F-Titanzerspanung_Markus Kühni

Article paru dans le magazine «mav»
Edition Mars 2011
Markus Kühni, responsable du service clients, Blaser Swisslube AG
Le titane gagne en importance dans différents domaines industriels, avant tout dans
l’industrie aéronautique. Dans l’usinage, l’application judicieuse du lubrifiant réfrigérant
joue un rôle essentiel en matière de productivité.
Markus Kühni, responsable du service clients, explique le pourquoi et le comment.
Pourquoi le titane est une matière fascinante pour un fabricant de lubrifiant réfrigérant ?
L’usinage de titane est très exigeant car il engendre beaucoup de chaleur difficile à évacuer.
C’est pourquoi le refroidissement est plus important que lors d’usinage d’autres matières. Sans
refroidissement en fait, trop de chaleur transmise à la pièce rendrait la précision dimensionnelle
de celle-ci très difficile. Une bonne lubrification est également importante du fait qu’elle diminue
d’emblée la formation de chaleur.
L’usinage de titane demande-t-il des exigences particulières ?
Pour usiner le titane dans les règles de l’art, il faut savoir résoudre différents problèmes. En effet,
le titane a trois fois moins de conductibilité thermique que l’acier, un module d’élasticité faible
ainsi qu’une tendance caractéristique à coller.
La chaleur doit être évacuée surtout par l’arête de coupe et la pièce et non par les copeaux
comme pour d’autres matières. L’outil subit alors une forte sollicitation thermique ; de grandes
quantités de lubrifiant réfrigérant ayant une bonne capacité de refroidissement sont
indispensables.
Le faible module d’élasticité signifie que le titane a facilement tendance à se comporter comme
‘ressort’. C’est pourquoi la machine-outil doit être particulièrement stable afin d’éviter la formation
de vibrations. Pour finir, la tendance à coller comporte le risque de formation d’arêtes rapportées
qui ne facilitent pas non plus l’usinage ; un outil avec arêtes rapportées ne coupe plus
correctement et la qualité de surface en pâlit. Il est important de mentionner qu’aujourd’hui,
différents alliages de titane sont utilisés. Dans ce cadre, on rencontre de plus en plus le nouvel
alliage à base de titane 5553 (Ti-5AI-5V-5MO-3CR). Cet alliage, utilisé pour la fabrication de
trains d’atterrissage, augmente encore les problèmes d’usinage à résoudre mentionnés
auparavant. Il est important de trouver la vitesse de coupe optimale ; cependant, des grandes
vitesses de coupe engendrent des hautes températures de l’arête de coupe. C’est la raison pour
laquelle la vitesse de coupe ne peut être augmentée à volonté. Si l’on souhaite une augmentation
du taux d’enlèvement de matière, il faut choisir alors une avance plus importante.
Comment le lubrifiant réfrigérant influence-t-il l’usinage et la productivité ?
Pour ces usinages et matériaux exigeants, l’augmentation de productivité due au lubrifiant
réfrigérant peut très bien être mesurée. En fait, les différences de qualité entre les produits
apparaissent au grand jour. La réussite de l’usinage dépend aussi de l’alimentation optimale en
lubrifiant réfrigérant. Ce dernier est souvent amené en grande quantité et sous haute pression.
En règle générale, on utilise des outils avec amenée interne de lubrifiant réfrigérant.
Où se trouve-on dans le développement des lubrifiants réfrigérants pour l'usinage de
titan ?
Le développement est très rapide. Le lubrifiant réfrigérant doit être adapté aux conditions
changeantes. De grandes pièces en titane peuvent parfois rester serrées deux à trois jours du
fait du grand volume d’enlèvement de copeaux. Par un choix judicieux du lubrifiant réfrigérant, le
taux d'enlèvement de copeaux (volume de copeaux par unité de temps) peut être doublé,
diminuant ainsi le nombre d’heures d’usinage. Pour compléter nos prestations de recherche et
développement en matière chimiques, microbiologiques et analytiques, nous avons aménagé
chez nous un centre technologique. Les machines-outils combinées au savoir-faire y relatif
constituent un avantage essentiel pour le développement de nos produits. Ces derniers peuvent
être testés directement sous toutes les coutures dans un environnement réel. Par exemple, nous
fraisons des rainures dans le titane (Ti6Al4V) puis examinons ensuite l’usure. Chaque produit est
ainsi défini par sa course d’outil dans une matière spécifique.
