Déformation du traitement de l'aluminium CNC "grande bataille" - compétences pratiques pour vous aider à un traitement précis

Lors de l'usinage CNC de l'aluminium, les déformations accidentelles constituent un problème courant et complexe. Ces déformations affectent non seulement la précision dimensionnelle et l'aspect des produits, mais peuvent également les rendre non conformes aux exigences de conception, voire les mettre au rebut. Il en résulte d'importantes pertes économiques pour les entreprises de production, ainsi qu'une baisse de leur productivité et de la compétitivité de leurs produits sur le marché.

Par exemple, lors de la fabrication de certains instruments de précision et produits électroniques, la précision dimensionnelle des composants en aluminium est extrêmement élevée. Si une déformation inattendue survient pendant la fabrication, les pièces risquent de ne pas s'assembler correctement, ce qui affecte les performances et la fiabilité du produit final. De plus, une déformation peut également engendrer des irrégularités et des distorsions de surface, nuisant ainsi à la qualité perçue du produit et, par conséquent, à son attrait pour les consommateurs.

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contrainte résiduelle à blanc

Les contraintes résiduelles de la pièce brute résultent principalement de la superposition des contraintes induites par la déformation non uniforme lors de la trempe et de l'extrusion des profilés. Lors de la trempe, l'alliage d'aluminium développe d'importantes contraintes thermiques résiduelles et des contraintes structurelles. Parallèlement, l'extrusion génère des contraintes dues à la disparité des contraintes entre les différentes parties. La superposition de ces contraintes est à l'origine des contraintes résiduelles de la pièce brute.

Les contraintes résiduelles de l'ébauche ont une grande influence sur l'usinage. En raison des contraintes internes à l'ébauche, lors de l'usinage, l'enlèvement de matière par coupe entraîne une redistribution des contraintes, provoquant une déformation de la pièce. Cette déformation peut affecter la précision dimensionnelle et la qualité de surface des pièces, et même les rendre non conformes aux exigences de conception.

Traitement du stress

Les principales causes du stress lié au traitement sont les suivantes :

1. Asymétrie du processus de coupe : Une asymétrie du processus de coupe engendre une force de coupe inégale, provoquant la déformation de la pièce. Par exemple, lorsque la surépaisseur de coupe est importante, le taux d'enlèvement de matière est élevé et les contraintes d'usinage sont importantes. De plus, si l'intervalle d'usinage est court, les contraintes résiduelles ne sont pas relâchées, ce qui crée un déséquilibre des contraintes résiduelles sur le profil global et, par conséquent, une déformation de la pièce.
2. Une faible rigidité de la pièce entraîne des forces de coupe et de serrage irrégulières, provoquant des déformations. Pour certaines pièces à parois fines et de faible rigidité, comme les coques en aluminium à parois minces, le risque de déformation est accru lors de l'usinage.
3. Séquence d'usinage différente : une séquence d'usinage différente peut entraîner une libération asymétrique des contraintes résiduelles, provoquant une déformation de la pièce. Par exemple, usiner une pièce avant une autre peut engendrer une répartition inégale des contraintes, ce qui, à son tour, provoque une déformation.

Optimisation des outils

En usinage CNC de l'aluminium, la déformation des pièces peut être efficacement réduite en sélectionnant les paramètres d'outil appropriés et en contrôlant l'usure de l'outil. Plus précisément, l'optimisation peut porter sur les aspects suivants :

