Le micro-usinage de précision dans les matières composites

L’Allemand HPTec a développé des micro-outils pour l’usinage des matériaux composites, carbone et fibres de verre.

L’usage des composites à base de fibre de carbone ou de verre est de plus en plus sollicitée, y compris dans le secteur du luxe, en raison de leurs propriétés spécifiques. En général, pour l’usinage des matières composites, la qualité des arêtes de coupe de l’outil et la résistance à l’usure de la matière de coupe sont déterminant, pour éviter une délamination et détérioration de la pièce à usiner.

Optimisation de la géométrie de l’outil de coupe, choix du revêtement PVD ou CVD, ainsi que la composition du carbure mais également l’effet sur l’effort de coupe pendant l’usinage des matières composites sont les éléments qui ont dominé dans le développement d’outils chez HPTec. En réduisant l’effort de coupe, on réduit également la délamination et les bavures. Souvent, c’est le choix d’un trop grand diamètre qui est la cause d’efforts de coupe trop élevés et aussi le choix de l’angle. Mais aussi la direction de l’hélice : hélice à droite qui tire trop et hélice à gauche qui pousse trop, qui finalement mènent à une mauvaise qualité de surface de la pièce à usiner.

Le choix d’un revêtement dur

Le défi de développement était clairement défini pour le fabricant allemand d’outils coupants : obtenir, pendant le fraisage de contour de pièces composites de faible épaisseur, une surface lisse sans bavure ni délamination, avec un effort de coupe extrêmement faible. Un profil (denture) diviseur de copeaux et six dents réduisent cet effort jusqu’à 80 %, assure HPTec. Le programme comprend trois diamètres : 1,0 – 2,0 – 3,0 mm, chaque fois dans une version avec coupe à droite et hélice à droite de 19°, coupe à droite et hélice à gauche de 19°, et une version neutre coupe à droite et hélice de 0° (goujure droite).

Le substrat est un carbure ultrafin, avec une très haute résistance à la flexion, qui garantit une bonne fiabilité du processus d’usinage. Puisque les composites suivant le liant utilisé (Kevlar, polyester, aramide) et leurs fibres (verre ou carbone) peuvent être très abrasives, le choix du revêtement dur s’est après de nombreuses heures d’essais dans le laboratoire de HPTec. Finalement, le choix s’est porté pour un revêtement DLC (diamond like carbon). Le revêtement TT-ta-C est un carbone amorphe, tétraédrique, sans hydrogène, qui est réalisé par méthode « laser-arc », technologie PVD.

Angle d’hélice

Ce revêtement a non seulement un très faible coefficient de frottement, mais en plus il possède une microdureté entre 5 000 et 7 000 HV, et une température d’oxydation pour l’usinage à sec de maximum 500°C et avec émulsion maximum 800°C.

Selon l’épaisseur des parois de la pièce et le serrage de celle-ci (labile ou stabile), le risque de vibrations est évident. Ici, encore une fois, le choix du bon diamètre d’outil et la direction de l’hélice sont déterminants. L’angle d’hélice relativement faible de 19° ou de 0° réduit la traction ou la poussée sur la pièce lors de l’usinage. HPTec propose des outils avec un revêtement DLC ou sans revêtement pour les composites non abrasifs, et sur demande avec un revêtement CVD diamant de 14 µm d’épaisseur et une microdureté de 10 000 HV. D’autres dimensions à partir de diamètre 0,50 mm (5 dents) sont également disponibles sur demande.

Faux rond

Il est connu que pour les micro-outils, le faux rond contribue particulièrement à la prolongation de sa durée de vie et la qualité de surface. HPTec mise sur une tolérance du diamètre de la queue de l’outil h5 et non h6, comme il est courant. Le micro-usinage est un système global dans lequel chaque composant est adapté pour obtenir la précision dimensionnelle, la qualité de surface et en plus une longue durée de vie de l’outil. L’interface est décisive entre la broche haute fréquence et le micro-outil carbure et le système de serrage de l’outil.

Spécialement dans le domaine du micro-usinage de très haute précision, le système de serrage a une influence importante sur le résultat du processus. Un faux rond minimal et une répétabilité du processus sont indispensables. « Par expérience, nous savons que les micro-outils avec une queue de 3,00 mm, ou plus petit, serrée dans des mandrins de frettage traditionnelles surchauffent, et que le faux rond, inférieur à 0,003 mm, ne peut pas être atteint, affirme-t-on chez HPTec. Des essais nous ont montré que les mandrins de frettage à chaud perdent en précision à cause de l’influence thermique sur la matière. Ici aussi la tolérance de la queue du micro-outil est déterminante et doit être adaptée au système de serrage utilisé. »

Balourd résiduel minimal

Des systèmes de serrage conçus pour le micro-usinage de grande précision en combinaison avec les outils HPTec MCT UP permettent de mesurer un faux rond à l’outil serrée inférieur à 0,003 mm. Une autre exigence au système de serrage est un balourd résiduel minimal par des vitesses de rotation de 100 000 tr/mn. Pour cela, un équilibrage de G 2,5 par 30 000 tr/mn est impératif. Un autre désavantage des mandrins de frettage à chaud est la connexion rigide sans amortissement de vibrations. Pour le micro-usinage de très grande précision, HPTec recommande le serrage avec un mandrin à système polygone. Lequel permet d’allonger la durée de vie de l’outil (+ 50 %, voire au-delà), ainsi que la qualité de surface. Si les systèmes de frettage rigide transfèrent les vibrations directement sur la broche, le système de serrage par polygone joue comme un amortisseur pour la broche et prolonge ainsi la durée de vie de l’élément le plus précieux de la machine.