Usinage de l'aluminium : Ce qui fonctionne après 18 ans

Vous avez donc affaire à l'usinage de l'aluminium. C'est amusant, n'est-ce pas ? Tous ceux qui ont usiné ce type de matériau savent que l'aluminium vous surprend encore parfois. Une minute, vous obtenez de beaux copeaux qui se détachent comme il se doit, et la minute suivante, vous avez des spaghettis enroulés autour de votre broche et vous vous demandez ce qui vient de se passer.

Selon l'U.S. Geological Survey, l'aluminium représente 13% de la production mondiale de métaux. Cela représente un grand nombre d'ateliers confrontés aux mêmes maux de tête... euh, aux mêmes opportunités que nous.

Mais quand on réussit la mise en place ? Quand tout est parfaitement réglé ? Votre machine sonne comme un ronronnement et l'aluminium se détache comme un ruban de sucre. C'est ce que nous visons ici.

Pourquoi tout le monde veut de l'aluminium (et pourquoi cela nous rend fous)

L'acier est ennuyeux. Prévisible. Mais l'usinage de l'aluminium ? C'est là que les choses deviennent intéressantes.

Voici pourquoi tout le monde veut des alliages d'aluminium :

• Poids: Avec 2,7 g/cm³ contre 7,8 pour l'acier, il s'agit d'un véritable gain de poids, et non d'un argument marketing, de véritables kilos en moins pour vous.
• Résistance à la corrosion: Cette couche d'oxyde se forme naturellement. La plupart du temps, aucun revêtement n'est nécessaire.
• Transfert de chaleur : 237 W/m-K signifie que la chaleur va là où vous voulez qu'elle aille.

Voici pourquoi l'usinage de l'aluminium nous met hors de nous :

• Il colle à tout. TOUT. Vos outils, vos appareils et probablement votre tasse de café si vous ne faites pas attention.
• Bordures qui se forment plus rapidement que l'on ne peut dire "finition de surface".
• Des puces qui semblent avoir été conçues par quelqu'un qui déteste les opérations automatisées.
• Dilatation thermique ? 23.1 × 10-⁶/°C. Les pièces parfaites à la température de la machine peuvent être mises au rebut lorsqu'elles refroidissent.

Le secret n'est pas de lutter contre les alliages d'aluminium, mais de comprendre ce qu'ils veulent et de leur donner exactement ce qu'ils veulent.

La gamme d'aluminium qui compte vraiment

6061 Votre pain et votre beurre

L'alliage d'aluminium 6061 est comme une Honda Civic. Elle n'est pas très sexy, mais elle vous permet d'arriver à destination sans problème. Il existe depuis 1935 et gère encore probablement 80% des tâches qui lui sont confiées.

0,8-1,2% de magnésium, 0,4-0,8% de silicium. Recette simple, résultats fiables.

Pourquoi le 6061 convient-il à la plupart des travaux d'usinage de l'aluminium ?

• Pardonner quand on se plante
• Les machines font toujours la même chose
• Les soudures sont excellentes si vous avez besoin d'opérations secondaires
• Disponible partout (votre fournisseur le stocke)

Petite diatribe : Je vois des acheteurs essayer d'économiser de l'argent en utilisant des alliages d'aluminium "équivalents" provenant de l'étranger. Ils finissent par passer deux semaines à résoudre des problèmes de finition de surface et à utiliser des fraises $200. C'est une question de bon sens, mais c'est aussi une question d'argent. Restez fidèle à l'alliage 6061 s'il correspond à vos besoins.

7075 - La Prima Donna

L'alliage d'aluminium 7075 est la petite amie des alliages d'aluminium qui demande beaucoup d'entretien. Les résultats sont magnifiques lorsque vous le traitez correctement, mais c'est un véritable cauchemar lorsque vous ne le traitez pas correctement.

Il contient 5,6 à 6,1% de zinc, ainsi que du magnésium et du cuivre. Il peut atteindre une résistance à la traction de 572 MPa, ce qui est de l'ordre de l'acier véritable.

• La durée de vie de l'outil diminue facilement pour le 50% par rapport au 6061. Peut-être plus si l'on ne fait pas attention.
• On ne peut pas se contenter d'un simple coup d'accélérateur. L'acharnement au travail ne fera qu'une bouchée de vous.
• Les techniques de coupe doivent être parfaites.
• Le coût des matériaux vous fait grincer des dents lorsque vous mettez une pièce au rebut.

