Sept méthodes pour prévenir la déformation lors de l'usinage des alliages d'aluminium

L'alliage d'aluminium est un matériau industriel important. Du fait de sa dureté relativement faible et de son coefficient de dilatation thermique élevé, il est sujet à la déformation lors de l'usinage de pièces à parois ou plaques minces. Outre l'amélioration des performances des outils et le recours à un traitement de vieillissement préalable pour éliminer les contraintes internes du matériau, certaines mesures peuvent également être prises au niveau du processus d'usinage afin de minimiser autant que possible la déformation.

Pour les pièces en alliage d'aluminium présentant d'importantes surépaisseurs d'usinage, il est essentiel d'éviter au maximum la concentration de chaleur afin d'assurer une bonne dissipation thermique et de réduire les déformations thermiques. L'usinage symétrique est une méthode appropriée. Par exemple, pour une plaque en alliage d'aluminium de 90 mm d'épaisseur à usiner à 60 mm, l'usinage d'une face suivi de son retournement immédiat pour usiner l'autre face entraîne un enlèvement de matière important et continu sur chaque face en une seule opération. Ceci provoque une concentration de chaleur et une planéité de seulement 5 mm. En revanche, l'usinage symétrique – qui consiste à usiner les deux faces en plusieurs étapes jusqu'à l'obtention de la dimension finale – améliore la dissipation thermique et permet de contrôler la planéité à 0,3 mm près.

▌ Méthode d'usinage multiple couche par couche

Lorsqu'une pièce en alliage d'aluminium comporte plusieurs cavités, l'usinage d'une seule cavité à la fois risque d'entraîner des déformations dues à des forces inégales exercées sur les parois. La meilleure solution consiste à usiner plusieurs cavités simultanément, mais pas en une seule étape. L'usinage est divisé en plusieurs couches, réalisées progressivement jusqu'à l'obtention des dimensions requises. De cette manière, les forces appliquées à la pièce sont plus uniformes et le risque de déformation est réduit.

▌ Choix approprié des paramètres de coupe

Le choix de paramètres de coupe appropriés permet de réduire efficacement l'effort de coupe et la chaleur générée lors de l'usinage. Un excès de matière lors de l'usinage engendre un effort de coupe excessif à chaque passe, ce qui peut facilement provoquer des déformations de la pièce et affecter la rigidité de la broche et la durabilité de l'outil. Parmi tous les paramètres de coupe, la profondeur de passe est celui qui influe le plus sur l'effort de coupe. Réduire la profondeur de passe permet de prévenir les déformations, mais diminue simultanément la productivité. Le fraisage à grande vitesse en usinage CNC résout ce problème. En réduisant la profondeur de passe tout en augmentant la vitesse d'avance et la vitesse de broche, l'effort de coupe peut être réduit tout en maintenant la productivité.

▌ Amélioration de la capacité de coupe des outils

Le matériau et les paramètres géométriques de l'outil ont une influence considérable sur la force de coupe et la chaleur. Un choix judicieux de l'outil est donc essentiel pour limiter la déformation des pièces.

① Choix judicieux de la géométrie de l'outil :

Angle de râteau :
Tout en garantissant la résistance du tranchant, il convient de choisir un angle de dépouille plus important. Ceci permet d'obtenir un tranchant plus affûté, réduit la déformation de coupe, facilite l'évacuation des copeaux et diminue l'effort et la température de coupe. Les outils à angle de dépouille négatif sont à proscrire.

Angle de relief :
L'angle de dépouille influe directement sur l'usure en dépouille et la qualité de surface. L'épaisseur de coupe est un critère essentiel pour le choix de cet angle. Lors de l'ébauche, en raison de l'avance importante et de la forte charge de coupe générant une chaleur considérable, un angle de dépouille plus faible est nécessaire pour une meilleure dissipation thermique. Lors de la finition, un angle de dépouille plus important est requis pour obtenir des arêtes de coupe plus affûtées, réduire le frottement sur la surface usinée et limiter la déformation élastique.

