L'acier à très haute résistance 300M est de plus en plus utilisé en raison de ses excellentes propriétés matérielles, mais ce matériau présente de grandes difficultés de traitement. En étudiant la technologie de traitement du traitement grossier et fin de ce matériau, en maîtrisant les paramètres et méthodes de traitement scientifiques et raisonnables, le produit de ce matériau peut être fabriqué de manière stable. En même temps, sa technologie de traitement peut être référencée et utilisée par d'autres matériaux similaires, ce qui a une importance promotionnelle.
L'industrie aéronautique est décrite comme la « fleur de l'industrie moderne », ce qui est un indicateur important de la technologie, de l'économie, de la force de défense nationale et du niveau d'industrialisation d'un pays. D'une part, elle constitue le fondement de la sécurité de la défense nationale et, d'autre part, elle est également un pilier important du développement économique du pays. En tant que trésor national, l'industrie aéronautique combine les caractéristiques typiques de l'industrie de haute technologie et de l'industrie manufacturière avancée, et a reçu une grande attention et un développement prioritaire de la part des pays du monde entier.
Tendances de développement des matériaux pour les pièces aéronautiques
Dans la conception structurelle des avions civils de pointe, tant au niveau national qu'international, afin de répondre aux exigences de longue durée de vie, de facilité d'entretien et de légèreté des avions, la structure des pièces de base évolue vers l'intégration, la complexité et les parois minces. Par conséquent, de plus en plus de conceptions structurelles intégrées sont adoptées et de nouveaux matériaux sont utilisés pour améliorer la résistance structurelle des avions.
Avec le développement continu de la technologie des matériaux, de la technologie de forgeage et de la technologie de traitement, l'utilisation d'acier allié à très haute résistance pour fabriquer les principaux composants porteurs des trains d'atterrissage des gros avions est devenue un choix inévitable. À l'heure actuelle, les matériaux de train d'atterrissage les plus utilisés à l'étranger sont des aciers alliés à très haute résistance, tels que le 35NCD16 de France, le 30XCH-2A de Russie et le 300M des États-Unis. Une résistance élevée des matériaux peut rendre le train d'atterrissage léger, et la réduction du poids a toujours été un indicateur important recherché dans la conception du train d'atterrissage. Dans le même temps, les matériaux doivent avoir d'excellentes performances globales pour garantir la fiabilité du fonctionnement du train d'atterrissage.
300M Propriétés du matériau
(1) L'acier allié à très haute résistance 300M aux propriétés métalliques est un acier nickel-chrome-molybdène à teneur moyenne en carbone important dans l'industrie aéronautique américaine, et sa composition métallique est indiquée dans le tableau 1.
Tableau 1 Composition chimique des matériaux (fraction massique) (%)
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Moi | Ni |
| 0.40-0.45 | 1.45-1.80 | 0.65-0.90 | 0.01 | 0.0015max | 0.70-0.95 | 0.35-0.50 | 1.65-2.00 |
Par rapport aux autres métaux, les propriétés chimiques, physiques et mécaniques de ce métal ont ses propres caractéristiques, qui peuvent être résumées comme suit :
① Ultra haute résistance. L'acier à ultra haute résistance est un type d'acier à faible teneur en carbone et en alliage. Comparé à l'acier non allié, il a une résistance plus élevée et est intrinsèquement connu sous le nom d'acier à ultra haute résistance faiblement allié.
② Limite d'élasticité élevée. Comparé à l'acier non allié, l'acier faiblement allié a une limite d'élasticité plus élevée, donc sous la même charge, le poids des pièces peut être réduit de 20 à 30 %.
③ Bonne plasticité et ténacité. La proportion d'éléments d'alliage dans l'acier faiblement allié est relativement faible et il présente une bonne plasticité et une bonne ténacité.
④ Trempabilité élevée. Le matériau d'alliage contient des éléments tels que Ni, Cr, Mo, etc., ce qui rend l'austénite sous-refroidie de l'acier assez stable. Après trempe à l'air, des structures de martensite et de bainite peuvent être obtenues.
(2) Analyse des performances de traitement du matériau : ce matériau présente généralement deux états de traitement thermique, à savoir normalisation + revenu et trempe + revenu. La dureté correspondante de ces deux états est indiquée dans le tableau 2.
Tcapacité 2 Dureté du matériau
| Condition | Unité de dureté | ||
| HT | HBS/HBW | Le | |
| Normalisation + trempe | N/A | 302 Max | 31Max |
| Trempe et revenu | 590-630 | 555-590 | 52-55 |
Le tableau 2 montre que le matériau présente une bonne dureté et que sa valeur de résistance à la traction est également très élevée. C'est précisément pour cette raison qu'il est très difficile à usiner et qu'il appartient à la catégorie des matériaux difficiles à usiner, ce qui se manifeste principalement par les aspects suivants :
① Force de coupe élevée. En raison de la dureté et de la résistance élevées des matériaux, de la densité atomique et de la force de liaison élevées, de la ténacité à la rupture élevée et de la plasticité persistante, la force de coupe est importante pendant le processus de coupe et la fluctuation de la force de coupe est également relativement importante.
