WO2016177952A1 - Outil de coupe pour l'usinage des matériaux abrasifs et notamment de matériaux à base de bois - Google Patents

Outil de coupe pour l'usinage des matériaux abrasifs et notamment de matériaux à base de bois Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool for the machining by removal of material of abrasive materials such as composite materials based on wood.
  • the invention is particularly applicable to the production of ceramic-oxide cutting inserts for machining abrasive materials, such as composite materials based on wood.
  • machining by chip removal of composite materials, abrasives, especially based on particles and wood fibers causes a mode of wear, for the materials most commonly used for these operations, by:
  • Tribochemical reaction the abrasion cycle increases the temperature and promotes the corrosion of the cutting edges. Two distinct phenomena have been studied:
  • Ceramics which have the properties of high temperature mechanical and chemical resistance, have been studied for cutting these abrasive materials generating corrosion.
  • Several studies have focused on machining tests with oxide ceramics [6] and nitrides [7].
  • oxide ceramics have the advantage of not being sensitive to oxidation, unlike compounds based on nitrides, various ceramic plates based on oxides have been made, the physical characteristics of which have been recorded in the attached table. (figure 1).
  • Pure AI2O3 ceramics have the highest hardness which would allow to expect the best resistance to wear.
  • nanoparticle ceramic plates made by the sol-gel process or cold isostatic pressing (CIP) process.
  • the object of the present invention is to develop a cutting tool for machining abrasive materials, comprising ceramic-oxide machining cutting inserts offering good wear resistance while being of a less expensive manufacture than tools with polycrystalline diamond inserts.
  • the invention relates to a cutting tool for the machining by removal of material of abrasive materials such as a material based on wood particles, this tool being characterized in that it consists of a support provided with at least one machining element and whose machining edge is constituted by a ceramic-oxide plate of high homogeneity, composed of Al 2 O 3 and ZrO 2, this wafer being obtained from a mixture homogeneous AbOa-XZrO nanoparticles of Al2O3 of average size less than ⁇ , and ZrO2 nanoparticles with tetragonal structure and of average size less than that of Al2O3 particles, the X content of ZrO2 being between 5 and 20% by mass of ZrO2 in relation to the mass total, the mixture being shaped into a plate by the sol-gel process followed by controlled sintering or isostatic compression, cold, and the plate (or platelets resulting from the division of the plate) being mechanically sharpened to achieve the cutting edge.
  • the cutting tool according to the invention has excellent resistance to abrasive wear, for machining by chip removal, abrasive materials such as particle boards or wood-based fibers.
  • the average particle size of ZrO 2 is less than 0.5 ⁇ .
  • the tool according to the invention being manufactured according to a simple process that does not require complex installations thus allows economical manufacture.
  • the simplicity of the manufacturing process by molding a plate by the sol-gel process followed by sintering or by the CIP process, then cutting the plate into platelets and sharpening the cutting edge of each wafer, reduces the number of parts discarded which increases the economic interest of the process and the reduction of the cost of the product (cutting insert). This also affects the cutting tool whose worn pads can be easily and quickly replaced.
  • the cutting tool with ceramic-oxide inserts according to the invention has a considerably improved overall wear resistance because:
  • the phase transformation under constraints and a temperature rise related to the machining process of the cutting edge and also the machining of the abrasive material by chip removal develops a better micromechanical stability of the intergranular bonds of the ceramic plates.
  • the platelets have a greater hardness, and therefore a better resistance to plastic micro-deformations of the microstructure and to the removal of grains,
  • the cutting edge is thinner thanks to the nanoparticles.
  • Figure 1 is a table showing the physical characteristics of seven oxide ceramic samples based on Al2O3 and 3yz r O2
  • Figure 2 is a table of the same physical characteristics of a cutting insert made of a combination of Al2O3 and ZrO2 according to the invention.
  • the invention relates to a cutting tool for machining abrasive materials.
  • This tool consists of a support to install the tool in the machine.
  • the support receives one or more cutting inserts which come into contact with the material to be machined.
  • the cutting inserts are made of Al2O3 alumina ceramic and ZrO2 zirconia, in a mass ratio of 5 to 20% of zirconia for the total mass.
  • Alumina Al2O3 and zirconia ZrO2 are in the form of nanoparticles (submicron particle size).
  • the particles of Al.sub.2 O.sub.3 are smaller than one micron and those of ZrO.sub.2 are smaller than those of alumina Al.sub.2O.sub.3 and preferably less than 0.5 .mu.m.
  • the ZrO 2 particles are regularly distributed in the mass of Al 2 O 3 alumina particles.
  • the ZrO2 nanoparticles initially have the truncated lattice crystal structure.
  • the homogeneous mixture of particles is used to make ceramic-oxide plates by the sol-gel process which retains this homogeneous distribution.
  • the molding of the plate by the sol-gel process is followed by baking (sintering). Tests conducted with platelets (sol-gel + sintering) showed that the cutting edge resulting from the single molding had no particular behavior and underwent chipping or cracking of the cutting edge.
  • the ceramic plate obtained by the sol-gel process and sintered is then cut into wafers of desired dimensions depending on the cutting tool.
  • the cutting insert or plates are fixed to a metal support which is itself then fixed to the support of the tool.
  • the tool is sharpened in a subsequent step to make the cutting edge of the wafers.
  • the ZrO2 nanoparticles increase in volume from the tetragonal network structure to that of the monoclinic network as shown by microscopic examinations before and after machining in the assembled state.
  • the ceramic had only a very small transformation (about 1 to 2%) of the integrated zirconia which had passed from the tetragonal state to the monoclinic state, after machining the cutting edge presented a significant transformation of structure.
  • the mechanical sharpening of the cutting edge induces high mechanical stresses in the structure. These constraints are comparable to a pressure which, combined with the high temperature rise produced by mechanical sharpening, causes the phase change of the ZrO2 nanoparticles from the tetragonal structure to the monoclinic structure.
  • the change in structure results in an increase in the volume of ZrO 2 particles which thus exert internal stresses on the Al 2 O 3 particles and block them.
  • These microcompression constraints in the microstructure considerably improve the micromechanical resistance of the grain boundaries.
  • the same result is obtained with platelets manufactured using the CIP (cold-controlled isostatic compression) process because the tragonal ZrO2 grains is no more transformed into a monoclinic structure than by the sol-gel process followed by sintering.
  • the invention thus results from the specific composition of oxide ceramics of Al2O3-XZrO2 (with 5 ⁇ X ⁇ 20% m.) Manufactured by a process limiting the defect population, as a sol-gel or gelcasting process or the CIP process with preparation powder before sintering. This results in a noticeable improvement in the resistance to tearing of the grains and therefore to abrasive wear during the machining of abrasive materials by an identified mechanism of microcompression of the grains.

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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 A12O3 et de ZrO2, cette plaquette étant obtenue : à partir d'un mélange homogène A12O3-XZrO de * nanoparticules de A12O3 de dimension moyenne inférieure à 1 μπι, et * nanoparticules de ZrO2 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de A12O3, * 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 affûtée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.

Description

« OUTIL DE COUPE POUR L'USINAGE DES MATERIAUX ABRASIFS ET NOTAMMENT DE MATERIAUX A BASE DE BOIS »
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 plaquettes 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 température 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 corrosion qui fragilise la matrice et favorise le déchaussement de grains par oxydation.
* Microfissuration :
Elle se produit sous les contraintes d'usinage ; l'arête se fragmente [4]
* Décharges électriques :
Elles concernent les outils en acier comme l'explique notamment l'étude [5]. Mais, aucun mécanisme général d'usure n'a pu être identifié et de ce fait aucune composition chimique spécifique, propre à cette application, n'a été trouvée.
Les céramiques, qui ont des propriétés de résistances 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 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 céramiques oxydes à base de AI2O3 et/ ou de 3YZrO2 combinés suivant différents pourcentages pondéraux et résultant de différents procédés de fabrication permet de comparer les caractéristiques physiques :
densité,
dureté Hv
- taille des grains
résistance à la flexion
ténacité
Ces données soulignent la très grande diversité de ces caractéristiques physiques mais ne permettent pas d'en déduire la tenue à l'usure lorsque ces céramiques sont le matériau de plaquettes utilisées pour usiner des matériaux abrasifs, voire fortement abrasifs.
La céramique de AI2O3 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- ZrO2 ou d'alumine AI2O3 à forte teneur en 3Y-ZrO2 qui ont une excellente ténacité et donc une grande tenue aux fissures et à la casse.
La comparaison de performance et d'usure avec les échantillons de composition respective Al2O3- 10(3Y-ZrO2) et AI2O3- 16(3Y-ZrO2), qui contiennent aussi de la zircone ZrO2, sous une forme 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, possédant des défauts, ainsi que les travaux scientifiques [8] ont montré 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 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 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 de coupe pour l'usinage de matériaux abrasifs, comportant des plaquettes 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
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- oxyde de forte homogénéité, composée de AI2O3 et de ZrO2, cette plaquette étant obtenue à partir d'un mélange homogène AbOa-XZrO de nanoparticules de AI2O3 de dimension moyenne inférieure à Ιμπι, et de nanoparticules de ZrO2 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de AI2O3, 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 affûtée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.
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 d'usinage, la dimension moyenne des particules de ZrO2 est inférieure à 0,5 μπι.
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- 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 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 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 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 des plaquettes en céramique-oxyde, - 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 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 par enlèvement de matière s 'appuyant sur les tableaux des caractéristiques 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 AI2O3 et de 3YZrO2, la figure 2 est un tableau de ces mêmes caractéristiques physiques d'une plaquette de coupe réalisée en une combinaison de AI2O3 et de ZrO2 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 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 AI2O3 et de zircone ZrO2, selon un rapport massique de 5 à 20% de zircone pour la masse totale.
L'alumine AI2O3 et la zircone ZrO2 sont à l'état de nanoparticules (dimension des particules submicron). Les particules de AI2O3 sont de taille inférieure à un micron et celles de ZrO2, sont inférieures à celles de l'alumine AI2O3 et de préférence inférieurs à 0,5 μπι. Les particules de ZrO2 sont régulièrement réparties dans la masse de particules d'alumines AI2O3. Les nanoparticules de ZrO2 ont initialement la structure 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). 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.
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.
L'outil est affûté 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 ZrO2 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 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.
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'affûtage mécanique, entraîne le changement de phase des nanoparticules de ZrO2 passant de la structure tétragonale à la structure monoclinique.
En outre, cette augmentation de volume est même amplifiée 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 augmentation de volume des particules de ZrO2 qui exercent ainsi des contraintes internes sur les particules de AI2O3 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 procédé CIP (compression isostatique contrôlée à froid) car la structure té- tragonale des grains de ZrO2 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 Al2O3-XZrO2 (avec 5<X<20%m.) fabriquées par un procédé limitant la population de défauts, comme procédé sol-gel ou gelcasting ou le procédé 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.
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Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1°) 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 AI2O3 et de ZrO2, cette plaquette étant obtenue :
à partir d'un mélange homogène AbOa-XZrO de
* nanoparticules de AI2O3 de dimension moyenne inférieure à 1 μπι, et
* nanoparticules de ZrO2 à structure tétragonale et de dimension moyenne inférieure à celle des particules de AI2O3,
* 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 affûtée mécaniquement pour réaliser l'arête de coupe.
2°) Outil d'usinage selon la revendication 1 ,
caractérisé en ce que
la moyenne des particules de ZrO2 est inférieure à 0,5 μηι.
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