08 Octobre 2014  |  Machines-outils
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 08/2014

Des diamants pour le perçage des composites

La conception d’un outil de perçage doit être optimale pour produire des trous de qualité dans l’usinage de composites de pointe. L’utilisation de diamant polycristallin (PCD) dans ce type d’outil offre d’excellentes possibilités de rendement par rapport aux outils de coupe classiques en carbure de tungstène.

Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), seuls ou empilés entre des plaques de titane et d’aluminium, sont très répandus dans l’industrie aérospatiale à l’échelle mondiale, en raison de leur rapport résistance/poids élevé et de leurs propriétés de stabilité dans les environnements exigeants. Le Boeing Dreamliner 787, par exemple, possède 80 % de composites en volume, ce qui équivaut à 50 % de son poids, ce qui permet de supprimer 1500 tôles d’aluminium et jusqu’à 50’000 éléments de fixation. Il en résulte un gain de consommation de 20 % par rapport au Boeing 767. Actuellement, les techniques de raccordement comme le collage et le soudage ne sont toujours pas au point, si bien que les fixations par rivets restent la pratique dominante. Compte tenu des propriétés mécaniques sensiblement différentes des fibres de carbone et des métaux, le perçage efficace de trous de fixation met les outils de coupe à rude épreuve, en exigeant une forte résistance à l’usure, ainsi que des géométries d’outil optimales.
 
 
Une importante amélioration
Le diamant polycristallin (PCD) offre de grandes possibilités en termes d’amélioration du rendement par rapport aux outils de coupe classiques en carbure de tungstène destinés à l’usinage des matériaux aérospatiaux de pointe. Des fabricants majeurs d’outils de coupe développent et proposent des forets PCD brasés. Ces outils associent des arêtes de coupe en PCD à un corps monobloc en carbure, qui assure la rigidité et la précision dimensionnelle nécessaires pour conserver intacte la qualité des trous, tout en permettant aux trous d’arrosage internes en spirale et aux goujures hélicoïdales d’améliorer le refroidissement et l’évacuation de copeaux lors du perçage. Les arêtes de coupe fonctionnelles en PCD offrent la résistance à l’usure requise pour améliorer le rendement de l’usinage.
 
Une conception optimale
La conception optimale de l’outil est primordiale pour réaliser des trous de qualité dans l’usinage des composites aérospatiaux de pointe. De nombreux facteurs essentiels au cours de la conception dimensionnelle de l’outil jouent un rôle important influant sur la qualité des trous, comme un rayon d’arête plus petit et un angle de dégagement plus grand, afin de générer des efforts de coupe moindres. Parmi les autres facteurs, figurent un point d’angle plus petit pour réduire la poussée et le décollement des fibres, ainsi qu’une arête optimisée pour améliorer le contrôle de la hauteur d’ébavurage. Les machines-outils, la broche et la rigidité d’installation, l’adaptateur d’outil, le refroidissement ou l’arrosage interne, les matériaux des pièces à usiner dans lesquels pénètre et ressort le foret, sont autant de facteurs essentiels à prendre en compte lors de la conception de l’outil. Dans de nombreux cas, des outils sur mesure sont indispensables pour répondre aux différents besoins des clients dans les délais impartis.
 
Le développement de l’outil
Le développement d’un foret haut de gamme renforcé PCD exige la connaissance approfondie de l’approche de synthèse adéquate. L’élaboration d’un tel processus détermine non seulement les performances de l’outil, mais influe également sur l’efficacité opérationnelle et les coûts des outils.
Il existe quatre techniques principales pour réaliser des forets synthétiques à base de diamant destinés aux matériaux composites:
 
1. Un foret à revêtement de diamant par CVD (dépôt chimique en phase vapeur)
Un foret en carbure monobloc est revêtu de diamant par CVD. C’est là une solution économique. Cependant, le tranchant est limité par l’épaisseur du revêtement. Aussi, en raison de l’important écart de dureté entre le substrat de carbure et le revêtement de diamant, cette solution a une faible capacité d’absorption de l’énergie d’impact. La résistance aux copeaux est également limitée.
 
