Fraisage simultané 5 axes pour carters de turbine : stratégie de trajectoire d’outil et évitement des collisions

Que fait concrètement le fraisage simultané 5 axes dans un carter de turbine ?

Lorsqu'un ingénieur demande un carter de turbine à 5 axes, il s'agit généralement d'un couvercle de pompe, d'un carénage de turbine ou d'un collecteur de fluides avec des poches de pales fermées ou des contre-dépouilles qu'une fraiseuse à 3 axes ne peut pas atteindre. L'exigence géométrique qui impose le fonctionnement sur 5 axes est que l'outil doit rester normal à une surface courbe tout en se déplaçant le long d'une trajectoire 3D qu'aucune orientation unique ne peut atteindre.

Le fraisage trois axes effectue des déplacements linéaires selon les axes X, Y et Z, tandis que l'orientation de l'outil reste fixe. Cette technique convient aux pièces prismatiques et aux poches à parois droites. Pour les carters de turbine, dès qu'un flanc de pale se courbe sous le moyeu ou que la gorge de la poche se rétrécit en dessous du diamètre de l'outil, une machine à 3 axes ne peut physiquement pas atteindre la surface.

La machine 5 axes indexée 3+2 ajoute une table rotative (inclinaison de l'axe A et rotation de l'axe C) qui verrouille la pièce dans une orientation fixe. La machine usine en mode 3 axes à partir de cette orientation, puis indexe et usine à nouveau. Cela convient aux carters de turbines comportant plusieurs faces ouvertes mais aucune géométrie fermée. La limite : l'outil ne peut pas changer d'orientation pendant la coupe.

Le déplacement simultané sur 5 axes active les cinq axes simultanément : X, Y, Z linéaires plus A et C rotatifs, le contrôleur interpolant la position de chaque axe en même temps. Cela permet de découper le flanc d'une pale de turbine fermée en un seul passage continu, l'outil étant perpendiculaire à la surface en tout point.

FRIMA exploite une configuration de centre d'usinage 5 axes pour la fabrication de carters de turbines fermés — voir notre Services de fraisage CNC 5 axes Page. Règle de décision : si la profondeur de la cavité de l’outil présente une contre-dépouille ou un rayon de courbure inférieur à 1,5 fois le diamètre de l’outil, la pièce nécessite un usinage simultané sur 5 axes. Sinon, l’usinage sur 3 axes et 2 axes est plus rapide et moins coûteux.

Pourquoi les carters de turbine ne sont pas une tâche 3+2 : la géométrie qui impose des opérations simultanées sur 5 axes

La manière la plus claire de comprendre pourquoi un carter de turbine nécessite un contrôle simultané sur 5 axes est d'examiner la géométrie du flanc de la pale. Une lame fermée possède trois caractéristiques qu'aucun système indexé à 5 axes ne peut réaliser dans une seule orientation : un flanc incurvé côté pression, un flanc incurvé côté aspiration et un congé de bord d'attaque. Chaque surface nécessite une inclinaison continue de l'outil lors de son déplacement le long de la courbe.

Usiner ce flanc avec un système d'indexage 3+2 engendre trois modes de défaillance. L'orientation de l'outil étant fixe pour toute la coupe, il ne peut être perpendiculaire à la surface qu'en un seul point, laissant ainsi un aspect festonné ailleurs. Le porte-outil heurte la paroi du carter car l'orientation fixe de l'outil le force à s'insérer dans la poche. L'état de surface entre les passes indexées présente un décalage visible à chaque changement d'orientation de l'outil.

Si la courbure du flanc de la pale dans la direction moyeu-carénage dépasse 30 degrés de rotation normale à la surface, la pièce nécessite un fraisage simultané sur 5 axes. En dessous de ce seuil, la pièce indexée 3+2 atteint la tolérance de surface. Au-dessus, la hauteur de feston due à la pièce indexée dépasse 0,05 mm, ce qui correspond au décalage maximal admissible sur le flanc d'une aube de roue.

Les carters de turbine en aluminium 6061-T6 sont le matériau le plus tolérant pour l'usinage simultané sur 5 axes car la charge de copeaux est faible et la pièce se déforme minimalement. Les carters de turbine en titane 6Al-4V augmentent le temps de cycle de 4 à 6 fois car l'engagement de la fraise doit être réduit pour gérer la chaleur, et la fixation des pièces doit être plus rigide pour éviter la déformation.

FRIMA pièces usinées CNC en aluminium Cette capacité de production couvre des tolérances de ± 0,005 mm sur les carters de turbines en aluminium, la limite pratique pour un usinage simultané sur 5 axes. Un contrôle plus strict nécessite généralement une inspection par machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) et un usinage manuel.

Stratégie de trajectoire d'outil : 3 types de passes qui empêchent le surcourse sur les lames fermées

Trois stratégies couvrent 95 % des travaux sur le carter de turbine : le nettoyage de la ligne d'écoulement, le nettoyage du fond plat trochoidal et le nettoyage au crayon dans les coins intérieurs étroits. C’est le fait de les mélanger dans le mauvais ordre qui fait dépasser le budget et allonge les délais de production.