Grâce à nos contacts suivis avec nos clients, les fabricants de machines et d’outils ainsi qu’avec
les hautes écoles techniques, nous nous trouvons au cœur du développement et pouvons y
participer activement.
Comment tenez-vous compte des dernières technologies dans le développement de vos
produits ?
Des nouvelles matières et nouvelles technologies ainsi que les performances toujours plus
poussées des machines posent aussi de nouvelles exigences aux lubrifiants réfrigérants. Un
exemple : dans le cadre de l’usinage de haute performance, un nombre de 30'000 tours par
minute n’est aujourd’hui plus exceptionnel. Dans de telles conditions, les gouttes de lubrifiant
réfrigérant subissent des forces centrifuges énormes. Pour bien des applications, le lubrifiant
réfrigérant est amené à travers l’outil ; on parle alors d’outils à refroidissement intérieur. Ceci
n’est possible que sous haute pression. C’est aussi une sollicitation non négligeable pour le
lubrifiant réfrigérant. En règle générale, de telles applications posent des exigences extrêmes
quant au caractéristique anti-moussage d’un lubrifiant réfrigérant et poussent les émulsions aux
limites de leur capacité.
Pour le lubrifiant réfrigérant, que signifie concrètement l'amenée interne sous haute
pression ?
Pour garantir l’amenée par les canaux fins, il doit être constamment filtré. En plus, l’émulsion doit
présenter une excellente stabilité si non, l’huile se sépare de l’eau. Durant l’amenée, la
sollicitation mécanique ne doit pas engendrer de la mousse sous peine de diminuer très
fortement les capacités de refroidissement et de lubrification.
Si l’on arrosait sans pression, la chaleur sur l’arête de coupe crée une bulle de vapeur la privant
ainsi de suffisamment d’émulsion. C’est seulement l’amenée interne du lubrifiant réfrigérant qui la
conduit là où elle est le plus utile, c’est-à-dire au point où la chaleur se développe.
Quelles pressions un lubrifiant réfrigérant doit-il être capable de supporter ?
Le développement des applications ne s’arrête pas ; autrement dit, les pressions demandées
augmentent toujours. C’est pourquoi toutes les pièces de l’amenée, par exemple le passage
tournant, doivent être dimensionnées pour résister à ces hautes pressions. Aujourd’hui, les
pressions exigées vont jusqu’à 150 bar.
Existe-t-il d’autres exigences ?
Dans ces applications, la stabilité à long terme de l’émulsion est un point très important. La haute
nébulisation et la forte évaporation sont dans bien des cas à l’origine de l’augmentation de la
teneur en sel du lubrifiant réfrigérant. Ces sels proviennent de l’eau. Le lubrifiant réfrigérant doit
donc rester stable même si le taux de sel augmente. La haute nébulisation influence aussi la
qualité de l’air. C’est la raison pour laquelle le lubrifiant réfrigérant doit présenter une bonne
compatibilité avec l’homme, notamment en ce qui concerne les voies respiratoires. Cependant,
l’exigence la plus importante reste la bonne capacité de lubrification et de refroidissement. C’est
justement lors de l’usinage de titane durant de longues heures où l’utilisation du meilleur lubrifiant
réfrigérant peut s’avérer très payante. Il vaut la peine d’utiliser des lubrifiants réfrigérants ayant
été testés dans l’usinage de titane chez le fabricant.
Quelle est l’importance de la maintenance du lubrifiant réfrigérant pour l’usinage de
titane ?
L’usinage de haute performance n’est possible qu’avec un lubrifiant réfrigérant maintenu !
C’est un ensemble minutieusement optimisé entre la machine, l’outil, la pièce, le lubrifiant
réfrigérant et le savoir-faire de l’opérateur qui garantit le résultat parfait de l’usinage.
