Comprendre le comportement métallurgique de l'inconel dans l'usinage CNC

Inconel est une famille de superalliages austénitiques nickel-chromium conçus pour maintenir la résistance mécanique et la corrosion aux températures extrêmes. Dans un environnement Mastercam, le matériau présente plusieurs défis distincts qui découlent directement de sa structure atomique et de ses propriétés thermiques. L'alliage se durcit rapidement lors de la coupe, ce qui signifie que la zone immédiatement avant le bord de coupe devient plus difficile que le matériau en vrac.

La conductivité thermique d'Inconel est environ un dixième de celle de l'acier conventionnel. La chaleur produite à la zone de cisaillement ne peut se dissiper efficacement dans la puce ou la pièce de travail, donc elle se concentre au bord de l'outil. Sans gestion thermique prudente, les températures de bord grimpent rapidement, favorisant l'usure de diffusion et la déformation plastique de la pointe de coupe. Mastercam fournit un contrôle direct sur les paramètres qui atténuent ces effets, y compris l'angle d'engagement, le pas de recul radial et les ajustements d'éclaircie de la puce.

Une autre propriété clé est la résistance à haut rendement de l'alliage, qui ne baisse pas significativement jusqu'à ce que la pièce dépasse 800°C. Cette résistance se traduit directement en forces de coupe très spécifiques. Un acier inoxydable typique 316 nécessite environ 0,5 chevaux par pouce cube par minute d'enlèvement de métal. Inconel 718 peut exiger plus de 2,0 chevaux dans les mêmes conditions.

Sélection de la géométrie et du substrat pour les opérations d'Inconel

Classes et systèmes de revêtement des carbures

Les outils de carbure non couché standard s'usent rapidement dans Inconel. Le substrat le plus fiable est un carbure micrograin dont la teneur en cobalt est comprise entre 10 et 12 pour cent. Cela offre une ténacité suffisante pour résister aux découpures pendant les coupures interrompues tout en maintenant la dureté nécessaire à la résistance à l'abrasion.

Pour les opérations de roulage, un revêtement TiSiN offre une résistance à l'oxydation supplémentaire et un coefficient de frottement plus faible. Pour la finition, TiAlN offre une excellente adhérence et rétention des bords. Mastercam vous permet de définir des ensembles d'outils distincts avec des spécifications de revêtement distinctes. Ceci est important parce que les vitesses et les flux recommandés pour un outil revêtu TiAlN peuvent différer significativement de ceux recommandés pour un outil non couché ou revêtu CVD.

Préparation des bords et géométrie des angles

Une préparation en T-land ou en K-land avec un rayon de bord entre 0,0008 et 0,0020 pouce réduit le micro-chipping et distribue des forces de coupe sur une zone plus grande. Dans la base de données d'outils de Mastercam, vous pouvez spécifier le rayon d'angle comme partie intégrante de l'assemblage de l'outil. Pour les opérations de finition, une géométrie insert d'essuie-glaces peut améliorer la finition de surface sans sacrifier le temps de cycle.

Pour les usines de fin de gamme, une hélice variable et un tangage variable perturbent les vibrations harmoniques courantes lors de l'usinage des alliages de nickel. La bibliothèque d'outils de Mastercam prend en charge les définitions du corps des outils avec jusqu'à cinq angles différents d'hélice de flûte. Lorsque vous définissez un outil d'hélice variable dans la base de données, le logiciel ajuste les calculs d'engagement pour tenir compte de l'écartement inégal de la flûte, ce qui améliore la cohérence du chemin d'outils et réduit les marques de bavardage.

Paramètres de coupe et de finissage de puce dans Mastercam

Directives concernant la vitesse et l'alimentation

La vitesse de surface de l'Inconel 718 avec outillage en carbure tombe généralement entre 40 et 100 pieds de surface par minute (SFM). La valeur exacte dépend de l'opération. La touffe de 40 à 60 SFM avec un engagement radial lourd maintient l'outil dans la coupe et évite la couche durcie par un passage précédent.

