Fondamentaux de l’usinage de parois minces
L'usinage de parois minces est un processus d'usinage CNC axé sur la création de coupes et de formes précises dans des matériaux d'une épaisseur généralement inférieure à 2 mm. Son objectif principal est de fabriquer des composants complexes aux caractéristiques délicates et fines qui exigent la plus grande précision.
L’application de l’usinage CNC à paroi mince à différents matériaux présente différents défis. Les métaux courants comprennent le titane, l’aluminium et l’acier inoxydable. Ces matériaux sont solides et durables, et il est nécessaire de les manipuler avec précaution pour éviter toute déformation. Les polymères, tels que l'ABS et le polycarbonate, sont également des matériaux largement utilisés en raison de leur flexibilité et de leur faible poids, même si un mauvais usinage peut entraîner leur déformation. En raison de leur rapport résistance/poids exceptionnel, les matériaux composites, comme les polymères renforcés de fibres de carbone, deviennent de plus en plus populaires. Cependant, afin d’éviter le délaminage ou l’arrachement des fibres, ces matériaux nécessitent des paramètres d’usinage précis. Pour garantir des composants à parois minces précis et de haute qualité, il est nécessaire de bien comprendre les attributs de chaque matériau afin d'optimiser les avances, les vitesses de coupe et les trajectoires d'outils.
Applications du traitement des parois minces
L'usinage de parois minces est important pour de nombreuses industries, mais il est particulièrement important pour l'industrie aéronautique, où il est nécessaire de fabriquer des boîtiers complexes et des pièces structurelles légères.
Cette méthode est essentielle à l'industrie aérospatiale pour produire des pièces telles que des disques aubagés, des moyeux, des nervures, des cadres, des panneaux de revêtement, des longerons, des cloisons et des aubes de turbine. Le but de ces pièces est de réduire la quantité d’assemblage mécanique requis, il n’y a donc pas de boulons ni de rivets et le composant est uniforme partout.
Au-delà de l'aérospatiale, l'usinage de parois minces trouve des applications dans d'autres secteurs, comme l'automobile, où les composants légers et à haute résistance deviennent de plus en plus importants. La production d’équipements chirurgicaux et d’implants avancés et précis aide également l’industrie médicale. L'usinage de parois minces est également utilisé dans l'industrie électronique pour fabriquer des boîtiers durables et légers pour une gamme d'équipements.
Défis rencontrés dans l’usinage de parois minces
L'usinage CNC de parois minces présente de nombreux défis, notamment les vibrations résultant de la faible rigidité des parois. On distingue deux types de vibrations : les vibrations violentes et les vibrations auto-induites (claquements).
Lorsque la réponse en fréquence naturelle (FRF) du système est stimulée pendant le processus de fraisage, des vibrations se produisent. Cette instabilité est généralement liée aux vibrations de l'outil, mais il est plus important de prendre en compte la FRF de la pièce, qui change continuellement en raison de différences géométriques. Un processus d'usinage instable résulte du changement de la FRF en fonction de la forme de la pièce. L'opération peut devenir instable en raison de cette tendance cyclique, laissant des cicatrices sur le composant qui diminuent la qualité de surface globale.
À l’inverse, une vibration forcée se produit lorsqu’il n’y a pas suffisamment de rigidité dans la pièce pour maintenir constante l’épaisseur des copeaux. Sous les forces de coupe, l'outil et la pièce se déforment, ce qui entraîne des vibrations qui se produisent à la même fréquence que la vitesse de broche ou ses multiples. En modifiant la dynamique de contact entre l'outil et la pièce, cette déflexion modifie la largeur des copeaux et influence les efforts de coupe. Ces instabilités conduisent fréquemment à des défauts de surface, qui rendent le produit final plus rugueux.