Les trajectoires des outils Flowline suivent la direction de la courbure de la surface. Une ligne de flux s'étend du bord d'attaque au bord de fuite le long de la courbe de la lame, le coupeur étant perpendiculaire à la surface à chaque étape. Cela garantit une finition de surface optimale grâce à une prise constante de l'outil de coupe. Par défaut, FRIMA utilise l'axe de coupe pour le flanc de la pale principale sur chaque carter de turbine.

Le nettoyage à fond plat trochoidal concerne la zone du moyeu et le fond de la poche. La fraise suit une trajectoire circulaire ou trochoïdale qui maintient un engagement radial constant, vous permettant d'atteindre des vitesses d'avance plus élevées qu'avec une trajectoire parallèle descendante. Pour les cavités de moyeu profondes, le nettoyage trochoidal enlève les matériaux en vrac 30 à 40 % plus rapidement que le nettoyage parallèle, avec un apport de chaleur moindre.

Le nettoyage au crayon permet de travailler les angles intérieurs étroits et les formes à petit rayon. Un tracé en crayon est un outil de coupe de petit diamètre qui longe un angle intérieur où l'outil de coupe de la ligne d'écoulement ne peut pas atteindre. Pour les carters de turbine, un ébarbage au crayon est nécessaire à l'embase de la pale, à la jonction entre le congé du bord d'attaque et celui du moyeu. À défaut, une marque de 0,2 à 0,5 mm restera visible.

Effectuez d'abord un usinage de finition sur le flanc de la pale, puis un nettoyage trochoidal sur la zone du moyeu, puis un passage de finition au crayon sur les coins intérieurs. Inverser l'ordre double le temps de cycle de passage du crayon et risque d'endommager la fraise.

Évitement des collisions : calculs d’enveloppe à 4 axes et à 5 axes pour les poches de turbine fermées

L'enveloppe de collision correspond au volume balayé par le porte-outil, et non seulement par l'outil de coupe, et sa forme change à chaque degré de rotation des axes A et C. Une fraise hémisphérique de 6 mm possède une queue de 25 mm et un porte-outil généralement long de 50 à 60 mm et d'un diamètre de 31 à 45 mm. L'enveloppe est un cylindre surmonté d'une sphère, et non pas seulement d'une bille de 6 mm.

Pour une fraise sphérique de 6 mm avec un porte-outil de 31 mm, l'enveloppe de collision est une sphère de 31 mm balayée le long de chaque point de la trajectoire de l'outil. Si la profondeur de gorge de la poche est de 60 mm, le dégagement est de 14,5 mm de chaque côté de l'ouverture. Ce dégagement diminue à mesure que l'outil pénètre dans la poche. Avec une inclinaison de 30 degrés sur l'axe A et un porte-outil de 50 mm, l'espace de travail se déplace latéralement de 25 mm.

Avec un angle d'inclinaison de 30 degrés et un support de 50 mm, le dégagement effectif tombe à environ 4-5 mm. En dessous d'un dégagement de 8 à 10 mm, vous vous trouvez dans la zone dangereuse où toute déviation de la trajectoire de l'outil entraîne une collision avec le porte-outil.

Si la géométrie de la poche ne permet pas un dégagement de 8 à 10 mm, la pièce n'est pas usinable sur une machine 5 axes avec un porte-pièce de longueur standard. FRIMA a refusé des commandes où la géométrie de la poche du client ne laissait que moins de 5 mm de dégagement avec le plus petit porte-outil disponible.

Lancez une simulation de collision avant que l'acier n'entre en contact avec la pièce, avec le modèle réel du porte-outil chargé, et non seulement l'outil de coupe. Une simulation qui réussit avec la seule enveloppe de l'outil de coupe peut tout de même échouer sur l'enveloppe du porte-outil en production.

Pourquoi la rugosité de surface Ra ≤ 0,8 µm a plus d'importance que la tolérance sur les performances de la turbine

La rugosité de surface est plus importante que la tolérance dimensionnelle pour les performances de la turbine, car la finition du flanc de la pale entraîne directement une perte de charge dans le circuit du fluide. Une rugosité Ra de 1,6 micromètre par rapport à une rugosité Ra de 0,4 micromètre sur le flanc d'une pale de roue peut modifier l'efficacité de la pompe de 3 à 5 %.

La finition de surface par défaut d'un passage de ligne de flux avec une fraise à bout sphérique de 6 mm à un pas de 0,3 mm sur 6061-T6 est Ra 0,8 à 1,6 micromètre, suffisante pour la plupart des applications industrielles de pompes et de souffleurs. FRIMA cite Ra 0,8 micromètre comme norme, Ra 1,6 micromètre comme solution de repli.

Les capacités de FRIMA dans le secteur médical couvrent le fraisage de précision 5 axes à Ra 0,2 micromètre ou mieux, utilisant des fraises à bout sphérique coniques et des passes de 0,1 à 0,2 mm. Ce niveau de finition nécessite une passe de finition secondaire avec une géométrie de coupe différente.

