Une étude systématique de l'optimisation des paramètres du procédé RUM et de leur influence sur les caractéristiques des pièces en nickel 718

Nov 05, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1716 (2023) Citer cet article

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Cette recherche se concentre sur le perçage de superalliages à base de nickel avec une carotteuse diamantée et a identifié les paramètres importants de l'usinage rotatif par ultrasons qui optimisent la vitesse d'usinage (MR) et la qualité de surface. Quatre paramètres généraux : matériau de la pièce, épaisseur de la pièce, matériau de l'outil et taille de l'outil ; et quatre paramètres RUM : la rotation de l'outil, la vitesse d'avance, la puissance ultrasonique et la taille des grains abrasifs de l'outil ont été testés ainsi que la qualité de la surface de la coupe. Les résultats ont indiqué que la valeur maximale de MR de 0,8931 mm3/sec est acquise à un niveau plus élevé de rotation de l'outil, d'avance, de puissance ultrasonique et de niveau modéré de granulométrie abrasive du diamant. La rugosité de surface minimale (Ra) de 0,554 µm est observée à un niveau de rotation plus élevé, une valeur modérée de la vitesse d'avance, de la puissance ultrasonique et de la taille des grains abrasifs diamantés. De plus, pour les fonctions mono-objectif et multi-objectifs, l’approche d’optimisation par essaim de particules (PSO) est utilisée pour trouver les valeurs optimales pour les paramètres du processus. De plus, un microscope électronique à balayage est également utilisé pour vérifier la surface usinée après RUM. On en conclut que des microfissures sont observées sur la surface usinée.

Avec le développement de la technologie des moteurs d’avion, les matériaux composites et difficiles à découper sont de plus en plus utilisés dans les nouveaux moteurs. Cette découverte montre qu’il existe un besoin accru de techniques de traitement et de capacités de composants pour l’usinage de matériaux difficiles.

Les superalliages à base de nickel constituent une classe unique de matériaux métalliques offrant une combinaison remarquable de résistance aux températures élevées, de ténacité et de résistance à la détérioration dans des conditions corrosives ou oxydantes1.

La figure 1 montre l'avancement de la capacité de température des superalliages à base de nickel qui a augmenté d'année en année en raison du traitement avancé, du développement de l'alliage, de l'utilisation de revêtements de barrière thermique et de systèmes de refroidissement innovants et efficaces2. Les composants du moteur d'avion, tels que le carter, les disques du compresseur, la bague de roulement, les aubes, le disque de turbine et d'autres pièces fonctionnant à haute température, sont fabriqués avec des superalliages à base de nickel en raison de leur haute résistance, de leur forte résistance à la corrosion, de leur excellente résistance thermique. propriétés de fatigue et stabilité thermique3. Les nombreux superalliages à base de nickel utilisés dans les moteurs à réaction sont répertoriés dans la figure 2.

Développement de la capacité de température de rupture par fluage des superalliages à base de Ni inférieure à 1 100 ℃ — 137 MPa3.

Utilisé pour les superalliages à base de nickel, qui représentent généralement environ 50 % du poids d'un moteur à réaction.

Cinquante pour cent des pièces du moteur à réaction sont fabriquées en Inconel 718. L'Inconel est un alliage Ni-Fe-Cr4. Cependant, la résistance à la traction de l'Inconel 718 peut atteindre 1393 MPa à température ambiante. L'usinage du composant devient difficile du fait de son usinabilité. Seulement 8 à 20 % de l'acier est usinable, ce qui conduit à un traitement inefficace.

De plus, l'usinage des superalliages à base de nickel entraîne une augmentation de l'usure par oxydation des outils, de l'usure des adhésifs, de l'usure mécanique et par diffusion, ce qui réduit la durée de vie de l'outil. Par exemple, le perçage grossier et fin d'une lame en superalliage à base de nickel avec une longueur de perçage moyenne nécessite plus de temps. Pour l'usinage des superalliages, une usure fréquente des outils est considérée comme le facteur direct qui limite l'efficacité du traitement, tandis que la forte augmentation de température provoquée par la surface fortement écrouie en cours d'usinage est un facteur clé pour accélérer l'usure des outils5.

Selon Habeeb et al.6, la fissuration induite thermiquement était la principale raison de la défaillance des outils à des vitesses de coupe élevées. Cela se produit lorsque les bords sont soumis à un choc thermique important en raison de la température élevée provoquée par des vitesses de coupe rapides et des changements de température importants7. Le perçage conventionnel est généralement confronté à certaines difficultés dues à la localisation de la chaleur dans la zone de coupe résultant de l'encastrement du foret dans la pièce à usiner. La température de coupe affecte directement la précision dimensionnelle du trou percé, la qualité de la surface et la durée de vie de l'outil. Lofti et coll. utilisé le perçage assisté par ultrasons en présence d'une lubrification minimale nano-fluide pour l'acier 1045 et a constaté qu'en raison de la réduction du coefficient de frottement provoquée par l'application de vibrations ultrasoniques, le mode d'usure de la surface percée passe du type adhésif au type abrasif et à la formation de construit -le bord supérieur est restreint, ce qui entraîne une meilleure finition de surface8,9. Lofti et coll. a développé un modèle mécaniste de déflexion de la pièce pour l'aluminium 7075. Avec et sans assistance par ultrasons, un perçage a été effectué sur la pièce. Il a été constaté que dans les approches expérimentales et théoriques, l'augmentation de la vitesse d'avance entraîne une augmentation de la déflexion de la pièce. Cela est dû à l’augmentation des valeurs de force de poussée qui a été considérablement influencée par le mouvement d’avance10. Bien que les outils de coupe très durs comme le CBN et le PCBN jouent un certain rôle dans l'amélioration de l'efficacité du traitement des superalliages à base de nickel, les outils de coupe en céramique comme la matrice d'alumine et le Si3N4 jouent toujours un rôle important. Il s'avère que l'outil CBN est capable d'usiner l'Inconel 718 par rapport à l'outil en carbure. Dans le scénario actuel, l'usinage rotatif par ultrasons (RUM) peut être utilisé pour l'usinage de matériaux de structure complexes et résistants tels que la céramique, le titane, le verre, etc.11 La figure 3 indique la méthode de traitement du RUM. Une carotteuse rotative dotée d'abrasifs diamantés à liant métallique est soumise à une vibration ultrasonique et alimentée vers la pièce à usiner à une vitesse d'avance constante ou à une force (pression) constante. Le liquide de refroidissement pompé à travers le noyau du foret élimine les copeaux, empêche le blocage du foret et le maintient au frais. Il existe deux mécanismes pour le procédé RUM : premièrement, par le processus de vibration ultrasonique, l'enlèvement de matière est effectué ; Deuxièmement, grâce au processus traditionnel de meulage abrasif au diamant. Il comprend le processus de martelage, d’abrasion et d’extraction pour l’usinage du RUM.