FR3035346A1

FR3035346A1 - Outil de coupe pour l'usinage des materiaux abrasifs et notamment de materiaux a base de bois

Info

Publication number: FR3035346A1
Application number: FR1553584A
Authority: FR
Inventors: Timothee Grunder; Anne Piquerez
Original assignee: DIAMONDE
Current assignee: DIAMONDE
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-10-28
Anticipated expiration: 2035-04-22
Also published as: FR3035346B1; US10369633B2; WO2016177952A1; US20180147638A1; EP3286158A1

Abstract

Outil de coupe pour l'usinage par enlèvement de matière de matériaux abrasifs tels qu'un matériau à base de particules de bois, outil caractérisé en ce qu'il se compose d'un support muni d'au moins un élément d'usinage et dont au moins l'arête d'usinage est constituée par une plaquette en céramique-oxyde de forte homogénéité, composée de Al2O3 et de ZrO2, cette plaquette étant obtenue : - à partir d'un mélange homogène Al2O3-XZrO de * nanoparticules de Al2O3 de dimension moyenne inférieure à 1 gm, et * nanoparticules de ZrO2 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de Al2O3, * la teneur X en ZrO2 étant comprise entre 5 et 20% massique de ZrO2 par rapport à la masse totale, - le mélange étant mis en forme de plaque par le procédé sol-gel suivi de frittage ou de compression isostatique contrôlée, à froid, et - la plaque (ou des plaquettes résultant de la division de la plaque) étant affutée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un outil de coupe pour l'usinage par enlèvement de matière de matériaux abrasifs tels que des matériaux composites à base de bois.

L'invention s'applique notamment à la réalisation de pla- quettes de coupe en céramiques-oxydes, destinées à l'usinage de matériaux abrasifs, tels que des matériaux composites à base de bois. Etat de la technique Pour la description de l'état de la technique, il sera fait référence aux documents cités dans la liste en fin de description. L'usinage par enlèvement de copeaux de matériaux composites, abrasifs, notamment à base de particules et de fibres de bois entraîne un mode d'usure, pour les matériaux les plus couramment utilisés pour ces opérations, par : * réaction tribochimique : le cycle d'abrasion augmente la tempéra- ture et favorise la corrosion des arêtes de coupe. Deux phénomènes distincts ont été étudiés : o l'abrasion de l'arête de coupe de l'outil en des matériaux tels que le carbure de tungstène et les aciers rapides, mis en évidence selon le document [10], o la corrosion en haute température, observé selon le document [1] pour les outils en carbone de tungstène WC et pour les aciers selon les documents [2] [3]. Ces études scientifiques montrent la susceptibilité des outils de coupe métalliques, ou à liant métallique au phénomène de corro- sion qui fragilise la matrice et favorise le déchaussement de grains par oxydation. * Microfissuration : Elle se produit sous les contraintes d'usinage ; l'arête se frag- mente [4] * Décharges électriques : Elles concernent les outils en acier comme l'explique notamment l'étude [5].

