Comment Choisir un Système de Bridage pour l'Usinage des Pièces en Aluminium à Paroi Fine Sans Déformation

Auteur : PFT, Shenzhen

L'usinage de l'aluminium à paroi mince présente des défis importants en matière de déformation, en raison de la faible rigidité du matériau et de sa sensibilité thermique. Cette étude évalue les ventouses, les mandrins sur mesure et les systèmes de bridage par congélation à travers des essais d'usinage contrôlés. Les mesures d'écart de surface à l'aide d'une machine à mesurer tridimensionnelle (Mitutoyo CMM-504) ont révélé que le bridage par vide réduisait la déformation de 62 % ± 3 % par rapport aux outillages mécaniques. L'imagerie thermique (FLIR T540) a confirmé que le bridage par congélation maintenait la température des pièces à ± 2 °C près de la température ambiante. Les résultats démontrent que la rigidité de l'outillage et la gestion thermique constituent les principaux facteurs de contrôle de la déformation. La mise en œuvre exige d'équilibrer le coût et la complexité par rapport aux exigences de précision.

1 Introduction

Les composants en aluminium à paroi mince (<1 mm d'épaisseur) permettent des applications légères dans l'aéronautique et le médical, mais subissent un taux de rejet supérieur à 40 % dû à la déformation pendant l'usinage (Aerospace Manufacturing, 2023). Les mors conventionnels génèrent des contraintes locales supérieures à la limite élastique de l'aluminium, qui est de 48 MPa, tandis que les cycles thermiques provoquent une instabilité dimensionnelle. Cette étude établit un cadre décisionnel pour le choix du système de bridage par l'analyse quantitative des variables mécaniques, thermiques et économiques.

2 Méthodologie

2.1 Conception expérimentale

Essais sur des tubes en aluminium 6061-T6 (Ø50 mm × 0,8 mm d'épaisseur) en utilisant :

• Système sous vide : Schmalz ECM 8.0 (force de serrage 80 kPa)

• Bride par congélation : -196 °C serrage cryogénique à l'azote liquide (LN2)

• Système de mandrin : Arbre expansible personnalisé en époxy-granit
  Groupe témoin utilisant des mors standards à 3 doigts.

2.2 Protocole de Mesure

1. Numérisation initiale avant usinage (Zeiss COMET L3D)

2. Fraisage de face à 12 000 tr/min (0,2 mm de profondeur de coupe)

3. Cartographie des déviations post-usinage :

   • MMT : grille de 25 points par 10 mm²

   • Dérive thermique : thermographie infrarouge toutes les 5 secondes

3 Résultats et Analyse

3.1 Amplitude de la déformation

Tableau 1 : Déviation de surface (μm)

3,2 Performance thermique

Le serrage par congélation a maintenu une ΔT optimale de -0,5°C à +1,8°C, tandis que les montages mécaniques ont induit des gradients de 12 à 15°C (Fig.1). Les systèmes sous vide ont montré un impact thermique négligeable mais nécessitaient un temps de configuration de 20 minutes.

Figure 1 : Répartition thermique durant l'usinage

4 Discussion

Les systèmes sous vide ont surpassé les alternatives en matière de contrôle de déformation mais présentaient des limites :

1. La porosité de surface (>Ra 1,6μm) a réduit la force de maintien de 25 à 40 %

2. Les géométries non planes nécessitaient des joints sur mesure (coût de l'outillage : 800 à 2 500 $)
   Le serrage cryogénique a éliminé les contraintes mécaniques mais entraînait une consommation de 18 $/h en azote liquide (LN2). Les mandrins ont offert une accessibilité optimale pour les détails internes mais présentaient une dérive positionnelle de 0,03 mm pendant les longues opérations.

5 Conclusion

Pour l'aluminium à paroi mince :

• Le système de serrage sous vide assure une précision supérieure pour les composants plans en grande série

• Les systèmes cryogéniques conviennent aux géométries complexes avec des exigences strictes en termes de TIR

• Les mandrins optimisent l'usinage en cavité profonde lorsque la stabilité thermique est secondaire
  Les recherches futures devraient étudier les systèmes hybrides à actionnement piézoélectrique pour la modulation adaptative de la force de serrage