Usinage de carbure cémenté avec revêtement diamantéfraises à bout sphérique micro

Avec les outils et machines-outils appropriés, le fraisage de matériaux durs comme l'acier à outils D-2 d'une dureté HRC60 ne présente pas de difficulté majeure. En revanche, le fraisage de matériaux plus durs, tels que les alliages durs, s'avère plus complexe. Ces matériaux ne peuvent généralement être obtenus que par rectification ou électroérosion.

L'introduction des fraises à bout sphérique micro de la série UDCB de Union Tool Inc. a profondément modifié la donne. « Makino estime que le développement de cet outil est important, peut-être autant que l'introduction du fraisage dur au milieu des années 1990 », déclare John Bradford, responsable de la recherche et du développement en microfabrication chez Makino. Auparavant, le taux de réussite du fraisage de pièces en alliage dur avec des fraises en alliage dur n'était que de 10 à 20 %.

Lors du salon IMTS 2012, le district de Muye a démontré l'utilisation d'un outil UDCB de 1 mm de diamètre pour l'ébauche et la finition de poinçons en carbure cémenté, à l'aide de fraises hémisphériques de micro-taille d'une dureté minimale de HRA93, sur son centre de micro-usinage IQ300 (figures 1 et 2). Après 38 minutes d'usinage, l'usure de l'outil n'était que de 1,8 µm. Pour l'usinage par électroérosion (EDM), il faut compter au moins quatre heures (programmation des électrodes, usinage des électrodes et électroérosion de la pièce inclus). « Il faut usiner au moins trois électrodes en cuivre-tungstène. Dans la plupart des cas, il en faut quatre pour maintenir une précision de 5 µm ou mieux », a précisé Bradford.

Fig. 1udcb Fraises à bout sphérique micro revêtues de diamant

Fig. 2 poinçons en carbure

Pour le fraisage de plusieurs pièces d'une profondeur de 2 200 mm, une vitesse de broche de 30 000 tr/min et une vitesse d'avance de 300 mm/min ont été utilisées pour les fraises à bout sphérique double Udcb, avec une charge de copeaux de 10 µm par fraise. Les fraises à bout sphérique étaient fixées sur un mandrin à chargement à chaud MST Uno, et l'erreur maximale de saut de diamètre certifiée par le fabricant était de 600 nm.

Le diamètre des fraises à bout sphérique double tranchant Udcb, développées par la société d'outillage conjointe, est de 0,2 à 6 mm. Selon Jonathan Hay, vice-président senior des ventes et du marketing de la société, les revêtements diamantés déposés par CVD à filament chaud, d'une épaisseur supérieure à 10 µm, offrent une excellente durabilité dans des conditions d'usinage rigoureusement contrôlées et minimisent l'effet du rayon d'angle. Comparé au CVD plasma, le CVD à filament chaud permet de déposer des revêtements plus uniformes sur des surfaces de formes complexes.

La dureté du revêtement diamanté des fraises à bout sphérique micrométriques UDCB est d'environ 100 GPa (9 000 HV), une valeur très proche de celle du diamant monocristallin. De plus, grâce à un contrôle précis de l'interface, l'adhérence entre le revêtement diamanté et le substrat est excellente.

Étant donné que la force de coupe lors du fraisage d'un alliage dur est environ deux fois supérieure à celle nécessaire pour le fraisage d'un acier à outils D-2 (HRC60), il est indispensable, afin de minimiser les vibrations, d'utiliser une machine-outil à haute rigidité lors de l'utilisation de fraises à bout sphérique micrométriques UDCB et d'effectuer une coupe progressive dans la pièce à l'aide d'un outil à avance hélicoïdale. Lors de la démonstration d'usinage au salon IMTS, Makino a utilisé une machine-outil de 1 pouce.l'angle de spirale de ° et a réduit la vitesse d'avance de 90 % lorsque la fraise pénétrait dans la pièce.

« Nous constatons que l'avance de la fraise à spirale est plus fiable car la force de coupe est plus uniforme », explique Hay, précisant que l'avance peut être maintenue constante tout au long du processus de coupe. Les fraises à bout sphérique micro UDCB utilisent une rainure hélicoïdale standard pour renforcer la rigidité de l'outil. Des forces de coupe uniformes et régulières contribuent à éviter d'endommager les pièces très fragiles, les substrats d'outils et les revêtements.

Lors d'une démonstration d'usinage, Muino utilise de l'air comprimé pour éliminer les copeaux et refroidir l'interface outil/pièce. Selon Hay, cette méthode est supérieure au refroidissement par pulvérisation d'un fluide de coupe à base d'eau et au refroidissement par brouillard d'huile. « Le refroidissement par brouillard d'huile peut entraîner la formation d'un petit amas d'huile contenant des copeaux de carbure cémentés. Le soufflage continu d'air est plus fiable et plus respectueux de l'environnement. »

Comme mentionné précédemment, bien que les matrices en alliage dur et autres pièces de dureté similaire puissent être usinées par rectification, les types de caractéristiques (notamment les micro-caractéristiques) réalisables sont limités par la capacité de la meule diamantée à atteindre ou à pénétrer ces caractéristiques. Bien que d'autres outils ultra-durs, tels que les outils en PCBN et PCD, soient disponibles, leur coût peut atteindre quatre fois celui des fraises à bout sphérique micro-usinées UDCB (de 534,50 $ à 674,50 $ selon le diamètre), et ces outils de coupe ne s'usent pratiquement pas progressivement. « Le PCBN est très difficile à usiner », explique Hay. « Les matériaux PCD manquent d'anisotropie (les matériaux anisotropes ont des propriétés différentes selon la direction), ils ont donc tendance à se dégrader. »

Bradford a déclaré avoir été quelque peu surpris par la réaction des visiteurs lors de la démonstration : « Ils n'en croient pas leurs yeux. Les fabricants d'outils en carbure cémenté vont disposer de nouveaux outils. C'est une avancée technologique historique. »