Un autre défi important associé à la faible rigidité des parois minces est celui des erreurs dimensionnelles causées par la déflexion des pièces. Les parois minces sont soumises à une déflexion statique importante en raison des pressions de coupe, contrairement aux sections rigides. Les paramètres de coupe, qui spécifient les forces de coupe et, par conséquent, la déformation du système, et l'approche d'usinage sélectionnée (fraisage ascendant ou descendant) ont un impact sur cette déflexion. Bien que la déflexion ne soit généralement pas complètement éliminée, le fraisage à grande vitesse permet de réduire les tensions résiduelles et les forces de coupe. Comme la géométrie de la pièce varie en temps réel, le fraisage miroir en particulier aggrave ce problème.
De plus, à mesure que la taille et la forme des pièces utilisées dans l’usinage de parois minces augmentent, la complexité augmente également. Les procédures à double courbe produisent des peaux qui s'alignent souvent mal avec le mécanisme de serrage, ce qui entraîne une surcoupe. Il est plus difficile de maintenir les tolérances d'usinage avec des supports de pièce et des fixations conventionnels lorsqu'il s'agit de pièces plus grandes que des blocs monolithiques. Il est particulièrement difficile de maintenir la précision et de produire des finitions de haute qualité en raison de ce désalignement et de la surcoupe qui en résulte.
Sélection des outils optimaux
La sélection correcte des outils est essentielle au succès de l’usinage de parois minces. Les considérations importantes sont le matériau à usiner, le niveau de polissage souhaité et les tolérances dimensionnelles nécessaires.
Pour réduire la distorsion et augmenter la précision lors du travail avec des matériaux sensibles tels que le plastique ou l'aluminium, en utilisant des outils spécialisés avec des diamètres plus petits et des hauteurs de coupe inférieures. La stabilité et la qualité du processus sont affectées par les performances de coupe et les taux d'enlèvement de matière qui sont fortement influencés par la géométrie de l'outil et les angles de coupe.
Les outils dotés de revêtements haute performance, notamment en carbone de type diamant (DLC) ou en nitrure de titane (TiN), sont plus efficaces et durables. De plus, les outils à angle d'hélice plus élevé donnent une meilleure qualité de surface et une meilleure évacuation des copeaux.
Détermination des meilleures vitesses de coupe et avances
Lorsqu'il s'agit d'usinage CNC, en particulier d'usinage de parois minces, la vitesse de coupe et l'avance sont des variables essentielles. Pour obtenir les meilleurs résultats, il est essentiel d’ajuster ces paramètres en fonction du matériau particulier.
En général, un enlèvement de matière plus rapide et une productivité plus élevée sont dus à des vitesses de coupe plus élevées. D’un autre côté, la précision et la qualité doivent être équilibrées avec la rapidité. Des vitesses de coupe trop rapides peuvent détériorer la qualité du produit fini en générant une déformation indésirable du matériau, une chaleur plus élevée et une usure excessive des outils.
Un autre facteur important est la vitesse d'avance, qui enregistre la vitesse à laquelle l'outil de coupe traverse le matériau. La finition de surface et la précision dimensionnelle de l’article sont grandement affectées. Une sélection appropriée de la vitesse d'avance évite des problèmes tels que des vibrations excessives et une déflexion de l'outil et garantit une finition plus lisse et des dimensions précises.
Optimisation du parcours d'outil
Dans l'usinage de parois minces, le chemin emprunté par l'outil de coupe à travers le matériau est appelé parcours d'outil. Afin de limiter la déformation du matériau et d’atteindre les résultats escomptés, ce chemin doit être optimisé.
Il existe différentes techniques d'optimisation du parcours d'outil qui peuvent être utilisées, chacune présentant des avantages et des inconvénients. La coupe continue et fluide est facilitée par les trajectoires d'outils en spirale, qui réduisent le risque de changements de direction brusques susceptibles d'induire des vibrations. Afin de minimiser la déviation de l'outil et de maintenir des conditions de coupe constantes, les trajectoires d'outils adaptatives s'adaptent dynamiquement à la géométrie du matériau. En raison de leur précision et de leur adaptabilité, les trajectoires d'outils à 3 axes conviennent aux géométries complexes, mais elles peuvent devoir être soigneusement planifiées pour éviter des mouvements d'outil inutilement importants.