Pour la finition, l'alimentation par dent peut tomber à 0,002 à 0,004 pouce. La calculatrice de vitesse et d'alimentation de Mastercam utilise ces entrées pour calculer la vitesse et le débit de la broche requis. Lorsque vous activez l'option d'éclaircie de la puce dans les paramètres de la voie d'outils, le logiciel ajuste automatiquement l'alimentation linéaire pour maintenir l'épaisseur de la puce programmée à des engagements radiaux réduits.

Stratégie d'engagement et de transition radiaux

La durée de vie optimale de l'outil en Inconel se produit lorsque l'angle d'engagement radial est compris entre 5 et 25 degrés. En dessous de 5 degrés, la puce devient trop fine et le frottement augmente. Au-delà de 25 degrés, les forces de coupe augmentent fortement et la concentration de chaleur devient difficile à gérer.

Pour les sentiers d'outils dynamiques à grande vitesse, une marche arrière radiale de 10 % du diamètre de l'outil est un point de départ commun. Pour un moulin de 0,500 pouce, cela signifie une profondeur radiale de 0,050 pouce de coupe. La profondeur axiale de la coupe peut être de longueur de flûte complète ou jusqu'à 1,5 fois le diamètre, selon la rigidité de l'outil et la puissance de la machine.

Systèmes de gestion thermique et de livraison des liquides de refroidissement

Sans une livraison efficace de liquide de refroidissement, l'usinage Inconel dans Mastercam devient un exercice dans les outils de grattage. La faible conductivité thermique du matériau signifie que le liquide de refroidissement doit faire presque toute la suppression de la chaleur. Le liquide de refroidissement à pression standard est insuffisant.

Dans les options de contrôle du liquide de refroidissement de Mastercam, vous pouvez programmer des codes M pour une activation du liquide de refroidissement à haute pression, par broche ou par outil. Pour les opérations de forage, les cycles de pont avec liquide de refroidissement en tout temps empêchent l'emballage des puces et l'accumulation de chaleur.

Pour les opérations avec des supports d'outils longs ou étendus, un outil alimenté par liquide de refroidissement ou un adaptateur à outils à travers réduit le risque de défaillance de l'outil lié à la chaleur. Mastercam prend en charge les assemblages d'outils avec une capacité de refroidissement dans la base de données d'outils.

Stratégies avancées pour les chemins d'outils pour les alliages de travail

Fraisage trophoidal et dynamique

La technologie Dynamic Motion de Mastercam met en œuvre cette stratégie dans plusieurs chemins d'outils, dont Dynamic Mill, Optirough et Dynamic Contour. L'outil ajuste en permanence les rayons d'arc pour maintenir la charge de puce programmée, même lorsque la géométrie de la pièce change brusquement.

Pour Inconel, les sentiers d'outils dynamiques offrent trois avantages : ils réduisent la charge thermique de l'outil, ils évitent d'entrer dans la zone de travail laissée par un passe précédent, et ils distribuent l'usure uniformément le long du bord de la coupe.

Repos Usinage et stocks détectables

Les pièces d'inconel nécessitent souvent plusieurs configurations et passes de roulage. L'usinage du repos dans Mastercam identifie automatiquement les zones où le matériel reste d'une opération précédente - soit d'un outil plus grand qui ne pouvait pas atteindre des coins serrés ou d'un passage de roulage avec une plus grande profondeur de coupe. Le modèle de matériel de roulage de Mastercam construit une représentation 3D du stock et le met à jour après chaque chemin d'outil.

Pour Inconel, fixez l'écart minimum à 0,005 à 0,010 pouce de sorte que le reste de l'outil d'usinage ne s'active que là où il existe des restes matériels réels. Cela réduit le temps de cycle et empêche l'outil d'engager de petits coins pointus qui pourraient causer des discussions.

Rampe, entrée hélicoïdale et fraisage à plonge

Plonger directement dans Inconel à pleine profondeur axiale provoque une défaillance rapide de l'outil. Les moteurs de chemin d'outils de Mastercam offrent plusieurs stratégies d'entrée qui réduisent la contrainte de l'outil. L'entrée de l'outil à un angle de pente compris entre 1 et 5 degrés étend la force de coupe sur toute la longueur de la flûte.