3035346 2 Mais, aucun mécanisme général d'usure n'a pu être iden- tifié et de ce fait aucune composition chimique spécifique, propre à cette application, n'a été trouvée. Les céramiques, qui ont des propriétés de résistances 5 mécaniques et chimiques en haute température ont été étudiées pour la coupe de ces matériaux abrasifs générant de la corrosion. Plusieurs travaux ont porté sur des essais d'usinage avec des céramiques oxydes [6] et nitrures [7]. Comme les céramiques oxydes présentent l'intérêt de ne 10 pas être sensibles à l'oxydation, contrairement aux composés à base de nitrures, on a réalisé différentes plaquettes en céramique à base d'oxydes dont les caractéristiques physiques analysées ont été consignées dans le tableau annexé (figure 1). Ce tableau comparatif de 7 différentes compositions de 15 céramiques oxydes à base de A1203 et/ou de 3YZr02 combinés suivant différents pourcentages pondéraux et résultant de différents procédés de fabrication permet de comparer les caractéristiques physiques : densité, dureté Hv 20 taille des grains résistance à la flexion ténacité Ces données soulignent la très grande diversité de ces ca- ractéristiques physiques mais ne permettent pas d'en déduire la tenue à 25 l'usure lorsque ces céramiques sont le matériau de plaquettes utilisées pour usiner des matériaux abrasifs, voire fortement abrasifs. La céramique de A1203 pure a la plus forte dureté ce qui permettrait d'en attendre la meilleure tenue à l'usure. Il en serait de même des céramiques en 3Y- Zr02 ou 30 d'alumine A1203 à forte teneur en 3Y-Zr02 qui ont une excellente ténaci- té et donc une grande tenue aux fissures et à la casse. La comparaison de performance et d'usure avec les échantillons de composition respective A1203-10(3Y-Zr02) et A120316(3Y-Zr02), qui contiennent aussi de la zircone Zr02, sous une forme 3035346 3 partiellement stabilisée, montre que cette forme partiellement stabilisée n'améliore pas la résistance à l'usure par abrasion. En résumé, l'usinage avec les céramiques standard, pos- sédant des défauts, ainsi que les travaux scientifiques [8] ont montré 5 que l'usure se faisait principalement par fissuration de l'arête de coupe. Les essais d'usinage avec les plaquettes ayant l'une des compositions 1 à 7 selon le tableau 1 ont montré qu'elles avaient une durée de vie très courte malgré leurs caractéristiques physiques a priori intéressantes. Cette durée de vie des outils n'était pas satisfaisante par 10 comparaison à celle d'outils en diamant polycristalin. Cela est vrai pour ces plaquettes de céramique à nano- particules réalisées par le procédé de sol-gel ou un procédé de compression isostatique à froid (CIP). Un examen microscopique des plaquettes d'usinage a 15 montré que toutes ces plaquettes réalisées avec des compositions de nanoparticules sont fragiles et les arêtes de coupe s'écaillent ou se fissurent et perdent rapidement leur efficacité. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un outil 20 de coupe pour l'usinage de matériaux abrasifs, comportant des pla- quettes de coupe d'usinage en céramique-oxyde offrant une bonne résistance à l'usure tout en étant d'une fabrication moins coûteuse que les outils à plaquettes en diamant polycristallin. Exposé et avantages de l'invention 25 A cet effet, l'invention a pour objet un outil de coupe pour l'usinage par enlèvement de matière de matériaux abrasifs tels qu'un matériau à base de particules de bois, cet outil étant caractérisé en ce qu'il se compose d'un support muni d'au moins un élément d'usinage et dont l'arête d'usinage est constituée par une plaquette en céramique- 30 oxyde de forte homogénéité, composée de A1203 et de Zr02, cette pla- quette étant obtenue à partir d'un mélange homogène A1203-XZr0 de nanoparticules de A1203 de dimension moyenne inférieure à 1 gm, et de nanoparticules de Zr02 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de A1203, la teneur X en Zr02 étant comprise entre 5 et 20% massique de Zr02 par rapport à la masse 3035346 4 totale, le mélange étant mis en forme de plaque par le procédé sol-gel suivi de frittage ou de compression isostatique contrôlée, à froid, et la plaque (ou des plaquettes résultant de la division de la plaque) étant affutée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.