Solutions efficaces de maintien du travail
Montage CNC
Les solutions de maintien de la pièce sont la clé pour prévenir efficacement les instabilités lors de l'usinage de parois minces. Cette méthode fonctionne souvent mieux que la simple modification des paramètres de coupe, en particulier lorsqu'il s'agit d'éléments dont la fonction de réponse en fréquence (FRF) est difficile à quantifier et varie considérablement au cours du processus d'usinage.
Fixations et supports de travail
Une option courante pour fixer des composants à paroi mince consiste à utiliser des luminaires à vide. Il existe deux types principaux disponibles : les ventouses flexibles et les systèmes de vide sur mesure. Bien que plus coûteux et limités à des pièces particulières, les systèmes de vide personnalisés offrent une place forte grâce à des équipements spécialisés conçus pour chaque pièce individuelle. Cependant, ces systèmes peuvent provoquer des contraintes de traction sur la pièce, ce qui pourrait entraîner une déformation. À l’inverse, les ventouses ou lits à vide flexibles améliorent la flexibilité et réduisent les vibrations et la déviation en épousant la forme de l’article à l’aide de broches réglables et de capuchons à vide.
Pour les composants tels que les turbines, les pales et les disques aubagés, des mandrins hydrauliques ou des mâchoires spéciales sont souvent utilisés. Dans les premières étapes d'ébauche, ceux-ci évitent efficacement les vibrations et les déformations en réduisant la pression de serrage et en minimisant la déformation en cours de processus. Avec des supports de travail réglables qui offrent un soutien dans des positions idéales, les performances peuvent être encore améliorées. Avec des placements déterminés par des simulations et des supports placés aux points les plus flexibles, certains supports de travail commerciaux, par exemple, sont conçus pour compenser l'énergie de coupe sur la pièce. Afin de permettre des modifications en temps réel et la collecte de données historiques pour le guidage opérationnel, ces systèmes sont fréquemment équipés de capteurs intégrés.
Déménagement des appareils
Les dispositifs mobiles synchronisent le mouvement de l'outil avec la pièce à usiner pour maintenir la stabilité lors de la découpe d'éléments peu rigides. Une pièce de support qui se déplace de manière colinéaire avec la trajectoire de l'outil dans cette technique, souvent appelée « fraisage miroir », soutient efficacement les forces de coupe. L'amplitude des vibrations et des distorsions est considérablement réduite par cette technologie, ce qui améliore la finition de surface. Un système à jet d'air synchronisé avec la tête de coupe est une autre technique qui réduit la déflexion et sert de support dynamique. En réduisant considérablement les vibrations de la pièce, cette aide au jet d'air peut améliorer la qualité de surface et la précision de l'épaisseur. Ces solutions sont cependant généralement limitées à des géométries plus simples et peuvent ne pas être suffisamment flexibles pour les pièces plus complexes.
Pour les panneaux de fuselage, un dispositif mobile plus sophistiqué utilise un système de maintien magnétique composé de deux jeux d'aimants. Les aimants principaux suivent la trajectoire de l'outil, tandis que les aimants esclaves situés à l'arrière du panneau fournissent un support compensatoire grâce à l'attraction magnétique. En minimisant les forces de friction, ce système minimise les forces de poussée lors du fraisage. Afin d'optimiser les parcours outils, ces méthodes nécessitent un investissement important et des techniques de pré-mesure. Néanmoins, certains fabricants ont produit des centres de fraisage de miroirs dotés de mécanismes à double tête offrant une coupe et un support simultanés.
Actionneurs d'amortissement actif
Les actionneurs d'amortissement actif utilisent un amortissement par courants de Foucault (ECD) ou des capteurs piézoélectriques pour s'adapter aux conditions changeantes et éviter les vibrations. La stabilité de l'usinage peut être considérablement améliorée par ces technologies. Les systèmes de maintien de la pièce dotés d'actionneurs piézo-électriques réduisent les vibrations, améliorant ainsi la qualité de la surface et prolongeant la durée de vie de l'outil. Les appareils ECD réduisent considérablement les vibrations d’usinage en utilisant l’induction électromagnétique pour générer des forces répulsives. La profondeur de coupe limite peut être considérablement améliorée par un amortissement actif, préservant ainsi la stabilité et la précision lors du fraisage.