② Température de coupe élevée. Pendant le processus de coupe, les alliages consomment une grande quantité d'énergie de déformation de coupe, génèrent beaucoup de chaleur et concentrent une grande quantité de chaleur de coupe dans la zone de coupe, formant ainsi une température de coupe élevée.
③ Il existe une forte tendance au durcissement par écrouissage. L'alliage présente les caractéristiques d'une plasticité et d'une ténacité élevées, associées à un coefficient de renforcement élevé, ce qui génère une déformation plastique énorme sous l'action de la force de coupe et de la chaleur de coupe, ce qui entraîne un durcissement par écrouissage. Sous l'action de la chaleur de coupe, le matériau absorbe les atomes d'éléments tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote dans le milieu environnant pour former une surface dure et cassante, ce qui entraîne de grandes difficultés de coupe.
④ Usure excessive de l'outil. Lors de la coupe, la force de coupe est élevée, la chaleur de coupe est élevée et le frottement direct entre l'outil et le copeau est intensifié. Le matériau de l'outil a une affinité avec le matériau de la pièce. De plus, la présence de points durs dans le matériau et le phénomène d'écrouissage sévère rendent l'outil sujet à l'usure adhésive, à l'usure par diffusion, à l'usure par meulage, à l'usure pratique et à l'usure des rainures pendant le processus de coupe, ce qui fait perdre à l'outil sa capacité de coupe.
⑤ Les copeaux sont difficiles à manipuler. Le matériau présente une résistance, une plasticité et une ténacité élevées, et les copeaux produits pendant la découpe sont enveloppés dans des rubans, ce qui est non seulement dangereux, mais affecte également le bon déroulement du processus de découpe et n'est pas facile à manipuler.
⑥ La déformation de coupe est importante. Lors du traitement des matériaux en alliage, la température de coupe est élevée, la plasticité est élevée et une déformation thermique est susceptible de se produire pendant le traitement, ce qui rend difficile de garantir des dimensions et des formes précises.
Sichuan Huitai Special Metals Co., Ltd. s'est engagée depuis longtemps dans le traitement de l'acier à très haute résistance 300M. Le niveau de résistance à la traction de ce matériau atteint 1900-2100MPa. Après des tests et des découpes continus, à l'aide d'outils de traitement spécifiques, un plan de traitement stable a été résumé pour assurer une production stable et efficace des produits. La technologie de traitement de ce matériau est présentée sous trois aspects : l'usinage d'ébauche, l'usinage de tournage et l'usinage de fraisage de 300M. Parmi eux, l'usinage de tournage et de fraisage de 300M appartiennent à la catégorie de l'usinage de précision.
Usinage brut 300M
L'usinage d'ébauche du 300M a généralement lieu avant le traitement thermique final. À ce stade, le matériau est dans un état normalisé + revenu, avec une valeur de dureté maximale de 31 HRC. La dureté est faible, a une certaine viscosité et ne casse pas facilement les copeaux. Afin de réduire la marge de coupe pour l'usinage de précision, autant de matière que possible est retirée lors de l'usinage d'ébauche.
(1) L'outil couramment utilisé pour le tournage d'ébauche est le CNMP120408 de WIDIA, comme le montre la figure 1a, qui convient à l'usinage d'ébauche. En raison de la souplesse des matières premières, afin de mieux briser les copeaux et d'assurer une efficacité de traitement élevée, leurs paramètres de traitement sont généralement plus grands. Sa vitesse de coupe est de 175 à 200 m/min, sa profondeur de coupe est de 1,5 à 2 mm et sa vitesse d'avance est de 0,2 à 0,4 mm/r. Après le traitement, les limaille de fer générées sont petites et la rupture des copeaux est bonne.
a) Outil de tournage extérieur
b) Les chips
Figure 1 Outils de tournage extérieurs et copeaux
(2) L'usinage de trous profonds est une méthode d'usinage par enlèvement de matière rapide qui peut être sélectionnée parmi le perçage en U et l'usinage de trous profonds, avec de légères différences entre les deux méthodes.