2. Un foret revêtu de PCD
Un PCD en forme de cône est fritté sur un petit substrat de carbure ayant certaines géométries de points. Le composant semi-fini est ensuite brasé sur un corps de foret en carbure monobloc. Cette solution est limitée dans optimisation de nuance de PCD, en raison de la nécessité de gérer des tensions d’interface à haute teneur en carbure/PC. Le traitement de post-frittage peut également s’avérer coûteux en raison des efforts nécessaires pour retirer les diamants des zones non fonctionnelles et ajouter les orifices de refroidissement internes.
 
3. Un foret de PCD veiné
Une tige de carbure monobloc pourvue d’une rainure pré-usinée est remplie de poudres précurseurs de PCD, puis soumise à une pression et à une température extrêmement élevées pour synthétiser la structure de PCD. Après ce processus abrégé HPHT, la tige sera coupée, brasée sur un corps de foret et enfin aiguisée selon des géométries d’outils spécifiques. Cette technologie de PCD veiné, générant une géométrie complexe avec une forme et des angles de coupe hautement positifs, nécessite moins d’aiguisage par rapport à un foret revêtu de PCD. Elle est limitée en taille, en raison de l’application d’une pression et d’une température élevées sur la géométrie 3D complexe. En outre, une teneur élevée en cobalt est normalement nécessaire, ce qui réduit la dureté et la résistance à l’usure du PCD.
 
4. Un foret de PCD brasé
La technique la plus répandue pour les forets PCD (à raccordement bêche, par exemple) est le 2D. On utilise un PCD spécial pris en sandwich dans le carbure pour les plus petites tailles, ainsi que des pointes spécifiques en PCD pour les plus grandes tailles. Cette solution connaît de sérieuses limites géométriques, car il est difficile d’ajouter les angles de coupe positifs indispensables à l’usinage composite. Le brasage 3D nécessite de couper comme prévu, en forme hélicoïdale, la majeure partie du bloc de PCD dans la nuance et la microstructure souhaitées. On meule une rainure hélicoïdale correspondante dans un foret en carbure monobloc pour recevoir la lame en PCD. Par rapport à la solution à tête PCD, ce brasage 3D n’applique le PCD que sur les zones fonctionnelles, améliorant ainsi l’aptitude à l’usinage. Cette technique de brasage 3D est choisie pour développer les forets tests PCD de cette recherche.
 
Un facteur important
L’aptitude à l’usinage du diamant est un autre facteur important dans le choix d’une nuance PCD adéquate. Cette aptitude a été évaluée en mesurant les temps de fabrication d’outils identiques réalisés en différents matériaux PCD bruts. L’accent est mis sur l’ensemble des étapes de fabrication impliquant une érosion de disque en PCD et un fraisage. Le tableau 1 présente les résultats de ce test d’aptitude à l’usinage. Celle-ci est meilleure lorsque la note est plus élevée, car à des temps de fabrication réduits correspondent des coûts de fabrication moindres; il s’agit d’un élément tout aussi important que les performances de l’outil pour élaborer une solution d’outillage concurrentielle.
 
Le brasage du PCD
L’outil présenté ici nécessitant un joint brasé d’une tranche de matériau PCD brut à coupe hélicoïdale dans un corps en carbure de tungstène, la technique de brasage choisie doit non seulement empêcher la graphitisation du diamant polycristallin métastable, mais aussi faire adhérer le PCD au carbure de tungstène. Il faut, pour ce faire, une technique de brasage actif. Un matériau de brasage actif comporte généralement des composés à point de fusion plus élevé, comme le titane. Les températures de brasage sont donc plus élevées, ce qui a une incidence négative sur la stabilité de la phase diamant. Afin d’empêcher la graphitisation, il faut empêcher toute atmosphère oxydante lors du brasage. Les technologies de pointe comprennent le brasage par induction sous atmosphère d’argon et le brasage sous vide.
 