Dispositifs de raidissement
Les dispositifs de rigidification augmentent la rigidité de la pièce. Il a été démontré que des techniques telles que les systèmes de compensation de masse, les alliages à bas point de fusion (LMPA) et les fluides magnétorhéologiques (MRF) fonctionnent bien. Sous l'effet d'un champ magnétique, les MRF passent de l'état liquide à l'état semi-solide, offrant un support flexible. Pendant l'usinage, les LMPA remplissent les espaces entre la pièce et le dispositif, se solidifiant pour assurer la rigidité, puis fondant sans endommager le produit. Les amortisseurs viscoélastiques et les mousses absorbant l'énergie sont des exemples de dispositifs de compensation de masse qui peuvent être personnalisés en fonction de la géométrie de la pièce afin de réduire les vibrations.
Conseils et bonnes pratiques pour réussir
Dans l'usinage de parois minces, il peut être difficile d'obtenir une précision dimensionnelle et une rectitude. Pour augmenter votre succès dans le fraisage de parois minces, n'oubliez pas ces conseils cruciaux :
- Utilisez le bon outillage : pour préserver la solidité de l'outil tout en atteignant des profondeurs plus profondes, utilisez un outillage réduit. En mesurant la longueur sous la tige (LBS), la friction de fraisage dans les poches profondes est réduite et l'élimination appropriée des copeaux est garantie. Utilisez le bon outillage : pour préserver la résistance de l'outil tout en atteignant des profondeurs plus profondes, utilisez un outillage réduit. En mesurant la longueur sous la tige (LBS), la friction de fraisage des poches profondes est réduite et une évacuation appropriée des copeaux est garantie.
- Déterminer la profondeur de coupe appropriée : Pour soutenir le mur, utilisez une technique de profondeur de coupe axiale réduite (ADOC). En raison de la dureté du matériau, la hauteur totale du mur est divisée en profondeurs gérables. En utilisant une méthode progressive, réduire la pression de l'outil à mesure que la hauteur de la paroi augmente et changer de côté pour maintenir la stabilité permet d'obtenir une profondeur de coupe radiale (RDOC). Pour réduire les vibrations et améliorer le polissage de la surface, utilisez des passes légères à la fin.
- Fraisage en montée : Cette méthode éjecte les copeaux derrière la fraise tout en réduisant la chaleur et la friction. En canalisant la chaleur vers la puce plutôt que vers l'outil ou la pièce, elle prolonge la durée de vie de l'outil, réduit les coûts et améliore le polissage des composants.
- Stabilisation des murs : Pour l'amortissement manuel des vibrations et la stabilisation des murs, utilisez des composés thermoplastiques ou de la cire (qui peuvent être facilement éliminés thermiquement).
- Parcours d'outils HEM : pour améliorer les taux d'enlèvement de matière, minimiser l'usure des outils et maximiser les performances des outils, le fraisage à haute efficacité (HEM) associe un faible RDOC à un ADOC élevé et des vitesses d'avance accrues.
Notes d'emballage pour les produits de traitement à parois minces
papier bulle dans une boîte en carton
Les pièces d'usinage à parois minces doivent être emballées avec soin pour éviter tout dommage pendant le transport. Placez solidement chaque composant, en réduisant les mouvements, à l'aide d'inserts en mousse ou de moules sur mesure. Pour éviter les collisions, recouvrez chaque composant d'une couche protectrice de mousse souple ou de papier bulle. Assurez-vous que l'emballage est bien fait et marqué « fragile » afin que les manutentionnaires sachent qu'il faut faire attention. Un rembourrage suffisant entre les couches doit être utilisé lors du double emballage pour une protection supplémentaire. Un ensemble de pièces bien emballé préserve la qualité et la précision dimensionnelle de vos composants usinés avec précision même après leur livraison.