Le fraisage à plongeur est une autre stratégie de roulage pour les cavités profondes. L'outil plonge à un débit élevé, se rétracte et se déplace latéralement avant de retomber à nouveau. Le fraisage à plongeur réduit les forces de coupe radiales à près de zéro et est efficace sur les machines à haute capacité de poussée.

Fil fraisage vs. Tapping

Le taraudage ou le taraudage de forme dans Inconel est risqué en raison de la ténacité et de la tendance au durcissement du matériau. Le fraisage de fil avec un fil simple est la méthode préférée dans Mastercam car il casse la coupe en plusieurs passes, maintient des forces de coupe faibles et produit des fils précis sans risque de rupture du robinet coincé dans la pièce.

Simulation et validation du processus

Avant de couper Inconel, chaque chemin d'outils doit être vérifié dans l'environnement de simulation de Mastercam. Le module Verify affiche le retrait du stock, les collisions d'outils et les angles d'engagement minimums d'outils. Pour Inconel, la vérification devient critique parce que le coût du matériau et le potentiel de rupture de l'outil signifient qu'une erreur sur la machine est coûteuse.

Définissez la simulation pour mettre à jour le stock entre les opérations. Ceci vous montre le matériel restant avant chaque démarrage de l'outil. Le modèle stock de Mastercam peut être exporté en tant que fichier STL pour des modifications de configuration ou pour une utilisation avec une machine de mesure de coordonnées pour valider les dimensions en cours de processus.

Déflexion des outils et simulation dynamique

Pour Inconel, la déflexion de l'outil sous des charges lourdes peut dépasser 0,001 pouce, ce qui est suffisant pour causer des erreurs dimensionnelles sur des tolérances serrées. La simulation met en évidence des zones où la déflexion peut dépasser votre bande de tolérance. Vous pouvez alors augmenter le diamètre de l'outil, réduire la profondeur axiale de la coupe ou passer à un support d'outil plus court pour augmenter la rigidité. La bibliothèque de support de Mastercam vous permet de modéliser chaque support avec sa géométrie exacte, y compris les conceptions de mandrinçage, hydraulique et fraisage.

Considérations relatives à la détention de main-d'oeuvre et à la rigidité des machines

Les pièces inconel sont souvent à paroi mince ou ont des géométries complexes qui rendent difficile la tenue de travail. Le logiciel de Mastercam ne peut pas contrôler directement le matériel de tenue de travail, mais il peut générer des chemins d'outils qui minimisent les forces de vibration.

Pour les composants à paroi mince, envisager d'utiliser l'usinage du repos en sens inverse---rough la pièce, simuler le stock restant, puis machiner les murs des deux côtés pour égaliser la contrainte.

Réduire la vibration par la sélection du chemin d'outils

Le chat est un problème persistant dans l'usinage Inconel. Les options de Mastercam comprennent des mouvements non coupants qui peuvent amortir les vibrations. Par exemple, l'utilisation d'une entrée tangentielle après un mouvement rapide empêche l'outil de claquer dans le matériau. L'utilisation d'un arc de transition lisse entre les passages dans un chemin d'outils dynamique maintient la coupe continue et évite la charge d'impact qui déclenche le chat.

La fonction Feed Optimizer de Mastercam ajuste le débit en temps réel en fonction de la charge de coupe. Si le logiciel détecte une pointe de charge d'une augmentation de l'engagement radial, il réduit le débit jusqu'à ce que la charge revienne à la normale. Cette fonctionnalité est particulièrement utile pour Inconel car elle empêche l'outil de rencontrer une augmentation soudaine de la dureté---comme lors de la coupe dans une zone de soudure ou une zone affectée par la chaleur.

Flux de travail pratique pour la programmation de pièces inconel dans Mastercam

Pour Inconel, le modèle de stock doit comprendre la géométrie de la pièce plus au moins 0,020 à 0,050 pouce de matériau pour la finition. Configurez votre bibliothèque d'outils avec la qualité spécifique de carbure, le rayon de bord, le revêtement et la capacité de refroidissement de chaque outil qui touchera Inconel.