ASM International dispose de toutes les données techniques, mais voici la vérité : ne spécifiez 7075 que si vous avez BESOIN de cette résistance. Trop d'ingénieurs voient "plus fort" et pensent "meilleur" sans tenir compte de ce que cela signifie pour l'usinage de l'aluminium.

2024 - Spécial Aérospatiale

Lorsque la FAA indique 2024-T3 pour les structures aéronautiques, il faut l'écouter. Ce matériau à base de cuivre est une question de résistance à la fatigue, et non de résistance ultime.

Travailler avec 2024, c'est penser 30 ans à l'avance. Ces petites marques d'outils ? Elles pourraient être des amorces de fissures dans plusieurs dizaines d'années. L'intégrité de la surface n'est pas qu'une question d'esthétique ; il s'agit de maintenir les avions dans le ciel.

Des techniques de coupe qui marchent

Contrôle de la vitesse et de l'alimentation

La MEP publie des chiffres de base convenables, mais voici ce qu'ils signifient lorsque vous vous trouvez devant la machine.

Commencez ici :

• Vitesse de surface : 1 200-2 500 SFM (oui, aussi rapide pour les alliages d'aluminium)
• Avance : 0,006-0,012 IPT ébauche
• DOC : Tout ce que votre machine peut supporter

L'essentiel, c'est qu'il faut des années pour l'apprendre : Les avances conservatrices qui fonctionnent avec l'acier détruiront votre journée d'usinage de l'aluminium. Avances légères = frottement. Frottement = chaleur. Chaleur = arête accumulée. Arête accumulée = pièces rebutées et outils émoussés.

L'histoire d'un atelier : J'ai eu un travail une fois, 500 brackets pour un entrepreneur de la défense. Le travail a commencé de manière conservatrice, comme toujours. La finition de la surface est devenue infernale après la pièce #10. J'ai passé 4 heures à lutter contre l'accumulation de copeaux et j'ai finalement doublé la vitesse d'avance. Soudain, tout fonctionnait parfaitement. Parfois, une approche plus agressive est le bon choix en matière de techniques de coupe.

Une sélection d'outils qui fonctionne

Fraises en carbure, hélice 40-45° pour les alliages d'aluminium. Période.

Oubliez les outils revêtus pour la plupart des travaux. Les revêtements ont l'air fantaisistes, mais ils aggravent souvent les problèmes d'adhérence.

Le NIST Matériaux Data Repository le confirme, mais vous pouvez le constater par vous-même. Le carbure non revêtu tranchant coupe proprement les alliages d'aluminium. Outils revêtus ou usés ? La ville de l'arête accumulée.

La géométrie de l'outil qui compte :

• Arêtes vives (pas de rayon, pas de chanfrein)
• Râteau positif (laisser trancher)
• Bonne évacuation des copeaux

Le broyage à haut rendement a tout changé

HEM a révolutionné l'usinage de l'aluminium. Un engagement radial léger (5-15% de diamètre) avec des coupes axiales profondes a complètement changé la donne.

La Society of Manufacturing Engineers a documenté des réductions de temps de cycle 40-70%, mais le véritable avantage réside dans la durée de vie des outils. Lorsque vous ne repoussez pas constamment les limites de vos outils de pointe, ils durent éternellement.

Paramètres HEM :

• Radial : 10% du diamètre
• Axiale : 3-5x le diamètre si votre machine le permet
• Maintient le chargement de l'outil à un niveau constant

Quand les choses tournent mal

L'enfer des bords construits

Tous les machinistes connaissent ce bruit lorsque la coupe douce se transforme en meulage. C'est le soudage de l'aluminium sur votre outil.

Ce qui fonctionne :

• Accélérer, ne pas ralentir (l'augmentation de 20-30% résout souvent le problème)
• Alimentation plus agressive
• Garder les outils bien affûtés
• Diriger le liquide de refroidissement là où la coupe a lieu

Contre-intuitif, mais vrai : le fait d'être plus conservateur aggrave généralement l'arête construite avec les alliages d'aluminium.