Une géométrie optimale de l’outil
Il s’avère difficile de choisir la géométrie d’outil optimale pour le perçage d’empilements de composite/titane, car les deux matériaux de coupe exigent des caractéristiques de forage différentes. Le perçage du polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) s’effectue habituellement avec des angles d’hélice élevés et des tranchants longs car à défaut, les fibres de carbone se cisailleraient le long de l’arête de coupe. Les tranchants longs sont obtenus par de faibles angles de pointe. En outre, les forets pour le CFRP devraient induire des forces axiales faibles, afin d’éviter le délaminage en sortie de trou. Le tout se traduit par des géométries de coupe assez acérées, avec de petits angles de tranchant.
Les angles de dépouille atteignent 20° avec des angles d’hélice de 30° environ. On peut en principe également utiliser un tranchant acéré pour la coupe du titane. Cependant, par rapport au perçage du CFRP, un angle de tranchant plus stable est nécessaire. Les angles de dépouille typiques pour les applications titane sont compris entre 8° et 14°. Comparativement à l’usinage de l’acier, ces angles sont plus élevés (12° environ dans le cas présent), car il faut réduire au minimum la production de chaleur sur la surface de dépouille, afin de diminuer l’usure. Etant donné que des angles de dépouille élevés conjugués à des angles d’hélice typiques d’environ 30° affaibliraient beaucoup trop le tranchant, l’angle d’hélice doit être abaissé dans une plage de 15 à 20°, afin de contrebalancer l’utilisation d’angles de dépouille élevés. La technologie de fabrication présentée permet des angles d’hélice variables en fonction de la géométrie de l’outil. C’est l’un des principaux avantages de cette méthode, car les outils en PCD à pointe biseautée ne sont compatibles qu’avec des angles d’hélice de 8° maximum.
Afin de réaliser des tolérances de diamètre de trou strictes, il est impératif que la pointe de foret ait une excellente capacité d’auto-centrage. Par ailleurs, l’angle de la pointe joue également un rôle important en ce qui concerne la formation de bavures. On sait qu’en dessous de 90° ou au-dessus de 150°, les angles de pointe contribuent à diminuer la hauteur de la bavure de sortie de trou. Un foret doté d’un angle de pointe de 155° serait par conséquent adapté aux besoins de sortie de titane, mais serait dépourvu d’une bonne capacité de centrage. En conséquence, une conception à double angle de pointe est proposée avec un angle de pointe interne de 130° et un angle de pointe externe de 155°. La hauteur de pointe hors tout d’un tel foret est assez courte, par rapport à des forets à long tranchant utilisés habituellement. Les troisième et quatrième bordures sont ainsi mises en contact avec le matériau très rapidement, ce qui contribue à préserver des tolérances de trou strictes.
 
Une conception avantageuse
La capacité interne d’arrosage est un autre avantage de la conception de foret proposée. Pour le perçage de plaques en CFRP pur, les trous d’arrosage internes doivent contribuer à transporter rapidement la poussière du CFRP et à l’évacuer des goujures de foret par air comprimé. Pour la coupe d’empilements CFRP/titane, on applique une microlubrification (MQL) au moyen de ces canaux d’arrosage internes pour assurer la lubrification, tout en réduisant l’énorme quantité de chaleur générée lors de l’usinage du titane, due à sa faible conductivité thermique. C’est pourquoi la microlubrification est indispensable pour le perçage avec des outils en PCD, faute de quoi la forte chaleur au niveau du bord de coupe entraîne une graphitisation ou une formation de carbure de titane (TiC). Cette réaction provoque une usure chimique dans la zone de goujure et finalement des ébréchures du PCD au niveau des goujures.
 