Programmez d'abord les opérations de roulage. Utilisez un chemin d'outils dynamique ou trophoidal avec un engagement radial de 8 à 10 pour cent et une profondeur axiale de 1,0 à 1,5 fois le diamètre de l'outil. Activez l'éclaircie de la puce et fixez la vitesse de coupe minimale à 45 MFS pour le roulage.

Pour le semi-finissage, passer à un outil avec un rayon d'angle plus petit et un revêtement TiAlN de qualité finale. Réduire l'engagement radial à 4 à 6 pour cent et augmenter la vitesse de surface à 75 MF. Ce passe enlève la couche durcie laissée par l'outil de roulage et établit une épaisseur de stock constante pour le passe de finition.

Pour la finition, utilisez un chemin d'outils à contour de surface à grande vitesse ou un chemin d'outils à finition parallèle. Réglez la vitesse de surface à 90 à 100 MFS et l'alimentation par dent à 0,002 pouce ou moins. Utilisez un pas de plus de 0,005 à 0,010 pouce pour les surfaces critiques.

Après simulation, vérifiez le chemin de l'outil avec un essai à sec sur la machine. Écoutez le bavardage et ajustez la vitesse de la broche jusqu'à ou vers le bas de 10% si nécessaire. Vérifiez la première partie soigneusement avant de faire fonctionner la production.

Considérations particulières pour l'usinage de l'inconel à 5 axes

L'usinage multiaxis offre des avantages lors de la coupe d'Inconel car il permet à l'outil d'orienter à un angle d'engagement constant à la surface. Les chemins d'outils multiaxis de Mastercam, y compris Swarf, Flowline et Morph entre deux courbes, maintiennent le tranchant à une charge constante de puce même sur des surfaces courbes.

Pour la finition 5 axes d'Inconel, utilisez un broyeur à bout de nez avec un angle d'inclinaison de 5 à 10 degrés de la surface. Cette inclinaison crée une vitesse de coupe constante à travers la zone de contact et empêche le frottement au centre de la balle.

Considérations sur les coûts et économie de la vie des outils

Un seul carbure fin pour Inconel peut coûter entre 50 $ et 150 $, tandis qu'un coupe-insert à haute performance peut dépasser 500 $. Les fonctionnalités de gestion de la vie des outils de Mastercam vous permettent de suivre l'utilisation des outils en termes de temps de coupe, de nombre de pièces ou de volume de matériel enlevé. Lorsqu'un outil atteint sa limite de vie, le logiciel l'affiche avant le prochain chemin d'outils. Cela empêche l'échec d'un outil usé sur une partie haute valeur.

Mastercam prend également en charge l'optimisation de la durée de vie des outils en enregistrant les conditions de coupe réelles. Si un outil échoue systématiquement après 35 minutes de roulage Inconel, vous pouvez fixer la durée de vie de l'outil à 30 minutes et programmer un changement d'outil pendant une partie non critique du cycle.

Recommandations finales pour le succès de la production

L'usinage Inconel dans Mastercam exige une discipline dans la sélection des chemins d'outils, la gestion des paramètres et la simulation des processus. Le logiciel fournit les outils pour manipuler cet alliage, mais l'opérateur doit les appliquer avec une compréhension du comportement du matériau. Utilisez des chemins d'outils dynamiques pour contrôler l'engagement. Utilisez un liquide de refroidissement haute pression à travers la broche. Validez chaque chemin d'outils avec la simulation.

Pour plus de détails, consultez la bibliothèque de ressources techniques Mastercam[, qui comprend des guides spécifiques pour les alliages de nickel. La base de connaissances Sandvik Coromant fournit des paramètres de coupe validés pour les grades d'Inconel. Le Modern Machine Shop guide to superalliys offre des études de cas pratiques. Et les Séco-outillages recommandés pour les matériaux ISO S offrent un point de départ solide pour la sélection des inserts et des coupeurs.