Les avancées de l'usinage par ultrasons pour le traitement des alliages durs

Dans le domaine de la fabrication de précision, certains matériaux posent des défis considérables aux ingénieurs. Le carbure de tungstène, également connu sous le nom de carbure cémenté, se distingue comme l'un de ces "casse-têtes". Cet alliage composé de tungstène et de carbures est devenu indispensable pour les outils de coupe et les composants résistants à l'usure en raison de sa dureté, de sa résistance à l'usure et de sa stabilité thermique exceptionnelles. Pourtant, ces mêmes propriétés créent d'importantes difficultés d'usinage, où les méthodes conventionnelles s'avèrent inadéquates, tandis que les techniques spécialisées luttent contre l'inefficacité et l'usure rapide des outils.

Les propriétés exceptionnelles du carbure de tungstène - 2 à 3 fois plus dur que l'acier avec une dureté Mohs de 8,5 à 9 - le rendent supérieur à la plupart des matériaux métalliques. Sa stabilité chimique reste intacte même à des températures élevées et dans des conditions difficiles, ce qui le rend idéal pour les outils de coupe et les composants à forte usure dans les applications de travail des métaux, d'exploitation minière, de formage des métaux et de lames de scie.

Cependant, cette dureté extrême crée des défis d'usinage sans précédent. Les méthodes traditionnelles de tournage, de fraisage et de perçage s'avèrent inefficaces. Bien que des outils en diamant polycristallin (PCD), en nitrure de bore cubique (CBN) ou en céramique puissent être utilisés, ils subissent une usure accélérée et une perte rapide de tranchant.

Les principales méthodes d'usinage actuelles impliquent le meulage à la meule diamantée ou l'usinage par décharge électrique (EDM). Bien que fonctionnelles, ces approches présentent de multiples difficultés pour obtenir des résultats de qualité.

Les obstacles à l'usinage se manifestent dans trois domaines critiques :

• Qualité et longévité des outils : La dureté extrême du matériau s'accompagne d'une fragilité, entraînant des éclats, des fissures et une dégradation rapide des outils. Les méthodes conventionnelles ont du mal à maintenir la qualité, tandis que les outils spécialisés s'usent excessivement.
• Limitations de l'efficacité : La combinaison d'une densité, d'une dureté et d'une fragilité élevées nécessite un contrôle précis des vibrations et des forces de coupe. Un contrôle inadéquat entraîne des micro-fissures et une fragmentation, ce qui rend le processus long et frustrant pour les fabricants.

Les récentes avancées de la technologie d'usinage par ultrasons offrent des solutions prometteuses à ces défis persistants. Cette technique innovante superpose des vibrations à haute fréquence (plus de 20 000 micro-vibrations par seconde) aux procédés d'usinage conventionnels, créant des vibrations longitudinales de l'outil pendant la rotation.

Les avantages de ce mécanisme de micro-vibration comprennent :

• Réduction des forces de coupe : Une friction plus faible entre l'outil et la pièce permet des vitesses d'avance plus élevées tout en améliorant la qualité de la surface et en prolongeant la durée de vie de l'outil.
• Amélioration de l'évacuation des copeaux : Les vibrations à haute fréquence favorisent la fracture des copeaux et empêchent l'enchevêtrement, améliorant à la fois la qualité et l'efficacité.

Cas 1 : Meulage de finition miroir
Un fabricant a obtenu une qualité de surface de qualité optique (Ra < 0,002μm) sur une pièce en carbure de tungstène de 20x20 mm en utilisant un porte-outil ultrasonique HSKE40 avec CTS, ATC et automatisation CNC intégrés. Le processus à un seul outil a tout réalisé, de l'ébauche à la finition miroir finale, ce qui s'est avéré particulièrement précieux pour les moules de précision, les poinçons et les composants de vannes haute pression.

Cas 2 : Usinage de filetage
Une autre opération a usiné des filetages M10x1.5P et effectué un meulage en forme de H sur une pièce de 50x70x10 mm en utilisant un porte-outil ultrasonique HSKA63. Le temps d'exécution de 5 heures représentait une réduction de 60 % par rapport aux méthodes EDM traditionnelles, tout en obtenant une finition de surface supérieure (Ra 0,8μm).

Compatibilité des outils : Les systèmes à ultrasons analysent automatiquement les outils pour les fréquences de résonance (généralement 20 à 32 kHz) et peuvent s'adapter aux exigences spécifiques des outils, la plupart des outils standard s'avérant compatibles après une validation approfondie.

Optimisation des paramètres : La technologie comprend une assistance complète pour déterminer les vitesses d'avance et les amplitudes optimales, garantissant aux utilisateurs de tirer le maximum de bénéfices du système.

Pour les fabricants confrontés à des défis d'usinage du carbure de tungstène, la technologie ultrasonique représente une avancée significative, offrant une efficacité, une qualité et une longévité des outils améliorées par rapport aux méthodes conventionnelles.