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Usinage et usinabilité de l’Inconel 718.

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L’usinage est le procédé de mise en forme par enlèvement de la matière le plus répandu dans les domaines de fabrication des pièces mécaniques. Depuis leur apparition, les techniques d’usinage ont subi de multiples améliorations.  Des progrès au niveau de l’ensemble Pièce – Outil – Machine ont été effectués, permettant l’amélioration de l’usinabilité de plusieurs matériaux. Des nombreux travaux ont été menés pour trouver les outils et les conditions de coupe optimales permettant de surmonter les problèmes d’usinage de la plupart des matériaux.

Cependant, l’usinage des matériaux réfractaires reste encore l’objectif de plusieurs travaux. Ces matériaux possèdent des caractéristiques thermo-mécaniques particulières conduisant à une mauvaise usinabilité. Les alliages à base de nickel, par exemple, possèdent des propriétés thermiques, mécaniques et physiques qui les positionnent parmi les matériaux les plus difficiles à usiner. On cite par exemple.

– Exceptionnelles propriétés mécaniques à haute température lors de l’usinage. Les efforts de coupe peuvent atteindre des valeurs très élevées permettant d’agir sur la qualité macro et micro géométrique de la surface usinée ;

– Faible conductivité thermique qui cause une concentration de la chaleur dans la zone de coupe ;

– Microstructure riche en particules de carbure jouant le rôle d’abrasifs lors de l’usinage ;

– Affinité chimique avec les outils de coupe qui permet d’activer l’usure par diffusion ;

– Adhésion des micros particules de l’Inconel sur l’arête de coupe de l’outil lors de l’usinage. Ce phénomène engendre l’usure en entaille de la face de coupe.

 

Caractéristiques métallurgiques

Les compositions chimiques de l’Inconel 718 varie d’un alliage à un autre selon son application future. On trouve l’Inconel 718 à l’état standard qui est utilisé pour les applications les moins critiques. L’état traité est destiné pour fabriquer les pièces critiques telles que les disques dans un moteur d’avion. Le tableau suivant présente la composition en masse de cet alliage.

- Nickel 50-55

- Chrome 17-21

- Fer 15-21

- Niobium 4.75-5.5

- Molybdène 2.8-3.3

Titane 0.65-1.15

- Aluminium 0.2-0.8

- Cobalt 1.00 max

- carbone 0.08 max

- manganèse 0.35 max

- Silicium 0.35 max

- Phosphore 0.015 max

- Sulfure 0.015 max

- Bore 0.005 max

- Cuivre 0.3 max Tab. 1.1

 

 

Usinage de l’Inconel 718

L’usinabilité des alliages à base de nickel est généralement mauvaise comparée aux aciers et aux aciers inoxydables, conséquence inévitable de ces propriétés mécaniques, physiques et structurales très élevées. Les problèmes d’usinage de ces alliages se manifestent par la faible durée de vie des outils de coupe et par les altérations sévères de l’intégrité de la surface usinée [Dudz-2004], en terme de contraintes résiduelles ou rugosité. De plus, le coût de revient élevé de l’opération d’usinage de ces matériaux est pris parmi les critères pour classer l’Inconel 718 parmi les matériaux les plus difficiles à usiner. En effet, les applications de ces types d’alliages dans le domaine aéronautique demandent l’enlèvement par usinage d’une grande quantité de matière pour passer d’une pièce brute à une pièce finie, le volume de matière à enlever par usinage atteint 80 %.

Le problème d’usinage des pièces aéronautiques est lié aussi à la forme des pièces elles-mêmes :

– Les formes complexes du produit final demandent une grande précision sur la qualité des parcours d’outil (trajectoire, vitesse, accélération)

– La mise en vibration facile de la pièce lors de son usinage (pièces déformables) ;

– Les contraintes dimensionnelles et géométriques très précises du produit

Un très grand soin doit alors être apporté lors des opérations d’usinage de ces alliages afin d’améliorer la productivité de l’opération tout en préservant l’intégrité de surface des composants usinés. En effet l’intégrité de surface a des conséquences directes sur les comportements mécaniques du produit final en particulier sur sa durée de vie [Brun-1991].

Depuis les années 80, des efforts considérables sont fournis afin de contrôler les paramètres de l’opération dans le but d’améliorer l’usinabilité de ces types d’alliages à savoir :

– Le choix de l’outil de coupe en optimisant ses paramètres tels que le matériau du substrat, son revêtement, sa forme et sa macro-géométrie et aussi la préparation de ses arêtes.

– Le choix de la nature et du mode de lubrification (MQL, Haute pression, à sec…).

– L’optimisation des conditions de coupe – La recherche des nouvelles stratégies d’usinage (usinage avec assistance, optimisation de la trajectoire de l’outil). Dans cette partie, nous allons présenter l’influence de chacun de ces paramètres sur l’usinabilité de l’Inconel 718.

 

Choix de la nature et du mode de lubrification

L’Inconel 718 peut être usiné à sec ou en présence d’un lubrifiant. Actuellement, et avec les problèmes écologiques, il est recommandé de travailler à sec. En effet, vue la mauvaise usinabilité de cet alliage, son usinage demande une grande quantité de lubrifiant qui augmente le coût de l’opération et présente des problèmes lors du recyclage des copeaux. Par conséquent, deux alternatives sont envisageables : travailler à sec ou, à la limite, avec micropulvérisation appelée aussi MQL (Minimal Quantity Lubrication).

Le mode et la nature de lubrifiant influent directement sur la durée de vie de l’outil de coupe et sur la qualité de la surface usinée.

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