure prématurée des outils en raison de l'abrasivité du métal, alors que les propriétés exactes du matériau étaient un mystère. « Je ne disposais pas d'informations suffisantes sur le sujet pour déterminer s'il pouvait utiliser un insert au CBN ou au diamant, ni pour lui dire que faire pour venir à bout de cette usure par abrasion. »
Chez Allied Machine & Engineering, Ben Morrett estime que seuls quelques clients usinent des métaux imprimés en 3D. « Ils utilisent certains de nos outils d'ébauche, comme notre alésoir à double couteau, pour un meilleur traitement des trous. »