USINER DES MATÉRIAUX CÉRAMIQUES DIFFICILES
La technologie d’usinage par ultrasons peut aider les fabricants à améliorer le rendement des composants céramiques avancés.
Des dômes de missiles de la prochaine génération pour les systèmes de défense aux composants d'implants de hanche destinés au secteur médical, les propriétés mécaniques des matériaux céramiques en font des machines idéales pour une large gamme d'applications. Les matériaux céramiques tels que l'oxyde d'aluminium (alumine) et le nitrure de silicium possèdent de nombreuses qualités: résistance extrême, résistance aux températures élevées et résistance à la corrosion chimique, pour n'en nommer que quelques-unes. Ces propriétés, parmi d’autres, rendent la céramique attrayante pour les concepteurs qui ont besoin de composants d’une durabilité exceptionnelle. Malheureusement, ces mêmes propriétés posent également des problèmes de fabrication difficiles à résoudre sans la technologie appropriée.
Les composants en verre optique plus doux peuvent être efficacement fabriqués avec des machines-outils à commande numérique (CNC) utilisant un outil de coupe rotatif imprégné de diamants. Cependant, lors de l'application de cette méthode à la céramique, les outils de coupe s'usent beaucoup plus rapidement, car l'outil et la pièce à travailler supportent des efforts plus importants en raison de la dureté du matériau. Pour compenser l'augmentation de la force, les opérateurs de la machine doivent augmenter la vitesse de broche de l'outil tout en diminuant l'avance de coupe (la vitesse à laquelle l'outil est déplacé dans la pièce). En fin de compte, cela se traduit par des temps de cycle plus longs et une efficacité moindre.
Usinage par ultrasons
Une technique connue sous le nom d'usinage assisté par ultrasons peut aider à surmonter les difficultés associées à l'usinage CNC traditionnel. Les centres d'usinage à ultrasons * incorporent une technologie permettant d'usiner de manière rentable des composants céramiques. L'usinage par ultrasons implique l'ajout d'une oscillation de haut en bas à l'outil rotatif, ce qui permet une découpe plus libre de ces matériaux très durs.
L'amplitude des oscillations est faible (micromètres) mais efficace pour enlever le matériau lorsque l'outil oscille à sa fréquence idéale. Le maintien de la fréquence idéale, mesurée en kilohertz (kHz), garantit à la machine des performances optimales et des résultats prévisibles.
Un logiciel propriétaire ** détermine la fréquence d'oscillation idéale pour chaque outil en effectuant un balayage de fréquence lors de la configuration initiale. Le balayage de fréquence identifie la fréquence optimale (généralement entre 20 et 40 kHz) en analysant la taille, la forme et la masse de l'outil utilisé pour le travail. Une fois que la fréquence idéale est déterminée et que le cycle commence, le logiciel ajuste automatiquement la fréquence pendant l'usinage de la pièce afin de maintenir des performances optimales lors de l'usinage par ultrasons. Le décalage de fréquence peut aller de quelques hertz à des centaines de hertz, en fonction du changement des conditions d'usinage lorsque l'outil est en contact avec la pièce.
Les processus d'usinage avancés pour les matériaux céramiques durs offrent les avantages suivants:
Forces considérablement réduites sur la pièce à usiner et l'outil lors de l'usinage, ce qui permet aux opérateurs d'augmenter leur vitesse de traitement et leur vitesse d'avance
Temps de cycle réduits par rapport aux machines standard de broyage / fraisage
Usure minimale de l'outil et durée de vie accrue grâce à la réduction de la force exercée sur la pièce et l'outil
Augmentation de la précision des composants usinés grâce à une durée de vie des outils plus prévisible
Réduction des coûts d'outillage
Réduction de la vitesse de broche, en particulier pour les trous aussi petits que 0,007 po.
En outre, l’usinage par ultrasons a montré une qualité de surface améliorée par rapport au meulage / fraisage CNC standard. Ceci est particulièrement important lorsqu'un processus de polissage ultérieur est nécessaire pour atteindre les spécifications de pièces nécessaires. Plus la forme et la rugosité de la pièce sont précises après le processus de rectification, moins il faudra de temps pour le polir.
* Comme la série OptiSonic ™, développée par OptiPro Systems. ** IntelliSonic ™, développé par OptiPro Systems.
Tests et résultats
Des tests approfondis ont montré comment l'utilisation de la technologie d'usinage par ultrasons peut augmenter l'efficacité de la fabrication de matériaux céramiques. Dans certains cas, les temps de cycle ont été réduits de 50% ou plus par rapport à l'usinage CNC standard. Deux tests ont récemment été menés pour évaluer les capacités de l’usinage par ultrasons dans différents scénarios de coupe.
Le premier test portait sur l’usinage ultrasonique de l’alumine. La famille des céramiques techniques à base d’alumine est regroupée en fonction de leur degré de pureté. L'alumine de plus haute pureté est idéale pour les applications les plus exigeantes.1 Pour mesurer les avantages de l'usinage par ultrasons, des alvéoles circulaires de 16 mm de diamètre et de 50 mm de profondeur ont été transformées en alumine. En ajoutant une assistance ultrasonore à un outil diamanté de 12,7 mm de diamètre, la broche était réglée à 8 511 tr / min avec une vitesse d'avance programmée de 1 650 mm / min. Chaque poche a été complétée en un temps de cycle de 6 minutes et 30 secondes. En comparaison, l’usinage de l’un de ces trous avec une fraiseuse conventionnelle à commande numérique prend plus d’une heure et nécessite le remplacement de l’outil après chaque trou en raison d’une usure excessive. L’outil en diamant utilisé sur la machine à ultrasons présentait très peu d’usure après 12 trous.
Le second test a été réalisé pour déterminer l'efficacité de l'usinage par ultrasons sur nitrure de silicium. Le nitrure de silicium a une structure de grain unique qui lui permet non seulement une ténacité extrêmement élevée, mais également une résistance au choc thermique exceptionnellement élevée.2 Dans cet essai, un carottier au diamant de 4 mm a effectué une alimentation droite selon l'axe Z trou avec une profondeur de 13 mm. Avec l’assistance ultrasonique, les paramètres de carottage comprenaient une vitesse de rotation de 6 511 tours / minute et une vitesse d’alimentation de 1 mm / min. Bien qu'une vitesse d'alimentation de 1 mm / min semble petite, elle est idéale compte tenu de l'extrême dureté du nitrure de silicium. Avec ces paramètres, le temps de cycle total pour compléter le trou était de 15 minutes, trois fois plus rapide que l'usinage CNC standard.
Capacités étendues
Le marché des composants en céramique continuant de croître, il est important que les fabricants disposent des dernières technologies. Les centres d'usinage à ultrasons offrent davantage de fonctionnalités que les rectifieuses et les fraiseuses CNC standard et conviennent parfaitement à de nombreuses applications. Qu'il s'agisse d'une pièce légère, de noyaux longs, de petits trous ou de caractéristiques géométriques complexes, l'ajout de vibrations ultrasoniques à un outil de meulage au diamant améliore l'efficacité et augmente la durée de vie de l'outil. Les fabricants qui utilisent des centres d'usinage à ultrasons peuvent bénéficier d'un débit plus élevé de composants en céramique tout en consacrant moins de temps et d'argent à l'achat de nouveaux outils.
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