Une étude expérimentale
Les outils en PCD développés sont testés expérimentalement dans le but d’évaluer la nuance de PCD et les géométries d’outil les plus adaptées aux applications ciblées. La configuration de test et les paramètres de coupe sont les suivants:
• Les outils de test
Des forets PCD brasés, de diamètre 11,113 mm (7/16’’), avec trois nuances de PCD différentes (G4, KD1415 et KD1425) et un foret en carbure monobloc non revêtu de même géométrie.
• Le coupon métallique
Le coupon métallique consiste en une plaquette en CFRP (Isocarbon 3K) du commerce, de 8,7 mm d’épaisseur, empilée avec une plaquette Ti-6Al-4V de 10,8 mm d’épaisseur. Les outils de test percent des trous débouchants, pénétrant côté CFRP et ressortant côté titane.
• La machine–outil et le réfrigérant
Un centre d’usinage CNC (Heckert CWK 400) à broche horizontale, avec lubrification par micropulvérisation par le centre broche (Vascomill MMS FA2).
• Les paramètres de coupe
Vitesse de coupe de 20 m/min (65 SFM) et vitesse d’avance de 0,05 mm/tr, aussi bien pour le CFRP que pour le titane. Aucun cycle de débourrage utilisé.
• L’inspection de l’outil
Pour surveiller l’évolution de l’usure de l’outil, les forets testés ont été examinés au microscope tous les quatre perçages de trous. L’inspection du mécanisme d’usure a été réalisée au microscope électronique à balayage (MEB) après perçage de 24 trous.
• La mesure des trous
A l’issue des les tests d’usinage, les coupons métalliques sont nettoyés et marqués. Tous les trous forés sont inspectés. Le diamètre de trou est mesuré pour chaque trou à quatre profondeurs (deux dans la couche de CFRP à proximité des surfaces d’entrée et de sortie et deux dans la couche de titane). La hauteur d’ébavurage de la sortie du trou sur la surface de titane inférieure est également mesurée.
 
Les résultats et l’analyse
Une longue durée de vie, prévisible et constante, est un facteur déterminant du succès de l’outil. En termes de perçage d’une matrice composite CFRP/Ti, plusieurs exigences doivent être satisfaites simultanément pour accepter un trou. Sa taille doit être comprise dans des tolérances très strictes pour s’adapter à l’élément de fixation; la bavure de sortie doit être contrôlée suivant une hauteur précise pour faciliter ou éliminer l’ébavurage. Pour éviter tout risque d’endommagement du trou par une défaillance de l’outil et faire en sorte que celui-ci puisse être remis en état, les ébréchures dans les coins doivent être surveillées et réduites au minimum. Les critères suivants ont été retenus pour déterminer quand l’outil de test arrive en fin de vie:
a. la tolérance de dimension du trou de 11,113 + 70 µm (H10);
b. la dimension de bavure de 0,2 mm;
c. la présence d’ébréchures dans les coins.
 
D’après les résultats des tests, les ébréchures dans les coins ont constitué le principal mode de défaillance des forets en PCD en fin de vie. Le foret en carbure a échoué en dépassant les caractéristiques de hauteur d’ébavurage. Les exigences de qualité de perçage ont pu être satisfaites pour tous les trous forés au cours de ce test.
 
La dimension des trous
La figure 1 présente des diamètres de trous exemplaires pour un outil en PCD testé. Pour chaque trou inspecté, le diamètre du trou a été mesuré à quatre endroits différents: deux dans la section CFRP et deux dans la section titane, respectivement près de la surface d’entrée du trou et de la surface de sortie inférieure.
 
