Mesures de processus et techniques d'exploitation pour réduire la déformation des pièces en aluminium !

De nombreux facteurs peuvent expliquer la déformation des pièces en aluminium lors de l'usinage ; ils sont tous liés au matériau, à la forme de la pièce et aux conditions de production. Parmi ces facteurs, on retrouve principalement la déformation due aux contraintes internes dans l'ébauche, la déformation due aux forces de coupe et à la chaleur, ainsi que la déformation due aux forces de serrage.

A. Mesures de processus visant à réduire la déformation d'usinage

1. Réduction des contraintes internes dans l'ébauche

Le vieillissement naturel ou artificiel, ainsi que le traitement par vibration, peuvent partiellement éliminer les contraintes internes de l'ébauche. Le pré-usinage est également un procédé efficace. Pour les ébauches épaisses et surdimensionnées, un enlèvement de matière important entraîne des déformations significatives après usinage. Le pré-usinage de l'ébauche, permettant d'éliminer l'excédent de matière et de réduire l'enlèvement de matière, diminue non seulement les déformations lors des étapes suivantes, mais soulage également certaines contraintes internes en laissant à l'ébauche un temps de repos après le pré-usinage.

2. Amélioration de la capacité de coupe des outils

Le matériau et la géométrie de l'outil influencent considérablement les forces de coupe et la chaleur. Un choix judicieux de l'outil est essentiel pour limiter la déformation des pièces lors de l'usinage.

1) Choix judicieux de la géométrie de l'outil

① Angle de dépouille : Tout en préservant la résistance du tranchant, un angle de dépouille plus important permet d’obtenir un tranchant plus affûté et de réduire la déformation lors de la coupe, facilitant ainsi l’évacuation des copeaux et, par conséquent, diminuant les efforts et les températures de coupe. Évitez d’utiliser des outils à angle de dépouille négatif.

② Angle de dépouille : L’angle de dépouille influe directement sur l’usure en dépouille et la qualité de surface. L’épaisseur de coupe est un facteur déterminant dans le choix de cet angle. Lors de l’ébauche, les avances élevées, les fortes contraintes de coupe et la génération importante de chaleur exigent une bonne dissipation thermique de l’outil ; un angle de dépouille plus faible est donc recommandé. Lors du fraisage de finition, un tranchant affûté est nécessaire pour réduire le frottement entre la face de dépouille et la surface usinée et minimiser la déformation élastique. Par conséquent, un angle de dépouille plus important est nécessaire.

③ Angle d'hélice : Pour assurer un fraisage régulier et réduire les forces de fraisage, l'angle d'hélice doit être aussi grand que possible.

④ Angle d'attaque : Une réduction appropriée de l'angle d'attaque peut améliorer la dissipation de la chaleur et abaisser la température moyenne de la zone d'usinage.

2) Améliorer la structure des outils.

① Réduisez le nombre de dents de l'outil de coupe pour augmenter l'évacuation des copeaux. L'aluminium étant un matériau très plastique, il se déforme considérablement lors de l'usinage, ce qui nécessite une évacuation des copeaux plus importante. Par conséquent, un rayon de courbure plus grand au fond de la goujure et un nombre de dents inférieur sont recommandés.

2. Affûtage fin des dents. La rugosité du tranchant doit être inférieure à Ra = 0,4 μm. Avant d'utiliser une fraise neuve, affûtez légèrement l'avant et l'arrière des dents avec une pierre à huile fine afin d'éliminer les bavures et les légères dentelures résiduelles de l'affûtage. Ceci permet non seulement de réduire la chaleur de coupe, mais aussi de minimiser la déformation.

③ Contrôler rigoureusement l'usure des outils. L'usure des outils entraîne une augmentation de la rugosité de surface de la pièce, une élévation de la température de coupe et une déformation accrue de la pièce. Par conséquent, outre le choix de matériaux d'outils présentant une bonne résistance à l'usure, l'usure ne doit pas excéder 0,2 mm, sous peine de formation d'arêtes rapportées. Pendant la coupe, la température de la pièce ne doit généralement pas dépasser 100 °C afin d'éviter toute déformation.

3. Améliorer les méthodes de serrage des pièces

Pour les pièces en aluminium à parois minces et à faible rigidité, les méthodes de serrage suivantes peuvent être utilisées pour réduire la déformation :

① Pour les bagues à parois minces, si un mandrin ou une pince à trois mors autocentrante est utilisé pour le serrage radial, la pièce se déformera inévitablement après usinage. Dans ce cas, il convient d'utiliser une méthode de serrage axial plus rigide. Positionnez la pièce à l'aide de son alésage intérieur, créez un axe fileté traversant, insérez-le dans cet alésage, puis pressez la face d'extrémité avec une plaque de recouvrement et serrez le tout avec un écrou. Cette méthode permet d'éviter toute déformation lors du serrage pour l'usinage des diamètres extérieurs et d'obtenir une précision d'usinage satisfaisante.

② Lors de l'usinage de pièces en tôle mince, il est préférable d'utiliser une ventouse à vide pour obtenir une force de serrage uniformément répartie. Ceci permet de minimiser l'effort de coupe et d'éviter efficacement la déformation de la pièce.

