Comment contrôler efficacement la déformation secondaire causée par la libération des contraintes résiduelles lors de l'usinage de précision des pièces moulées hydrauliques

Pièces moulées hydrauliques sont des composants essentiels dans les systèmes de contrôle des fluides de haute précision, exigeant des niveaux de précision exigeants dans les processus de fraisage, d'alésage et d'affûtage. Au cours de ces opérations, la contrainte résiduelle inhérente à la pièce moulée est redistribuée et libérée à mesure que la matière est éliminée. Ce phénomène provoque une déformation secondaire, qui compromet directement la précision de position, les tolérances géométriques et les performances d'étanchéité ultimes des passages d'huile internes et des alésages de vanne. Le contrôle de cette déformation constitue l’un des défis techniques les plus importants dans la fabrication de composants hydrauliques.

Analyser les sources de contraintes résiduelles dans les pièces moulées

Comprendre comment se forment les contraintes résiduelles est la première étape du contrôle de la déformation secondaire. Les contraintes résiduelles dans les pièces moulées hydrauliques proviennent principalement de trois phases :

1. Solidification de coulée : la vitesse de refroidissement incohérente entre les sections transversales épaisses et minces entraîne des taux de retrait et des temps de transformation de phase variables dans différentes zones. Cette contrainte thermique différentielle est la source dominante de contrainte résiduelle.

2. Retenue du noyau et du moule : Les passages d'huile internes complexes nécessitent souvent des structures de noyau complexes. La retenue rigide exercée par le noyau sur le métal lors de sa solidification empêche la libre contraction de la pièce moulée, établissant ainsi un système auto-équilibré de contraintes de traction et de compression au sein du composant.

3. Post-traitement : des opérations telles que le désincarcération, l'élimination du sable, un meulage inadéquat et un traitement thermique inapproprié peuvent également introduire des contraintes supplémentaires dans la structure de coulée.

Pré-traitement : clé pour éliminer ou stabiliser le stress résiduel

Avant de commencer tout usinage de précision, il est impératif de maximiser l’élimination ou la stabilisation des contraintes résiduelles internes grâce à des méthodes telles que le traitement thermique ou le vieillissement naturel.

1. Recuit de soulagement du stress

Le recuit de détente est la méthode la plus efficace et la plus largement appliquée pour atténuer les contraintes résiduelles de coulée.

• Mécanisme d'action : À cette température élevée, la limite d'élasticité du matériau diminue considérablement et la diffusion atomique s'accélère. Cela permet aux contraintes internes de se détendre grâce à une déformation plastique microscopique.

• Vitesse de refroidissement : Un processus de refroidissement contrôlé et extrêmement lent du four doit être appliqué. Un refroidissement rapide peut réintroduire de nouvelles contraintes thermiques, diminuant considérablement, voire annulant l'effet de soulagement des contraintes.

2. Vieillissement naturel et vibratoire

• Vieillissement naturel : implique un stockage du moulage à température ambiante pendant une période prolongée (plusieurs mois, voire un an). Cette méthode s'appuie sur l'instabilité thermodynamique et le fluage du matériau pour libérer lentement les contraintes. Bien que le résultat soit stable, la durée n’est pas pratique pour une fabrication moderne à haut rendement.

• Soulagement du stress vibratoire (VSR) : Une technique qui utilise l’énergie vibratoire pour aider à la relaxation du stress. En soumettant la pièce moulée à des vibrations d'une fréquence et d'une énergie spécifiques, les contraintes internes sont aidées vers un nouvel état d'équilibre. Cette méthode est efficace mais nécessite une adaptation précise des paramètres de vibration à la géométrie de la pièce moulée.

Stratégies de contrôle des contraintes lors de l'usinage de précision

Même après le prétraitement, certaines contraintes résiduelles peuvent persister. Des stratégies spécifiques doivent être utilisées lors des opérations de coupe pour contrôler la libération des contraintes.

1. Segmentation de l’usinage d’ébauche et de finition

• Usinage par phases : divisez strictement le processus en étapes d'usinage d'ébauche et de finition. L'objectif principal de l'usinage grossier est l'élimination rapide de la majorité de la surépaisseur de matière, exposant et permettant aux contraintes internes de se libérer partiellement.

• Détente intermédiaire : pour les pièces moulées hydrauliques critiques avec des exigences de déformation extrêmement strictes, telles que les corps de vannes à plusieurs étages, un recuit de détente intermédiaire à basse température peut être inséré après que l'usinage grossier ait éliminé 80 % du stock. Cela garantit que le champ de contraintes est équilibré au maximum avant le début de l'usinage de finition.

2. Coupe symétrique et retrait en couches

• Coupe symétrique : utilisez des trajectoires de coupe symétriques ou équilibrées autant que possible. Évitez les enlèvements de matière excessifs ou localisés sur un côté, qui perturberaient considérablement l'équilibre des contraintes et pourraient provoquer une flexion ou une torsion de la pièce moulée.

• Petite profondeur, passes multiples : pendant la phase d'usinage de finition, adoptez une faible profondeur de coupe et une faible vitesse d'avance, en enlevant le matériau restant en plusieurs passes. Cela permet à la contrainte résiduelle de se libérer selon un incrément plus doux et plus petit, évitant ainsi les sauts dimensionnels soudains associés à une libération brutale des contraintes.

3. Conception des luminaires et contrôle du serrage

• Luminaires flexibles : La conception des luminaires doit respecter le principe de déformation minimale. Utiliser des fixations flexibles avec support multipoint et grandes zones de contact, évitant la création de nouvelles contraintes de serrage sur la pièce moulée.

• Surveillance de la force de serrage : La force de serrage des composants hydrauliques de précision doit être contrôlée avec précision à l'aide de clés dynamométriques ou de capteurs de force. Cela garantit que la force de serrage est suffisante pour fixer la pièce mais pas assez forte pour induire une nouvelle déformation élastique.

Techniques de mesure et de compensation des déformations

Tout au long du processus d'usinage, un équipement de mesure de haute précision est crucial pour la surveillance en temps réel ou intermittent des déformations.

• Outils de mesure : les instruments couramment utilisés comprennent les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), les scanners laser et les comparateurs à cadran de haute précision. Ceux-ci sont utilisés pour évaluer avec précision les changements dans les tolérances géométriques telles que les emplacements critiques des alésages, la planéité et le parallélisme.

• Retour de données : si une déformation dépassant le seuil de tolérance spécifié est détectée, les données doivent être immédiatement renvoyées à la machine-outil ou à l'ingénieur de processus pour mettre en œuvre une compensation dynamique ou un ajustement des paramètres de coupe ultérieurs (par exemple, trajectoires d'outil, profondeur de coupe). Cela crée un système de contrôle en boucle fermée qui garantit la stabilité de la production par lots.