Angle de l'hélice :
Pour stabiliser le fraisage et réduire la force de fraisage, l'angle d'hélice doit être aussi grand que possible.

Angle d'attaque :
Une réduction appropriée de l'angle d'attaque améliore la dissipation de la chaleur et abaisse la température moyenne dans la zone de coupe.

② Amélioration de la structure des outils :

Réduisez le nombre de dents de la fraise et augmentez l'espace d'évacuation des copeaux. L'alliage d'aluminium présente une plasticité élevée et une déformation importante lors de la coupe, ce qui nécessite des poches à copeaux plus larges. Par conséquent, le rayon au fond de la goujure doit être plus grand et le nombre de dents réduit. Par exemple, les fraises de diamètre inférieur à 20 mm doivent comporter deux goujures, et celles de diamètre compris entre 30 et 60 mm, trois goujures, afin d'éviter le bourrage des copeaux, susceptible d'entraîner des déformations dans les pièces en aluminium à parois minces.

Rectification finale des dents de coupe :
La rugosité de surface du tranchant doit être inférieure à Ra 0,4 μm. Avant d'utiliser un outil neuf, les tranchants doivent être légèrement affûtés à la pierre à huile fine afin d'éliminer les bavures et les légères marques d'affûtage. Ceci réduit la chaleur et la déformation lors de la coupe.

Contrôle strict des limites d'usure des outils :
L'usure de l'outil entraîne une augmentation de la rugosité de surface, de la température de coupe et de la déformation de la pièce. Par conséquent, outre le choix de matériaux d'outils résistants à l'usure, cette dernière ne doit pas dépasser 0,2 mm, sous peine de formation d'arêtes rapportées. Pendant la coupe, la température de la pièce ne doit pas excéder 100 °C afin d'éviter toute déformation.

▌ Agencement correct du chemin de coupe

L'ébauche et la finition doivent adopter des trajectoires de coupe différentes.
L'ébauche consiste à enlever l'excédent de matière de la surface de la pièce à la vitesse de coupe la plus élevée et dans les plus brefs délais, afin d'obtenir la géométrie requise pour la finition ; par conséquent, l'efficacité d'usinage est primordiale et le fraisage en opposition doit être évité. Il convient d'utiliser le fraisage en opposition.

L'usinage de finition privilégie la précision et la qualité de surface ; le fraisage en avalant est donc recommandé. Lors de ce procédé, l'épaisseur de passe diminue progressivement de son maximum à zéro, réduisant ainsi considérablement l'écrouissage et limitant les déformations.

▌ Serrage secondaire pour pièces à parois minces

Pour les pièces en alliage d'aluminium à parois minces, la force de serrage est une cause importante de déformation, qu'il est impossible d'éviter par la seule amélioration de la précision d'usinage. Afin de réduire la déformation induite par le serrage, la pièce doit être desserrée avant la finition finale pour relâcher la force de serrage et lui permettre de reprendre sa forme initiale. Elle doit ensuite être serrée légèrement. Le point de serrage secondaire doit se situer sur une surface d'appui et la force de serrage doit être appliquée dans le sens de la rigidité maximale de la pièce. Cette force doit être suffisante pour empêcher tout mouvement. Cela requiert une grande expérience et un bon sens du détail de la part de l'opérateur. Les pièces usinées de cette manière présentent une déformation de serrage nettement inférieure.

▌ Méthode de perçage avant fraisage

Lors de l'usinage de pièces creuses, l'utilisation directe d'une fraise en bout ne permet pas d'évacuer correctement les copeaux, ce qui entraîne une accumulation importante de chaleur dans la pièce. Il en résulte une dilatation thermique et une déformation, pouvant même provoquer l'écaillage ou la rupture de l'outil. La solution optimale consiste à percer un avant-trou à l'aide d'un foret d'un diamètre au moins égal à celui de la fraise, puis à insérer cette dernière dans l'alésage pour le fraisage. Cette méthode résout efficacement le problème mentionné précédemment.