Une autre solution consiste à utiliser la méthode de compactage. Pour accroître la rigidité des pièces à parois minces lors de l'usinage, un matériau de remplissage peut être introduit à l'intérieur de la pièce afin de réduire les déformations pendant le serrage et la découpe. Par exemple, une solution d'urée fondue contenant de 3 % à 6 % de nitrate de potassium peut être coulée dans la pièce. Après usinage, le matériau de remplissage peut être dissous et éliminé par immersion de la pièce dans de l'eau ou de l'alcool.

4. Organisation adéquate du processus

Lors de l'usinage à grande vitesse, les surépaisseurs importantes et les irrégularités de coupe engendrent souvent des vibrations pendant le fraisage, affectant la précision et l'état de surface. C'est pourquoi le processus d'usinage CNC à grande vitesse se divise généralement en plusieurs étapes : ébauche, semi-finition, ébavurage et finition. Pour les pièces de haute précision, une seconde étape de semi-finition est parfois nécessaire avant la finition. Après l'ébauche, la pièce refroidit naturellement afin d'éliminer les contraintes internes et de minimiser les déformations. La surépaisseur résiduelle doit être supérieure à la déformation, généralement de 1 à 2 mm. Lors de la finition, une surépaisseur uniforme, généralement de 0,2 à 0,5 mm, doit être maintenue sur la surface usinée. Ceci garantit la stabilité de l'outil, réduit significativement les déformations, assure une bonne qualité de surface et garantit la précision du produit.

B. Techniques de réduction des déformations d'usinage

Outre les raisons évoquées précédemment, les pièces en aluminium peuvent se déformer lors de l'usinage. En pratique, le choix de la méthode d'usinage appropriée est également crucial.

1. Pour les pièces présentant d'importantes surépaisseurs, l'usinage symétrique est recommandé afin d'assurer une dissipation thermique optimale et d'éviter toute concentration de chaleur. Par exemple, pour usiner une tôle de 90 mm d'épaisseur à 60 mm, le fraisage d'une face immédiatement après celui de l'autre, permettant d'obtenir la dimension finale en une seule passe, donnera une planéité de 5 mm. En revanche, l'usinage symétrique avec avances successives, en usinant chaque face deux fois jusqu'à la dimension finale, garantit une planéité de 0,3 mm.

2. Si une pièce en tôle comporte plusieurs cavités, il est déconseillé de les usiner successivement, cavité par cavité. Cela peut facilement engendrer des contraintes et des déformations irrégulières. Il est préférable d'utiliser des techniques d'usinage par couches successives, en usinant toutes les cavités simultanément sur chaque couche avant de passer à la suivante. Ceci garantit une répartition uniforme des contraintes et minimise les déformations.

3. Réduire les efforts de coupe et la chaleur en modulant les paramètres de coupe. Parmi les trois éléments clés de ces paramètres, le contre-dépouillement a un impact significatif sur l'effort de coupe. Un excès de matière et un effort de coupe excessif en une seule passe peuvent non seulement entraîner une déformation de la pièce, mais aussi affecter la rigidité de la broche de la machine-outil et réduire la durée de vie de l'outil. Réduire le contre-dépouillement diminue considérablement la productivité. Cependant, le fraisage à grande vitesse, couramment utilisé en usinage CNC, permet de surmonter cet obstacle. En réduisant le contre-dépouillement et en augmentant en conséquence l'avance et la vitesse de la machine, les efforts de coupe peuvent être réduits tout en maintenant la productivité.

4. L'ordre des passes doit également être pris en compte. L'ébauche vise à améliorer l'efficacité d'usinage et à obtenir le taux d'enlèvement de matière le plus élevé par unité de temps. C'est pourquoi on utilise généralement le fraisage en opposition. Il s'agit d'enlever l'excédent de matière de la surface brute le plus rapidement possible, créant ainsi le profil géométrique requis pour la finition. La finition, quant à elle, privilégie la précision et la qualité ; le fraisage en avalant est donc préférable. Ce dernier réduit considérablement l'épaisseur de coupe des dents de la fraise, de sa valeur maximale à zéro, ce qui diminue fortement l'écrouissage et la déformation de la pièce.

5. Les pièces à parois minces peuvent se déformer lors de l'usinage en raison du serrage, ce qui est inévitable même pour les opérations de précision. Pour minimiser cette déformation, desserrez l'élément de serrage juste avant d'atteindre la dimension finale, afin de permettre à la pièce de reprendre sa forme initiale. Serrez ensuite légèrement, en veillant à ce que la pièce soit simplement maintenue fermement (au toucher). Vous obtiendrez ainsi des résultats d'usinage optimaux. En résumé, la force de serrage doit idéalement être appliquée sur la surface d'appui et dans le sens de la rigidité maximale de la pièce. Tant que la pièce ne se desserre pas, plus la force de serrage est faible, mieux c'est.

6. Lors de l'usinage de pièces comportant des cavités, évitez d'insérer la fraise directement dans la pièce comme un foret. Cela entraînerait une évacuation insuffisante des copeaux, une mauvaise évacuation de ces derniers et potentiellement une surchauffe, une dilatation, des ébréchures et des cassures. Avant le fraisage, percez d'abord le trou de passage de la fraise avec un foret de même diamètre ou de diamètre supérieur. Vous pouvez également utiliser un logiciel de FAO pour générer un programme d'usinage pour fraise hélicoïdale.