1) Utiliser un foret en U pour l'usinage. En raison de la puissance élevée requise pour l'utilisation de forets en U et du diamètre relativement important des trous traités, on choisit généralement des centres d'usinage horizontaux. Lors de l'utilisation du perçage, la vitesse de coupe de l'outil est comprise entre 40-60m/min et la quantité de coupe d'une dent de l'outil est comprise entre 0.15-0.3mm. Avec ces paramètres d'usinage, les copeaux générés seront légèrement plus fins, mais un meilleur état de rupture des copeaux peut également être obtenu. La figure 2 montre l'usinage par foret en U utilisé sur un centre d'usinage horizontal et les copeaux générés.
a) Foret en U
b) Les chips
Figure 2 Foret en U et copeaux
2) Traitement de perçage de trous profonds. Lors de l'utilisation d'un foret pour trous profonds pour le traitement, une attention particulière doit être accordée au mode de fracture des copeaux. Les copeaux longs et fins ont particulièrement tendance à bloquer le tube de coupe de l'outil de perçage de trous profonds, ce qui empêche les copeaux de s'évacuer. En usinage général, la quantité de coupe par dent est de 0.2-0.4 mm. Tout en garantissant une résistance de l'outil et une charge de la machine suffisantes, essayez de contrôler la quantité de coupe par dent au-dessus de 0.3 mm. Cela permettra aux copeaux de fer de se briser plus facilement et de produire des copeaux idéaux. Les outils d'usinage et les copeaux sont présentés dans la figure 3.
a) Outils de forage de trous profonds
b) Copeaux à une quantité de coupe de 0,3 mm par dent
Figure 3 Outils de perçage de trous profonds et copeaux
Usinage de tournage 300M
Le tournage est généralement divisé en tournage circulaire extérieur et perçage intérieur. La difficulté du tournage est inférieure à celle du perçage et la résistance de l'outil pendant le tournage est meilleure que celle du perçage, ce qui facilite l'élimination des copeaux et le refroidissement est plus suffisant. Afin de garantir la qualité d'usinage des pièces, il est généralement divisé en usinage grossier et fin.
Figure 4 Usinage de précision des lames tournantes
(1) Lors de l'usinage d'ébauche du cercle extérieur par tournage extérieur, la vitesse linéaire est de 90-120m/min, la profondeur de coupe est de 0.3-0.8mm et la vitesse d'avance est de 0.1-0.2mm/r. Lors de l'utilisation de cet outil pour l'usinage, il est possible de garantir qu'il n'y a qu'une seule pointe d'outil en contact avec le cercle extérieur de la pièce, ce qui peut réduire la force de coupe et la chaleur de coupe. Les outils et les copeaux utilisés pour l'usinage du cercle extérieur sont présentés dans la Figure 5.
a) Outil de tournage extérieur
b) Les chips
Figure 5 Outils de tournage extérieurs et copeaux
La figure 5 montre que les copeaux générés sont de couleur plus foncée et plus longs, formant une forme bouclée. En effet, après le traitement thermique final, la résistance à la traction du matériau est considérablement améliorée et une grande quantité de chaleur de coupe est générée pendant le processus d'usinage, ce qui ne permet pas de casser facilement les copeaux.
Lors de l'usinage de précision du cercle extérieur, la vitesse linéaire est de {{0}}m/min, la profondeur de coupe est de 0.05-0.1mm et la vitesse d'avance est de 0.05-0.1mm/r. De tels paramètres d'usinage peuvent garantir que la surface du cercle extérieur de tournage de précision est très lisse, et les copeaux générés sont illustrés à la figure 6.
Figure 6 Copeaux de tournage fins
(2) Il y a trois points à prendre en compte lors de l'usinage des trous intérieurs : premièrement, il doit y avoir un bon refroidissement, un liquide de refroidissement suffisant et la concentration du liquide de refroidissement doit être assurée ; deuxièmement, il est nécessaire d'assurer une bonne évacuation des copeaux et d'éviter l'apparition de copeaux écrasés et coupés ; le troisième est de s'assurer que les outils de coupe ont une bonne rigidité.
Afin d'obtenir une bonne évacuation des copeaux, l'usinage d'ébauche adopte généralement la méthode d'alésage segmentée lors de l'alésage des trous intérieurs, qui est divisée en plusieurs segments en fonction de la longueur totale du trou intérieur de la pièce. Pendant l'alésage segmenté, les copeaux générés peuvent être évacués en temps opportun, évitant l'accumulation d'une grande quantité de copeaux dans le trou intérieur et provoquant une déviation de l'outil. La méthode d'alésage est illustrée à la Figure 7. Lors de l'alésage des trous intérieurs, il est nécessaire d'utiliser des porte-outils amortisseurs et des outils de grand diamètre. La longueur de l'outil doit correspondre à la longueur de la pièce et l'outil doit être légèrement plus long que la pièce. Cela peut maximiser la rigidité de l'outil, éviter les vibrations et la coupe et rendre la surface du trou intérieur plus lisse. Les outils utilisés pour l'alésage des trous sont illustrés à la Figure 8. Pendant l'usinage d'ébauche, la vitesse linéaire est de 90~120m/min, la profondeur de coupe est de 0.2~0.5mm et la vitesse d'avance est de 0,1~0,2mm/r. Les puces générées sont présentées dans la figure 9.