5 L'outil de coupe selon l'invention a une excellente tenue à l'usure par abrasion, pour usiner par enlèvement de copeaux, des matériaux abrasifs comme les panneaux de particules ou de fibres à base de bois. Suivant une caractéristique avantageuse de l'outil 10 d'usinage, la dimension moyenne des particules de Zr02 est inférieure à 0,5 _tm. On ne constate aucun écaillage ni fissuration de l'arête de coupe qui conserve sa forme et donc son affûtage. La seule usure constatée est une usure par abrasion, c'est-à-dire enlèvement de nano- 15 particules qui sont détachées de la masse de céramique. Mais cette abrasion conserve la forme de l'arête de coupe de sorte que l'outil possède toujours ses excellentes caractéristiques de coupe. L'outil selon l'invention étant fabriqué selon un procédé simple ne nécessitant pas d'installations complexes permet ainsi une 20 fabrication économique. La simplicité du procédé de fabrication par moulage d'une plaque par le procédé de sol-gel suivi d'un frittage ou par le procédé CIP, puis découpe de la plaque en plaquettes et affûtage de l'arête de coupe de chaque plaquette, réduit le nombre de pièces mises au rebut ce qui augmente d'autant l'intérêt économique du procédé et la 25 réduction du coût du produit (plaquette de coupe). Cela se répercute aussi sur l'outil de coupe dont les plaquettes usées peuvent être facilement et rapidement remplacées. L'outil de coupe avec des plaquettes en céramique-oxyde selon l'invention a une résistance globale à l'usure considérablement 30 améliorée car : la transformation de phase sous des contraintes et une élévation de température liées au procédé d'usinage de l'arête de coupe et aussi l'usinage du matériau abrasif par enlèvement de copeaux développe une meilleure stabilité micromécanique des liaisons intergranulaires 35 des plaquettes en céramique-oxyde, 3035346 5 les plaquettes ont une plus grande dureté, et donc une meilleure résistance aux microdéformations plastiques de la microstructure et à l'arrachement de grains, les plaquettes ont peu de défauts, ce qui limite l'influence de leur 5 caractère intrinsèquement fragile, l'arête de coupe est plus fine grâce aux nanoparticules. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation d'un outil d'usinage 10 par enlèvement de matière s'appuyant sur les tableaux des caractéris- tiques physiques de différentes céramiques-oxydes, ainsi la figure 1 est un tableau présentant les caractéristiques physiques de 7 échantillons de céramique oxyde à base de A1203 et de 3YZr02, la figure 2 est un tableau de ces mêmes caractéristiques physiques 15 d'une plaquette de coupe réalisée en une combinaison de A1203 et de Zr02 selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention L'invention a pour objet un outil de coupe pour l'usinage de matériaux abrasifs. Cet outil se compose d'un support pour installer 20 l'outil dans la machine. Le support reçoit une ou plusieurs plaquettes de coupe qui elles, entrent au contact du matériau à usiner. Les plaquettes de coupe sont en une céramique-oxyde d'alumine A1203 et de zircone Zr02, selon un rapport massique de 5 à 20% de zircone pour la masse totale.

25 L'alumine A1203 et la zircone Zr02 sont à l'état de nano- particules (dimension des particules submicron). Les particules de A1203 sont de taille inférieure à un micron et celles de Zr02, sont inférieures à celles de l'alumine A1203 et de préférence inférieurs à 0,5 gni. Les particules de Zr02 sont régulièrement réparties dans la masse de particules 30 d'alumines A1203. Les nanoparticules de Zr02 ont initialement la struc- ture cristalline de réseau trétragonal. Le mélange homogène des particules est utilisé pour réaliser des plaques de céramique-oxyde par le procédé de sol-gel qui conserve cette répartition homogène. Le moulage de la plaque par le procédé sol-gel est suivi par une cuisson (frittage).

3035346 6 Des essais faits avec des plaquettes (sol-gel + frittage) ont montré que l'arête de coupe résultant du seul moulage n'avait pas de tenue particulière et subissait un écaillage ou des fissurations de l'arête de coupe.

5 Selon l'invention, la plaque de céramique obtenue par le procédé sol-gel et frittée, est ensuite coupée en plaquettes de dimensions voulues en fonction de l'outil de coupe. La ou les plaquettes de coupe sont fixées à un support métallique qui est lui-même fixé ensuite au support de l'outil.

10 L'outil est affuté dans une étape ultérieure pour réaliser l'arête de coupe des plaquettes. Sous l'effet de l'usinage de la plaquette et de son arête de coupe, les nanoparticules de Zr02 augmentent de volume en passant de la structure de réseau tétragonal à celle de réseau monoclinique comme l'ont montré des examens au microscope avant et 15 après l'usinage à l'état monté. En effet, alors qu'avant l'usinage de l'arête de coupe, la céramique ne présentait qu'une très faible transformation (environ de 1 à 2%) de la zircone intégrée qui était passée de l'état tétragonal à l'état monoclinique, après usinage l'arête de coupe présentait une transformation importante de structure.