Figure 1
 
On peut voir que le diamètre du trou dans la couche de titane se trouve bien en plein milieu de la tolérance spécifiée fluctuant dans une petite plage de 10 µm. Dans la couche de CFRP, on observe un écart relativement important de la taille du trou entre l’entrée et la sortie. Cet écart est imputable aux copeaux qui rayent la paroi du trou au moment de l’évacuation. Un meilleur contrôle des copeaux est essentiel pour réduire les rayures et améliorer la cohérence de taille des trous. Il est difficile de résoudre le problème du contrôle des copeaux par la seule conception de l’outil. Il est prouvé dans la pratique que l’ajout de cycles de perçage profond ou de perçage par vibrations aide à contrôler la longueur des copeaux et diminue les effets de rayure.
Les résultats indiquent que la nouvelle conception de pointe de forage proposée est capable de créer des trous de tolérance H10. Avec des conditions d’usinage optimisées, il est même possible de réaliser des niveaux de tolérance de trous de H8 avec une bonne fiabilité. On n’a pas noté de dépendance de la qualité de trou en fonction du matériau du tranchant. Les outils en PCD et en carbure dotés de la même géométrie de perçage produisent des résultats de qualité de trou similaires.
 
La hauteur d’ébavurage
On peut voir une dépendance évidente au matériau de bord de coupe du foret, s’agissant des résultats de perçage quant au contrôle de la hauteur d’ébavurage et aux mécanismes d’usure. La figure 2 montre la progression de la hauteur d’ébavurage par rapport au nombre de trous pour un carbure et deux PCD (nuances KD1415 et G4).
 
Figure 2
 
On peut constater qu’un foret en carbure crée des bavures de sortie de titane excessives à l’issue de seulement 14 trous, tandis que le premier trou hors spécification est, pour les deux forets en PCD, de 57 et 117 trous.
En théorie, la hauteur de progression d’ébavurage devrait être une fonction d’usure en coin de l’outil de coupe. On peut le montrer entre le carbure et le PCD, en raison des grandes différences de dureté du matériau et par conséquent d’usure en coin progressant plus lentement sur les outils en PCD. Celui-ci présente une usure en coin nettement moindre que le foret en carbure. La différence de progression d’usure entre les trois nuances de PCD paraît mineure. La tendance d’usure dominante des nuances de PCD, c’est l’ébréchure du tranchant/en coin.
Le tableau 1 donne une vue d’ensemble des résultats de la durée de vie d’outil pour trois nuances de PCD testées. Comme on peut le voir, les nuances G4 et KD1415 sont très semblables en termes de durée de vie de l’outil. La nuance KD1415 montre une durée de vie plus constante, ainsi qu’une meilleure aptitude à l’usinage pour réduire les coûts de fabrication. C’est par conséquent celle qui est choisie comme étant la nuance la plus adaptée à cette application.
Tableau 1
 
En conclusion
Des forets en carbure monoblocs brasés en PCD, avec trois nuances de PCD différentes et des géométries d’outil optimales, ont été développés et testés. Les conclusions de ces travaux sont les suivantes:
  1. La technique de brasage 3D permet la fabrication d’outils en PCD à hélice flexible et par conséquent de grands angles de coupe. Par rapport à la solution à tête en PCD, le brasage 3D améliore l’aptitude à l’usinage en enlevant moins de PCD des faces fonctionnelles.
  2. Avec la géométrie d’outil optimale (double angle de pointe, goujures hélicoïdales, canaux d’arrosage internes en spirale, grands angles de coupe), les forets en PCD développés étaient capables de générer de bonnes qualités de trou (diamètre de trou et contrôle de la hauteur d’ébavurage).
  3. Par rapport aux forets en carbure monobloc sans revêtement, les forets en PCD font apparaître une amélioration sensible de la durée de vie de l’outil.
  4. Tous les forets en PCD présentent les mêmes traces d’usure, qui commencent par des microfractures au niveau de la face de coupe et se terminent par des ébréchures catastrophiques dans les coins.
  5. La nuance KD1415 a dépassé les résultats des nuances G4 et KD1425 en termes de constance de durée de vie d’outil et d’aptitude à l’usinage. La nuance KD1415 était par conséquent la mieux adaptée à cette application.
 
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