1. Angle d'hélice : L'angle d'hélice doit être le plus grand possible afin d'améliorer la stabilité du fraisage et de réduire l'effort de coupe. Par exemple, lors de l'usinage, un angle d'hélice plus grand stabilise le processus de coupe et limite la déformation des pièces due à un effort de coupe excessif.
2. Angle d'attaque : Un angle d'attaque bien conçu préserve la robustesse de la lame, réduit l'usure du tranchant et assure une évacuation fluide des copeaux, diminuant ainsi l'effort de coupe. L'utilisation d'un outil à angle d'attaque négatif est généralement déconseillée, car elle augmente l'effort de coupe et le risque de déformation de la pièce.
3. Angle de dépouille : L’angle de dépouille influe considérablement sur la qualité d’usinage et l’usure de la surface de l’outil. En ébauche, il convient de choisir un angle de dépouille plus petit, car la vitesse de coupe est élevée, l’effort de coupe important et une bonne dissipation de la chaleur de l’outil est essentielle. En fraisage de précision, il est préférable d’opter pour un angle de dépouille plus grand afin d’obtenir une arête de coupe affûtée, de réduire le frottement entre l’outil et la surface usinée et de limiter la déformation élastique.
4. Angle de déviation : La réduction de l’angle de déviation favorise la dissipation de la chaleur et diminue la température moyenne de traitement. Un angle de déviation approprié améliore la répartition de la chaleur pendant le traitement et réduit la déformation des pièces due à l’accumulation de chaleur.
5. Maîtrise de l'usure des outils : L'usure des outils augmente la rugosité de surface des pièces, ce qui entraîne une élévation de leur température et, par conséquent, des déformations. Il est donc essentiel d'utiliser des outils à haute résistance à l'usure et de veiller à ce que le degré d'usure ne dépasse pas 0,2 mm afin d'éviter la formation de nodules. Avant la première utilisation d'un outil neuf, il est recommandé d'émousser délicatement les bavures et le tranchant des dents à l'aide d'une pierre fine, afin d'obtenir une rugosité de coupe Ra = 0,4 µm et ainsi minimiser les risques de déformation.

Méthodes de traitement appropriées

Pour réduire le risque de déformation des pièces, les techniques de traitement suivantes peuvent être utilisées :

1. Usinage symétrique : l’usinage symétrique permet une dissipation thermique efficace lors du traitement CNC des alliages d’aluminium, évitant ainsi une accumulation excessive de chaleur autour des pièces et réduisant de ce fait le risque de déformation thermique. Pour les pièces présentant d’importantes surépaisseurs, l’usinage symétrique assure une meilleure dissipation thermique et évite les concentrations de chaleur. Par exemple, pour une plaque de 90 mm d’épaisseur à usiner à 60 mm, l’utilisation d’un usinage symétrique par passes successives (deux passes sur chaque face pour atteindre la dimension finale) garantit une planéité de haute précision, comparativement à un usinage en une seule passe, et réduit ainsi efficacement les déformations.
2. Usinage par couches successives : pour les pièces comportant plusieurs cavités, la déformation est fréquente en raison de la force inégale appliquée sur la plaque. L’usinage par couches successives permet de diviser les pièces en plusieurs couches, puis de les usiner une à une jusqu’à l’obtention des dimensions requises. Ainsi, la force appliquée lors de l’usinage CNC de l’alliage d’aluminium est plus uniforme, réduisant considérablement le risque de déformation par rapport à un usinage direct.
3. Pré-perçage et fraisage : Les pièces comportant des cavités peuvent présenter des problèmes lors du fraisage, tels que des copeaux irréguliers, un échauffement excessif entraînant une déformation par dilatation de la pièce ou la rupture de l’outil. Ces problèmes peuvent être résolus par un pré-perçage suivi d’un fraisage. Percez les trous avec un outil légèrement plus grand que la fraise afin de ménager un espace suffisant pour la matière à usiner. Ainsi, les copeaux seront évacués uniformément de l’ébauche en aluminium avant le fraisage.
4. Utilisez différentes méthodes de fraisage : l’usinage CNC des alliages d’aluminium comprend deux opérations d’ébauche et de finition. L’ébauche permet d’usiner les pièces brutes le plus rapidement possible, en privilégiant le taux d’enlèvement de matière et l’efficacité du processus. La finition, quant à elle, exige une plus grande précision d’usinage et une meilleure qualité de surface, en mettant l’accent sur la qualité du fraisage. Un usage judicieux de ces deux méthodes peut influencer considérablement le taux de déformation des pièces.

Paramètres de coupe raisonnables

Le choix des paramètres de coupe appropriés permet de réduire l'effort et la chaleur de coupe, et d'éviter la déformation des pièces due à un effort ou une chaleur excessifs. Parmi les trois éléments constitutifs des paramètres de coupe, la profondeur de passe a une influence majeure sur l'effort de coupe. Lorsque cette profondeur est trop importante, l'effort de coupe est également excessif, ce qui non seulement déforme les pièces, mais affecte aussi la rigidité de la broche de la machine-outil et réduit la durée de vie de l'outil. Par conséquent, le fraisage à grande vitesse permet de réduire simultanément la profondeur de passe, d'augmenter l'avance et la vitesse de la machine, et ainsi de diminuer l'effort de coupe tout en garantissant l'efficacité de l'usinage. Par exemple, on peut contrôler la vitesse de coupe entre 250 et 300 m/min, l'avance entre 300 et 400 mm/min, la profondeur de passe d'ébauche à environ 0,5 mm et la profondeur de passe de finition à environ 0,1 à 0,2 mm.