20 L'affûtage mécanique de l'arête de coupe induit de fortes contraintes mécaniques dans la structure. Ces contraintes sont assimilables à une pression qui, combinée à la forte élévation de température produite par l'affutage mécanique, entraîne le changement de phase des nanoparticules de Zr02 passant de la structure tétragonale à la struc- 25 ture monoclinique. En outre, cette augmentation de volume est même ampli- fiée ensuite par le travail avec l'outil c'est-à-dire l'usinage du matériau abrasif comme l'ont montré des examens au microscope. Le changement de structure se traduit par une augmen- 30 tation de volume des particules de Zr02 qui exercent ainsi des con- traintes internes sur les particules de A1203 et bloquent celles-ci. Ces contraintes de microcompression dans la microstructure améliorent considérablement la résistance micromécanique des joints des grains. Le même résultat s'obtient avec des plaquettes fabriquées selon le pro- 35 cédé CIP (compression isostatique contrôlée à froid) car la structure té- 3035346 7 tragonale des grains de Zr02 n'est pas plus transformée en structure monoclinique que par le procédé sol-gel suivi du frittage. L'invention résulte donc de la composition spécifique de céramiques oxydes de A1203-XZr02 (avec 5<X<20°/0m.) fabriquées par un procédé limitant la 5 population de défauts, comme procédé sol-gel ou gelcasting ou le procé- dé CIP avec préparation de la poudre avant frittage. Il en résulte une amélioration notable de la résistance à l'arrachement des grains et donc à l'usure par abrasion lors de l'usinage de matériaux abrasifs par un mécanisme identifié de microcompression des grains.

10 3035346 8 Références documentaires [1] Porankiewicz B. Tribochemical reactions of cutting-edge material during secondary wood-product cutting. Tribol Lett 2002;13:141-5. [2] Porankiewicz B, Chamot E. Tribochemical reactions of steel in 5 cutting edge material during secondary wood products cutting. Tribol Lett 2005;19:73-82. [3] Mohan GD, Klamecki BE. The susceptibility of wood-cutting tools to corrosive wear. Wear 1981;74:85-92. doi:10.1016/0043- 1648(81)90195-2. 10 [4] Miklaszewski S, Zurek M, Beer P, Sokolowska A. Micromechanism of polycrystalline cemented diamond tool wear during milling of woodbased materials. Diam Relat Mater 2000;9:1125-8. doi:10.1016/S0925- 9635(99)00370-2. [5] Stewart HA, Srinivasan S, Kent Stiffler A, Miller DB. Electrical 15 discharge when machining medium-density fibreboard and tool wear. Tribol Int 1994;27:343-8. doi: 10.1016/ 0301-679X(94)90028-0. [6] Gogolewski P, Klimke J, Krell A, Beer P. A1203 tools towards effective machining of wood-based materials. J Mater Process Technol 2009;209:2231-6. doi:10.1016/j.jmatprotec.2008.06.016. 20 [7] Eblagon F, Ehrle B, Graule T, Kuebler J. Development of silicon nitride/silicon carbide composites for wood-cutting tools. J Eur Ceram Soc 2007;27:419-28. [8] Sommer F, Talpeanu D, Kern F, Gadow R, Heisel U. Medium Density Fiberboard Machining and Wear Behavior of Injection-Molded Ce- 25 ramic Composite Wood Cutting Tools. Int J Appl Ceram Technol 2015;12:147-56. doi:10.1111/ijac.12144. [9] Evans A g., Faber K t. Crack-Growth Resistance of Microcracking Brittle Materials. J Am Ceram Soc 1984;67:255-60. doi:10.1111/j.1151-2916.1984.tb18842.x. 30 [10] McKenzie, Karpovich. Wear and blunting of the tool corner in cut- ting a wood-based material. Wood Science and Technology 1975; 9:5973 35

Claims

REVENDICATIONS1°) Outil de coupe pour l'usinage par enlèvement de matière de matériaux abrasifs tels qu'un matériau à base de particules de bois, outil caractérisé en ce qu'il se compose d'un support muni d'au moins un élément d'usinage et dont au moins l'arête d'usinage est constituée par une plaquette en céramique-oxyde de forte homogénéité, composée de A1203 et de Zr02, cette plaquette étant obtenue : à partir d'un mélange homogène A1203-XZr0 de * nanoparticules de A1203 de dimension moyenne inférieure à 1 gni, et * nanoparticules de Zr02 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de A1203, * la teneur X en Zr02 étant comprise entre 5 et 20% massique de Zr02 par rapport à la masse totale, le mélange étant mis en forme de plaque par le procédé sol-gel suivi de frittage ou de compression isostatique contrôlée, à froid, et la plaque (ou des plaquettes résultant de la division de la plaque) étant affutée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.
2°) Outil d'usinage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la moyenne des particules de Zr02 est inférieure à 0,5 i_tm.25