Une barre d'alésage réglable permet la fabrication de manchettes à paroi mince et durables.
Problème :
Depuis plus de 60 ans, le Los Alamos National Laboratory travaille pour la sécurité et la sûreté des États-Unis en développant et en exploitant les meilleures techniques scientifiques et technologiques au monde. Les gens et l'environnement de travail de Los Alamos permettent une science inégalée grâce au leadership, à l'innovation, à de meilleures procédures de gestion et à un souci permanent pour des opérations sûres et sécurisées afin de faire de cette unité le premier laboratoire scientifique national du 21ème siècle.
La division science et technologies des matériaux de Los Alamos’, groupe polymères et revêtements, doit fabriquer des manchettes en aluminium de grande longueur à paroi mince utilisées dans une série d'expérimentations sur la densité à haute énergie. Plus spécifiquement, les manchettes sont utilisées en expérimentations de spallation. La spallation est un processus dans lequel des fragments de matière sont éjectés d'un corps en provoquant un impact ou une contrainte. Dans le contexte de la physique des impacts, on décrit l'éjection ou la vaporisation de matière à partir d'une surface cible lors d'un impact par un projectile. Les revêtements agissent comme étant les projectiles entraîneurs qui font converger l'énergie sur une cible.
Dans l'expérience, le courant électrique est pulsé par la manchette (revêtement) en une fraction de seconde, il implose, se dirige vers le centre d'une cible puis frappe la cible. La spallation est un déchirement proprement dit du matériau de la cible.
Frank Fierro, un technicien confirmé du laboratoire, est en dessous de la vérité lorsqu'il dit que la manchette doit être “aussi ronde et aussi bien finie que possible.”
En réalité, cette manchette, qui est en forme de cylindre et fabriquée en aluminium quasi-pur (99,99 %), devait respecter des tolérances bien précises. La combinaison d'une paroi fine de seulement 3 millimètres et d'une longueur de 234 millimètres entraîne des problèmes de fabrication du fait de la concentricité et de l'état de surface. La manchette complète devait être mesurée à des tolérances sur la longueur, le diamètre et la circularité d'environ 12 micropouces.
L'état de surface intérieur était encore plus critique. L'utilisation de barres d'alésage conventionnelles et même de barres et de plaquettes de technologie moyenne aurait développé des harmoniques, y compris un broutage en toute profondeur dans l'alésage. Le broutage aurait été un problème particulier à l'extrémité de la manchette qui n'est pas fixée lors du processus d'alésage. Cela provoque alors un mauvais état de surface de rugosité moyenne de 0.711 µm. Les scientifiques ont établi la rugosité moyenne à un maximum de .203 µm sur toute la longueur de la face intérieure de la manchette.
L'aluminium quasiment pur rend la tâche plus complexe. “Ce matériau est assez mou et gommeux,” dit Fierro. “Il est meuble et même une légère pression y laisse une marque. Il est facilement déformable, spécialement avec ces parois fines et la grande longueur.”
Ceci ne facilitait pas le défis à relever et nombreux étaitent ceux qui émettaient des doutes au sein même de l'équipe de Fierro. Étant donné la longueur et le matériel, les scientifiques eux-mêmes se sont demandés si une manchette de telles tolérances était possible à réaliser même sous couvert de l'expérimentation. “Certains personnes présentes avaient de sérieux doutes que cela puisse se faire,” dit Fierro.
Solution
En regardant un catalogue d'outils de Kennametal, chez qui Fierro disait acquérir 99 pourcents de tous ces outils, il commença à rechercher une barre d'alésage “longue et costaude” à utiliser sur son tour HAAS CNC TL-1 relativement bon marché. “C'est à cet instant que je vis une barre d'alésage réglable qui semblait être en mesure d'éliminer le broutage, les vibrations et harmoniques. J'ai appelé Jai Prasad (Ingénieur Applications Usinage des Métaux) chez Kennametal et il me confirma que c'était bien la barre dont j'avais besoin (avec une plaquette de coupe en diamant polycrystallin).
“Jai est effectivement venu et nous réalisâmes un petit essai avec la barre d'alésage sur la machine. Cela fonctionna parfaitement. Ses connaissances et son aide firent une grande différence dans l'atelier.”
Fierro créa d'abord une manchette de 10 pouces de longueur comme éprouvette d'essai afin de démontrer que la barre d'alésage réglables ferait effectivement le travail demandé. Satisfait d'avoir les bons outils, il pu travailler sur des pièces réelles requises pour l'expérience.
Fierro commença à usiner une manchette brute avec une bride sur une extrémité, au lieu d'utiliser des pinces. Les pinces auraient provoquer une déformation. A la place, la bride fut boulonnée directement sur la plaque de fixation du tour de manière à éliminer les contraintes externes sur la manchette. D'abord, il dégrossit le diamètre intérieur jusqu'à une côte quasi nette, via des profondeurs de coupe modérées pour gagner du temps. Fierro plaça ensuite un bouchon légèrement ajusté à la manchette de manière à réduire significativement les vibrations durant l'usinage du diamètre extérieur de la manchette. .
Le travail de finition à venir fut le point critique et final du processus avant le tronçonnage de la bride.
“Il réalisa les passes de finition en retournant vers l'intérieur de la manchette. C'est ici que la barre d'alésage ajustable fit toute la différence,” dit Fierro. “J'ai du finir de manière constante toute la longueur de la pièce.
“Au début de la coupe, dès que l'on commence à couper au bord, c'est normalement à ce niveau que les vibrations et les harmoniques sont les plus intenses. A ce point, la barre est en porte-à-faux sur environ 9 ou 10 pouces et est plus éloignée du point de maintien de la manchette. La barre ajustable arriva ajusté de l'usine et fut réglée à une longueur de 10 pour 1 ; Je n'ai plus jamais eu à la réajuster. Quasiment aucune vibration n'a été produite. La manchette a été mise en rotation à 1000 tr/min. La fraise était stable. Tout ceci a été fait via un contrôleur de commande numérique (CNC) utilisant un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO).”