La méthode de serrage convient

Lors de l'usinage de pièces en aluminium à parois minces, une méthode de serrage inadéquate peut facilement entraîner une déformation de la paroi. Pour réduire ce risque, la pièce emboutie peut être desserrée avant la finition, relâchée, permettant à la pièce de reprendre sa forme initiale, puis la pression peut être réappliquée. Cette seconde pression doit s'exercer sur la surface d'appui, dans le sens de la plus grande rigidité, et être suffisante pour maintenir la stabilité de la pièce pendant l'usinage. Pour les manchons d'arbre à parois minces, la méthode de serrage par alésage radial peut être utilisée : positionner le filetage intérieur de la pièce, réaliser un tourillon fileté, insérer le filetage, presser l'alésage intérieur avec la plaque de recouvrement, puis serrer avec l'écrou afin d'éviter toute déformation lors de l'usinage du cercle extérieur. Pour les pièces en tôle à paroi mince, une ventouse à vide peut être utilisée pour obtenir une adsorption uniforme de la force de serrage, permettant un usinage avec une petite quantité de matière, ou bien la méthode de remplissage consiste à injecter de l'urée fondue contenant 3 à 6 % de nitrate de potassium dans la pièce afin d'améliorer sa rigidité d'usinage, puis à immerger la pièce dans de l'eau ou de l'alcool après usinage pour dissoudre le produit de remplissage.

Lors de l'usinage de l'aluminium par commande numérique, les déformations accidentelles constituent un problème majeur. L'analyse des causes de ces déformations et la mise en œuvre de mesures préventives appropriées permettent de les éviter efficacement.

Tout d'abord, les contraintes résiduelles de l'ébauche et les contraintes d'usinage sont les principales causes de déformation lors de la transformation de l'aluminium. Les contraintes résiduelles de l'ébauche résultent principalement de la superposition des contraintes induites par la déformation non uniforme lors de la trempe et de l'extrusion. Les contraintes d'usinage peuvent être causées par des facteurs tels que la coupe asymétrique, une faible rigidité de la pièce et une séquence d'usinage différente. La compréhension de ces causes nous permettra de mettre en œuvre des mesures préventives ciblées.

Deuxièmement, le risque de déformation de l'aluminium peut être efficacement réduit grâce à l'optimisation des outils, des méthodes d'usinage appropriées, des paramètres de coupe raisonnables et des méthodes de bridage adéquates. Concernant l'optimisation des outils, le choix d'angles d'hélice, d'attaque, de recul et de déviation appropriés, ainsi que la maîtrise de l'usure des outils, permettent de réduire l'effort de coupe, la chaleur générée et, par conséquent, la déformation des pièces. Concernant les méthodes d'usinage, l'usinage symétrique, l'usinage par couches successives, le pré-perçage et le fraisage, ainsi que l'utilisation de différentes techniques de fraisage et d'autres savoir-faire permettent d'obtenir un usinage plus stable et de réduire les risques de déformation. Un choix judicieux des paramètres de coupe permet de réduire l'effort de coupe et la chaleur générée, et d'éviter les déformations dues à un effort de coupe et à une chaleur excessifs. Concernant les méthodes de bridage, pour les pièces en aluminium à parois minces, le risque de déformation des parois peut être réduit par l'adoption de méthodes de bridage appropriées.

En résumé, éviter les déformations accidentelles lors de l'usinage de l'aluminium par commande numérique présente un intérêt pratique majeur pour améliorer la qualité des produits, réduire les coûts de production et renforcer la compétitivité des entreprises. En production, il convient d'appliquer ces méthodes de manière globale en fonction des situations spécifiques et de poursuivre les efforts d'innovation afin de garantir la stabilité et la fiabilité de l'usinage de l'aluminium.