La stabilité de l’usinage ne peut être assurée que par un lubrifiant réfrigérant propre. Durant la
production, le lubrifiant réfrigérant se charge d’huile hydraulique, de poussières métalliques, de
copeaux, de produits nettoyants, de restes de revêtement, de saleté ou encore d’huile de
glissière. Grâce à une bonne filtration et une maintenance régulière, le lubrifiant réfrigérant est en
mesure de remplir les exigences élevées pendant longtemps.
Il nous fait plaisir de constater que les utilisateurs réalisent de plus en plus l’importance du
lubrifiant réfrigérant sur leur productivité.
La fascination d’usinage de titane
• Les pièces en titane se distinguent par une haute résistance mécanique, un poids faible et une
excellente résistance à la corrosion. En plus, la température de fusion du titane est très élevée.
Toutes ces caractéristiques sont très appréciées dans l’industrie aéronautique.
• La température de fusion est un paramètre important pour des pièces subissant des
températures élevées, appelées „hot parts“. Avec 1’660°C, la température de fusion du titane
est considérablement plus élevée que celle de l’acier.
• La haute résistance mécanique pour une densité relativement faible est importante pour les
pièces soumises à de fortes sollicitations, par exemple les trains d’atterrissage.
• Au contact de l’air, le titane forme un revêtement d'oxyde très solide le protégeant contre la
corrosion dans la plupart des médias.
Grand volume d’enlèvement de copeaux
Selon Boeing et Airbus, la part de titane dans les avions modernes se situe autour de 7%. Pour
les nouveaux avions, cette part sera même de 15 à 20%. Le volume d’enlèvement de copeaux
(les spécialistes parlent de „buy to fly ratio“) est très élevé. En effet, le poids de la pièce terminé
ne pèse plus qu’environ 5% par rapport au poids initial de la matière à usiner. Autrement dit, le
95% de la matière se transforme en copeaux. Ainsi, la quantité de matière brute de titane utilisée
dans l’aviation peut encore être multipliée par le facteur 20. Souvent, le titane est aussi utilisé
comme matériel de structure. Dans les nouveaux avions, les pièces en matières composites sont
de plus en plus utilisées afin de réduire le poids de ceux-ci. Ces pièces sont alors assemblées
par des structures solides en titane.
Pour usiner le titane dans les règles de l’art, il faut savoir résoudre différents problèmes. En effet,
le titane a trois fois moins de conductibilité thermique que l’acier, un module d’élasticité faible
ainsi qu’une tendance caractéristique à coller.
La chaleur doit être évacuée surtout par l’arête de coupe et la pièce et non par les copeaux
comme pour d’autres matières. L’outil subit alors une forte sollicitation thermique ; de grandes
quantités de lubrifiant réfrigérant ayant une bonne capacité de refroidissement sont
indispensables.
La stabilité de la machine-outil est indispensable
Le faible module d’élasticité signifie que le titane a facilement tendance à se comporter comme
‘ressort’. C’est pourquoi la machine-outil doit être particulièrement stable afin d’éviter la formation
de vibrations. Pour finir, la tendance à coller comporte le risque de formation d’arêtes rapportées
qui ne facilitent pas non plus l’usinage ; un outil avec arêtes rapportées ne coupe plus
correctement et la qualité de surface en pâlit. Il est important de mentionner qu’aujourd’hui
différents alliages de titane sont utilisés. Dans ce cadre, on rencontre de plus en plus le nouvel
alliage à base de titane 5553 (Ti-5AI-5V-5MO-3CR). Cet alliage, utilisé pour la fabrication de
trains d’atterrissage, augmente encore les problèmes d’usinage à résoudre, mentionnés
auparavant. Il est important de trouver la vitesse de coupe optimale ; cependant, des grandes
vitesses de coupe engendrent des hautes températures de l’arête de coupe. C’est la raison pour
laquelle la vitesse de coupe ne peut être augmentée à volonté. Si l’on souhaite une augmentation
du taux d’enlèvement de matière, il faut choisir donc une avance plus importante.
Mars 2011
Copyright Blaser Swisslube AG