Une passe de finition à Ra 0,2 micromètre prend 3 à 4 fois plus de temps qu'une passe à Ra 0,8 micromètre sur la même géométrie, car le pas latéral et la vitesse d'avance diminuent tous deux. Pour les séries de production, cela détermine la décision en matière de coût concernant la finition de surface réellement nécessaire à l'application.

Notre liste des équipements CNC Ce document décrit les centres d'usinage 5 axes que nous utilisons pour la fabrication des carters de turbines, notamment la plage de vitesses de broche et les capacités de la commande numérique qui déterminent la finition de surface réalisable en production. Ces capacités sont bien réelles, mais le coût est proportionnel aux spécifications de finition.

Dispositifs de bridage à 5 axes pour carters de turbines : 4 stratégies de fixation et leurs limites

Une stratégie de fixation inadéquate peut déformer la pièce sous la charge de l'outil de coupe, ce qui se traduit par une géométrie hors tolérance même si la machine et la trajectoire de l'outil sont parfaites. Il existe quatre stratégies de fixation courantes pour les travaux sur le carter de turbine.

Les mandrins à trois mors conviennent aux turbines à moyeu ouvert avec un alésage ou un arbre central. Le mandrin assure une concentricité à 0,02 mm près, suffisante pour les turbines à moyeu ouvert. La limite : la charge latérale exercée par l’outil de coupe décentre la pièce. Dans le cas de poches profondes et fermées, la déformation peut entraîner un dépassement des tolérances.

Les dispositifs de fixation sous vide conviennent aux boîtiers à parois minces et aux couvercles de pompes. Le vide maintient la pièce à plat contre une plaque de fixation, assurant un support uniforme de la face arrière et un accès de l'outil de coupe à la face avant. La limite est la pression du vide : 0,8 bar résiste à environ 0,08 MPa de charge latérale de l'outil de coupe, suffisante pour la finition de l'aluminium mais pas pour l'ébauche du titane.

Les supports de palettes (ou dispositifs de fixation) conviennent à la production en série. Une meule comporte plusieurs pièces sur plusieurs faces ; la machine à 5 axes usine donc une face de plusieurs pièces en une seule opération. Pour les séries de plus de 50 pièces, les pierres tombales sont rentabilisées grâce à la réduction du temps de cycle.

Les tourillons du 4e axe fonctionnent pour les boîtiers de rotation symétriques. Un tourillon est une table rotative à 4 axes qui permet à la pièce de tourner en continu pendant la découpe. Pour les moyeux de turbines et les pièces à symétrie de révolution, un tourillon permet de réaliser la découpe complète des pales à 360° en une seule opération. Limite : diamètre maximal des tourillons : 300 à 400 mm.

FRIMA utilise des tourillons à 4 axes pour les opérations de rotation à moyeu fermé et à symétrie de révolution, et des dispositifs de serrage pour les séries de production à face ouverte. Le choix du montage fait partie de l'analyse de fabricabilité (DFM) avant toute découpe d'acier.

Envoyez à Frank votre fichier STEP de carter de turbine : que faut-il inclure pour une analyse DFM immédiate ?

Si vous avez un dessin de carter de turbine ou un fichier STEP et que vous hésitez entre un travail 5 axes indexé 3+2 et un travail 5 axes simultané, le moyen le plus rapide est d'envoyer directement le fichier à Frank. Une analyse DFM instantanée d'un carter de turbine prend environ 30 minutes une fois que nous disposons du fichier STEP, des spécifications du matériau et des exigences de finition de surface, et elle répond à la question de savoir si la pièce est usinable avant même de passer une commande.

Veuillez inclure quatre éléments dans votre courriel. Premièrement, le fichier STEP ou IGES de la géométrie du carter de la turbine. Deuxièmement, la spécification du matériau (qualité d'aluminium, de titane, d'acier inoxydable ou autre). Troisièmement, les exigences de finition de surface sur les flancs des pales (Ra 0,8 µm est la norme, Ra 0,2 µm est l'objectif pour les applications médicales et aérospatiales). Quatrièmement, le volume annuel ou la quantité de prototypes. Avec ces quatre informations, nous pourrons vous fournir une fourchette de prix, un délai de livraison et une recommandation concernant l'outillage sous 24 heures ouvrables.

L'analyse DFM détecte généralement trois choses. Premièrement, vérifier si la géométrie de la poche permet un dégagement de 8 à 10 mm pour le porte-outil requis. Deuxièmement, il convient de déterminer si la finition de surface souhaitée est réalisable avec l'outil de coupe standard ou si une passe de finition secondaire est nécessaire. Troisièmement, il faut vérifier si la stratégie de bridage est adaptée à la géométrie de la pièce ou si un montage sur mesure est requis. Chacun de ces éléments représente un coût supplémentaire qui figure sur le devis ; les identifier avant la commande permet donc aux deux parties de gagner du temps.

Questions fréquentes concernant le fraisage 5 axes pour les carters de turbines