Figure 7 Méthode d'alésage
Figure 8 Barre de couteau anti-vibration
Figure 9 Copeaux d'alésage grossiers
Les copeaux générés par l'alésage sont plus longs que ceux du cercle extérieur de la voiture car leur profondeur de coupe est inférieure à celle du cercle extérieur de la voiture, ce qui les rend plus difficiles à casser et plus bouclés. Les paramètres de traitement des trous intérieurs d'alésage de précision sont similaires à ceux des cercles extérieurs de tournage de précision, et les copeaux générés sont également fondamentalement similaires.
Traitement de fraisage 300M
Lors de la conception du processus d'usinage, afin de garantir la fluidité de l'ensemble du processus d'usinage, le fraisage de la forme finale des pièces est choisi, et les caractéristiques d'usinage, les outils de coupe et les méthodes d'usinage choisis sont également différents.
(1) L'usinage d'ébauche utilise généralement des outils de coupe de type carte machine, qui ont une efficacité de traitement élevée et un faible coût. Les lames standard peuvent assurer la stabilité des dimensions d'usinage d'ébauche. Lors du traitement de ce matériau, la sélection des outils produits par Shante peut obtenir de bons résultats. Le modèle d'outil est R390-020A20-11M et le modèle de lame est R390-11T3 31M-KM, comme indiqué sur la figure 10. Lors de l'utilisation de cet outil pour l'usinage, la vitesse de coupe est de 100-150m/min, la profondeur de coupe est de 0,5 mm et la vitesse d'avance est de 400-800mm/min. Le choix d'une profondeur de coupe trop importante peut provoquer des dommages anormaux tels que la rupture de la lame. Après le traitement, les copeaux sont présentés sur la figure 11.
Figure 10 Outils et lames d'usinage grossier
Figure 11 Copeaux de fraisage grossiers
(2) Si la taille des caractéristiques d'une petite pièce est petite, des outils de plus grand diamètre ne peuvent pas être utilisés. Afin d'augmenter la durée de vie de l'outil et d'assurer la qualité d'usinage de la pièce, certaines compétences en usinage sont nécessaires. Lors du traitement de 300M, il est préférable d'utiliser le fraisage cycloïdal au lieu du fraisage en couches pour les caractéristiques de petite taille.
Le fraisage cycloïdal présente de nombreux avantages, tels qu'une efficacité d'usinage élevée, une faible force de coupe radiale, une insensibilité aux vibrations et une faible déviation lors de l'usinage de rainures profondes. Il présente de bonnes performances d'enlèvement de copeaux et génère moins de chaleur. Il est recommandé de l'utiliser pour le traitement de matériaux durs et d'états sensibles aux vibrations. Son mode de traitement est illustré à la figure 12. Lors de l'utilisation du fraisage cycloïdal, la vitesse de coupe peut atteindre 150-200 m/min.
Figure 12 Fraisage cycloïdal
(3) Lors de l'usinage de précision, il est conseillé de choisir des outils de coupe aussi proches que possible de la taille d'usinage pour assurer une bonne rigidité, et des outils de coupe revêtus doivent être sélectionnés, comme illustré à la Figure 13. Le tranchant de l'outil doit être tranchant, de sorte que la rugosité de surface produite puisse répondre aux exigences, comme illustré à la Figure 14.
Figure 13 Fraisage cycloïdal
Figure 14 Qualité de surface après usinage de précision
En raison des excellentes propriétés matérielles de l'acier à très haute résistance 300M, son domaine d'application s'est élargi de plus en plus, mais en même temps, il a également augmenté la difficulté de traitement. Dans le processus de production, il est nécessaire de choisir des outils de coupe spécifiques et des paramètres de traitement raisonnables pour éviter la reprise ou la mise au rebut des pièces. Avec le développement des nouvelles technologies de traitement, le traitement de ces matériaux deviendra inévitablement relativement simple et facile, tout en nécessitant également une synthèse et une accumulation continues de l'expérience de traitement.
Les composants aéronautiques peuvent fonctionner dans des environnements difficiles, il convient donc d'accorder une attention particulière à la qualité du produit. Des défauts mineurs dans le traitement mécanique peuvent avoir des effets néfastes sur les processus spéciaux ultérieurs. Pour éviter ce risque potentiel, un contrôle qualité doit être strictement appliqué pendant le traitement.