La vitesse de rotation (en tr/min) utilisée en modes d'essai et d'erreur fut celle employée par Fierro. “La pensée générale en usinage stipule que lorsque l'on essaye de réaliser une coupe de finition finale, il est impératif de procéder avec une vitesse de rotation élevée et un taux d'avance faible afin d'obtenir le meilleur état de surface possible. Cependant, si l'on venait à procéder à l'usinage de cette pièce avec un outillage conventionnel, avec une vitesse de rotation faible comme élevée, le broutage et les vibrations seraient toujours présents. Avec cette barre réglable, j'ai pu essayer des vitesses de rotation faibles et élevées et la vitesse moyenne de 1000 tr/min fut celle la mieux adaptée. Le temps étant de l'argent, des vitesses bien plus élevées sont appliquées lors des tâches d'usinage. Mais il est ici question d'un matériau spécial et de tolérances spécifiques.”
Fierro n'est habituellement que peu concerné par la production de pièces en grandes séries. Son atelier réalise des lots de prototypes. “Cela n'a rien à voir avec la réalisation de centaines de pièces et il n'est pas ici question d'essayer de glaner quelques secondes par coupe. Les prototypes peuvent être plus durs et il est souvent difficile de savoir comment aborder une problème donné autrement qu'en puisant dans ses connaissances et son expérience.”
Il avoua que le travail s'était relativement facilité, mais il dut également réfléchir sur l'évacuation des copeaux de sorte qu'ils ne s'accumulent pas et provoquent des rayures à l'intérieur de la manchette. “Les rayures seraient alors parfaitement visibles. Ce qui m'a aidé fut que lors des coupes finales, j'ai réalisé de très légères passes, pas plus profondes que 10 microns.”
Résultat
La coupe de finition finale à l'intérieur de la manchette fut constante et réalisée à .017 µm sur toute une longueur de 234 mm– soit mieux que la tolérance de finition de .034 µm fixée par les scientifiques–. Cela démontra à ceux qui en doutaient que s'était possible. “Je leur ai montré qu'ils se trompaient” dit Fierro en souriant. “La finition était effectivement meilleure que prévue.”
Il avoua que la barre d'alésage réglable Kennametal rendit possible les expériences.
“Je n'aurais pas été en mesure d'obtenir ces tolérances sans cette barre d'alésage. Et sans cette finition, la fabrication de la pièce n'aurait pas été justifiée. En effet, ce fut le facteur décisif pour ce travail. Si je n'avais pas pu créer cette pièce, les expériences n'auraient pas pu se faire. Sans cela, nous aurions dû la concevoir complètement différemment. Ils auraient dû réduire les dimensions.”
La longueur de la manchette permit aux scientifiques de mettre en oeuvre plusieurs expériences à l'intérieur même de la manchette, ce qui n'aurait pas été possible initialement. Après plusieurs expériences, les scientifiques furent capables d'en apprendre davantage tout en économisant du temps et donc de l'argent.
“L'expérience s'est bien déroulée et je suis définitivement satisfaits, tout comme chaque personne ici.”
Fierro rajouta que cela était également remarquable du simple fait que l'équipement utilisé, le tour Haas, était relativement peu onéreux. “C'est n'est pas une machine haut de gamme mais elle a parfaitement fait ce que je souhaitais qu'elle fasse.”
En fait, quand Fierro fit un exposé lors d'une conférence de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers, les participants furent surpris qu'il fut possible d'obtenir des tolérances aussi précises, étant donné l'emploi d'aluminium mou et d'un équipement de tournage aussi peu cher équipé simplement d'outils à plaquettes en diamant pur.
Fierro répliqua qu'en effet, au début, il pensait qu'une machine plus chère ou qu'un support pour la pièce serait nécessaire, mais Jai Prasad le convainquit qu'il pourrait réaliser l'usinage avec le tour existant. “Jai fut d'une aide véritablement précieuse à l'atelier. Il est vraiment bien informé. Il m'a toujours orienté dans la bonne direction. En fait, il est une des raisons pour lesquelles je suis aussi heureux avec Kennametal. Il m'a bien dépanné, spécialement sur ce travail. Je n'aurais peu être pas dépenser d'argent pour cette barre si cela n'avait pas été pour Jai.
“Kennametal est un partenaire important pour moi. Quatre-vingt dix pourcents de mon outillage vient de chez Kennametal, y compris l'ensemble de mes plaquettes de coupe pour chacune de mes machines. Et le service fut à la hauteur ! A chaque fois que je l'ai ait appelé pour des devis ou pour qu'ils m'expédient des articles, tout c'est toujours parfaitement bien déroulé, sans aucun problème. Le support est présent, les gens sont présents et je suis très heureux avec eux.”
À propos des barres d'alésage réglables de Kennametal
Les barres d'alésage réglables de Kennametal sont fabriquées avec un package amortisseur intégré conçu pour éliminer tout broutage en applications d'alésage de trous profonds. Elles peuvent soutenir des tolérances précises, réduire les taux de rebuts et fournir une tenue d'outil améliorée. Les barres d'alésage sont préréglées en usine à un rapport longueur sur diamètre de 10:1 mais elles sont en mesure d'offrir des réglages compris entre 6:1 et 10:1. Au niveau de la machine, les barres d'alésage peuvent être ajustées manuellement ou à l'aide d'un dispositif d'ajustage de sorte à bénéficier des performances et de la productivité optimales de la machine et de son outillage.
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