Cauchemars de la puce

Ces jolies et longues puces dans les vidéos ? Des cauchemars pour la production. Elles s'enroulent autour de tout et transforment votre cellule automatisée en une opération manuelle.

Un contrôle des puces qui fonctionne :

• Les alimentations agressives favorisent les brise-copeaux spécifiques à l'aluminium
• Liquide de refroidissement à haute pression
• Toujours monter au moulin

Questions relatives à l'état de surface

Les alliages d'aluminium peuvent vous permettre d'obtenir des finitions miroir ou de voir vos pièces rejetées. Il s'agit généralement de petites choses.

Pour de bonnes finitions :

• Passes de finition légères (0.005″ max)
• Des vitesses élevées avec des outils tranchants
• Éliminer les vibrations
• De nouveaux outils pour les surfaces critiques

Contrôle de la qualité Réalité

La température a une incidence sur la dilatation thermique de l'aluminium. Des pièces parfaites à la température de la machine peuvent être hors normes lors de l'inspection.

Ce qui fonctionne :

• 30-60 min stabilisation minimum
• Programmer la MMT pour les propriétés de l'aluminium
• Vérification de l'état de surface (Ra inférieur à 0,8 μm réalisable).

Le NIST dispose de données sur la dilatation thermique, mais l'expérience enseigne qu'il faut prévoir cette éventualité à l'avance.

Gagner de l'argent avec ça

Gestion de la durée de vie des outils

Suivre systématiquement les outils. Contrairement à l'acier, où les outils s'usent progressivement, les alliages d'aluminium peuvent provoquer une défaillance soudaine lorsque l'arête accumulée se détache.

Contrôle des coûts :

• Remplacer avant défaillance
• Bibliothèques de paramètres pour chaque type d'alliage d'aluminium
• Suivi des performances

Utilisation des matériaux

Une bonne imbrication et une optimisation des stocks = 85-90% d'utilisation. Avec les prix actuels de l'aluminium, chaque point de pourcentage compte.

Où vont ces choses ?

Travail dans l'aérospatiale

Des états de surface inférieurs à 1,6 μm Ra pour les pièces critiques en termes de fatigue. Chaque marque d'outil compte potentiellement sur des décennies de service.

Applications automobiles

Le ministère de l'énergie indique qu'une réduction de poids de 10% = une amélioration de l'économie de carburant de 6-8%. Les alliages d'aluminium sont donc adoptés plus rapidement que les techniques de découpe ne peuvent le faire.

Applications électroniques

Les applications thermiques ont besoin de la conductivité de 237 W/m-K de l'aluminium et de l'intégrité de la surface pour le transfert de chaleur.

Résultat final

J'usine de l'aluminium depuis près de vingt ans maintenant. J'ai commis de nombreuses erreurs coûteuses en cours de route. Voici ce qui compte :

Les alliages d'aluminium nécessitent une coupe rapide, des avances agressives et un bon refroidissement. Si vous vous opposez à ces exigences, vous passerez votre temps à résoudre des problèmes. Travaillez avec et vous vous demanderez pourquoi les gens se plaignent tant de l'usinage de l'aluminium.

Une bonne sélection des matériaux, des techniques de coupe appropriées et des attentes réalistes sont autant d'éléments qui contribuent à un travail rentable. Qu'il s'agisse de prototypes ou de séries, le respect de ces principes de base fait toute la différence.

Références

Service géologique des États-Unis (U.S. Geological Survey). "Statistiques et informations sur l'aluminium. https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/aluminum-statistics-and-information

Institut national des normes et de la technologie. "NIST Alloy Data". https://www.nist.gov/mml/acmd/trc/nist-alloy-data

"Alliage d'aluminium 6061 Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/6061_aluminium_alloy

"Alliage d'aluminium 7075". Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/7075_aluminium_alloy

Niu, Z., Cheng, K. "Review of improvement of machinability and surface integrity in machining aluminum alloys". International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 127, pp. 1485-1511, 2023.

Institut national des normes et de la technologie. "Manufacturing Extension Partnership (Partenariat pour l'extension de la fabrication). https://www.nist.gov/mep

Administration fédérale de l'aviation. "Certification des aéronefs". https://www.faa.gov/aircraft/air_cert/

Département de l'énergie. "Matériaux légers pour les véhicules". https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials