On fait de plus en plus appel à la fonte à graphite compacté (CGI), notamment dans l’industrie automobile et, aussi, dans d’autres industries pour des pièces stratégiques comme dans l’aérospatiale. Seulement, cette fonte soulève des défis particuliers et du choix correct des outils pour les usiner dépend dans quelle mesure les ateliers sont capables d’assurer avec efficacité la production des pièces en cette matière. Bien des ateliers seraient prêts à proposer leur savoir-faire d’usineurs méticuleux auprès des donneurs d’ordres mais il leur manque souvent, pour se lancer et être agrées, les connaissances réunies dans cette étude.


Le développement mené à bien de nouvelles matières de pièces conduit les carburiers fabricants d’outils à créer pour les usiner des géométries de coupe, des nuances de carbures et des technologies très évoluées pour les revêtir. Les ateliers travaillant pour l’industrie aéronautique, par exemple, ont été contraints de mettre au point des moyens efficaces pour usiner les alliages de titane et les composites. Il en est de même pour les ateliers travaillant pour l’industrie du médical auxquels on a demandé d’usiner de nouveaux polymères, des aciers inoxydables et autres matières exotiques. Une matière plutôt rébarbative à l’usinage ayant fait son entrée dans l’industrie depuis déjà quelques années est la fonte à graphite compacté (CGI) utilisée largement pour la création de blocs moteurs, de chapeaux de cylindres et autres pièces spécifiques pour les véhicules lourds et l’aérospatiale. Un avantage retiré est une nettement meilleure efficacité du carburant de quantité de véhicules circulant sur nos routes, cette fonte CGI pesant moitié moins que la fonte grise conventionnelle. Qui plus est, elle possède une résistance à la fatigue et une dureté deux fois plus importantes que la fonte grise, permettant aux dévelopeurs, par exemple, de prévoir des parois de blocs moteurs d’une épaisseur réduite à un minimum (fig. 1). De ce fait, un moteur en CGI une fois assemblé a un poids environ neuf pour cent inférieur à celui d’un moteur identique utilisant de la fonte grise. En outre, il est capable de résister aux pointes de pression survenant lors de l’allumage des moteurs diesel alors que ceux en alliage d’aluminium à chemises en fonte ne le peuvent pas. Parmi les pièces spécifiques, on retiendra celles exigeant un maximum de sécurité et une masse minimale, notamment en aérospatiale, comme certains paliers, composants de vérins ou de propulseurs produits confidentiellement.

Fig. 1 - La fonte à graphite compacté (CGI) présentant une résistance à la traction deux fois supérieure à celle de la fonte grise, la conformation des nouveaux moteurs tel que celui de la vue de droite peut posséder des épaisseurs de parois nettement moins épaisses, ce qui réduit très sensiblement leur poids. Cette évolution n’est devenue possible que grâce à une attention particulière exercée quant à la nature des outils de coupe servant à leur usinage.


Pourquoi la fonte CGI est-elle si rébarbative à l’usinage ?
La diffiiculté d’usinage de la fonte CGI tient au fait que sa limite élastique est de deux à trois fois plus élevée que celle de la fonte grise. Cette propriété se traduit par des efforts de coupe plus élevés lors des opérations de fraisage, pouvant exiger de la broche de la machine une puissance située entre quinze et vingt-cinq fois supérieure par rapport à ce qui est nécessaire pour fraiser de la fonte grise. Or, les machines-outils disponibles dans les ateliers peuvent très bien ne pas disposer de cette puissance pour mener à bien des opérations dans de la fonte CGI, ce dont il convient de tenir compte en premier lieu. Quatre autres raisons rendent l’usinage efficace de la fonte CGI un véritable défi:

✔ La fonte CGI présente une conductibilité thermique relativement faible, en sorte que la chaleur générée par l’usinage se trouve repoussée dans la pièce, provoquant un niveau d’usure d’outil trop important. Inversement, la fonte grise offre une conductibilité thermique élevée permettant à la chaleur généree par la coupe d’être efficacement évacuée pendant l’opération d’usinage.

✔ La croûte de fonderie sur une pièce en fonte CGI a une structure ferritique provoquant un collage de la matière sur l’arête de coupe de l’outil, ce qui n’a pas lieu avec la fonte grise car elle possède une structure perlitique.

✔ A l’inverse de la fonte grise, celle CGI ne contient pas de soufre. Le soufre de la fonte grise se dépose sur l’arête de coupe de l’outil et offre l’avantage d’agir comme un lubrifiant qui en prolonge la tenue.

✔ Du titane utilisé comme élément d’alliage au cours de l’opération de fonderie de la fonte CGI renforce la résistance de sa croûte due à la coulée, ce qui provoque en même temps la formation de carbures libres abrasifs à l’intérieur du moulage. Le volume des éléments d’alliage entrant dans une fonte CGI a aussi un impact important sur son usinabilité et sur la durée de vie d’outil.

L’ensemble de tous ces facteurs fait que les outils utilisés pour usiner la fonte CGI ont, en général, une tenue moitié moins longue que celle des outils utilisés dans la fonte grise.

Fig. 2 - Résultats d’un test d’usinage sur un composant de compteur de débit de fluide effectué par Sandvik Coromant en se servant d’une fraise Coromill 365 développée pour l’usinage de la fonte CGI. Les plaquettes de forte épaisseur ont une géométrie positive de 12° mais, comme elles sont montées dans un logement négatif, on a un angle total très légèrement positif, ce qui permet une plus grande densité de plaquettes afin de pousser au maximum la productivité. La machine utlisée était un centre d’usinage Heller PFV2 avec des conditions de coupe de 3 mm de profondeur de passe, 80 mm d’engagement, 130 m/mn de vitesse de coupe avec rotation de 414 t/mn, une avance de 288 mm/mn, soit 0,36 mm par dent. La surface fraisée totale atteignait les 3,08 m2 avec une tenue d’outil de 130 mn et une durée de vie par plaquette de 1,54 m2.


Opérations de fraisage de la fonte CGI
Le fini de surface obtenu par fraisage dans la fonte CGI est, en général, deux fois meilleur que dans de la fonte grise, donc on a besoin de moins de passes d’usinage ou on n’a pas besoin d’un outil de finition pour obtenir le fini désiré. En cours d’usinage, avec la fonte CGI il n’y a pas d’ébréchage en sortie de la pièce alors que la fonte grise peut être cause de la mise au rebut de la pièce suite à de gros ébréchages. A cet égard, la fonte CGI réagit plus comme un acier, formant une bavure plutôt qu’un arrachage de matière. La plus faible vitesse de coupe exigée par la fonte CGI peut demander jusqu’à presque trois fois plus de temps d’usinage que la fonte grise en utilisant les techniques classiques. Selon l’expérience acquise par SANDVIK COROMANT, l’outil le plus efficace pour le fraisage de la fonte CGI est un carbure revêtu de trois couches de carbonitrure de titane (TiCn) et d’oxyde d’aluminium (Al2O3). L’épaisseur du revêtement doit se tenir entre 7 à 10 µm contre les revêtements typiques courants de 2 à 3 µm.


Opérations d’alésage de la fonte CGI
Pour les opérations de tournage et d’alésage, le carburier recommande le recours à un substrat carbure à résistance élevée contre l’usure abrasive avec revêtements épais résistant à l’usure obtenus par dépôt chimique à température moyenne (CVD). Son expérience a établi que l’alésage de la fonte CGI avec plaquette de nitrure de bore cubique (CBN) n’offre qu’une durée de vie du dixième de celle de l’alésage de la fonte grise. Une géométrie légèrement positive entre 5 et 10° convient parfaitement, l’opération étant réalisée sans arrosage. Enfin, un développement par Sandvik Coromant en collaboration avec un constructeur de centres d’usinage concernant l’alésage de finition de cylindres pré-ébauchés en une seule passe a abouti au développement d’un outil multi-plaquettes Long-Edge Tool (Outil Longue-Arête). On le fait avancer hélicoïdalement à l’intérieur du cylindre, l’opération de finition se faisant en un temps à peu près le même que dans de la fonte grise. Il ne reste plus ensuite qu’à pratiquer une opération de rodage avant assemblage. Au cours du développement de cette technique d’alésage finition, il a été établi que l’ébauchage se faisait le plus efficacement en attaquant l’opération avec une fraise normale en bout équipée de plaquettes revêtues de Si3Ni4 (fig. 2) et dont la géométrie a été optimisée pour aléser la fonte CGI. Pour l’essai, la fraise a été limitée à seulement deux dents.