Usinage CNC du titane : Alliages, défis et conseils

Le titane et ses alliages sont connus pour leur grande solidité, leur durabilité et leur résistance à la corrosion. Ils sont largement utilisés dans l'industrie aérospatiale et médicale. Les pièces en titane nous ont beaucoup apporté, mais l'usinage CNC du titane présente encore de nombreuses limites. Cet article traite de ce qu'est le titane, des alliages de titane les plus courants et de l'usinage CNC du titane.

Qu'est-ce que le titane ?

Le titane est un élément métallique. Le numéro atomique du titane dans le tableau périodique des éléments est 22 (4e période, groupe NB). Il a un éclat métallique blanc argenté et possède de nombreuses propriétés excellentes telles qu'un point de fusion élevé, une faible densité, une grande résistance et une bonne flexibilité. Il est important pour les matériaux industriels.

Titane commercialement pur

Le titane commercialement pur contient un minimum de titane pur 99%. Il existe quatre types de titane commercialement pur, à savoir les grades 1 à 4. 

Première année : La plus tendre et la plus ductile de ces nuances. Elle possède la plus grande formabilité, une excellente résistance à la corrosion et une grande résistance aux chocs.

2e année : Il possède les mêmes qualités que le titane de grade 1, mais il est légèrement plus résistant.

3e année : Il est plus résistant que les grades 1 et 2, sa ductilité est similaire et il est à peine moins facile à mettre en forme.

4e année : La plus résistante des quatre qualités. Elle possède une résistance à la corrosion, une bonne formabilité et une bonne soudabilité.

Propriétés mécaniques du titane commercialement pur

Propriété	Première année	Niveau 2	Niveau 3	Grade 4
Résistance à la traction (MPa)	240	345	450	550
Limite d'élasticité (MPa)	310	450	550	655
Elongation à la rupture（%）	24	20	18	15

Alliages de titane

Le titane possède deux phases, à savoir la phase α et la phase β. Selon les différentes structures matricielles obtenues à température ambiante, les alliages de titane peuvent être divisés en trois catégories : titane α, titane β et titane a-β.

Exemples de titane

Catégorie	Exemples
Titane α	Titane commercialement pur (Grade 1 - 4) Ti-5Al-2,5Sn (grade 6) Ti-0.2Pd(Grade 7)
Titane β	Ti-5Mo-5V-8Cr-2Al Ti-10Mo-8V-1Fe-3,5Al Ti-32Mo
Titane a-β	Ti-6Al-4V (grade 5) Ti-4Al-4Mo-4Sn-0,5Si

Pourquoi le titane est-il difficile à traiter ?

L'alliage de titane présente l'avantage d'être léger et très résistant. Cependant, la difficulté de traitement de l'alliage de titane a toujours posé problème aux ingénieurs et aux techniciens.

Faible conductivité thermique. La plupart des alliages de titane ont une conductivité thermique extrêmement faible, qui n'est que de 1/7 de celle de l'acier, 1/16 de celle de l'aluminium et 1/25 de celle du cuivre. Par conséquent, la chaleur générée lors de la coupe des matériaux n'est pas facile à dissiper et se concentre dans la zone de coupe. Cela peut facilement entraîner une usure et une fissuration rapides de l'outil et générer une accumulation de copeaux, ce qui réduit la durée de vie de l'outil.

Déformation élastique du titane. Le module d'élasticité de l'alliage de titane est relativement faible. Par exemple, le module d'élasticité du TC4 n'est que de 110 GPa, alors que celui de l'acier 45 est de 210 GPa, et que celui des aciers inoxydables 303, 304, 316 et autres est également d'environ 200 GPa. Lors de l'usinage de l'alliage de titane, la déformation élastique est facile à produire, en particulier lors de l'usinage de pièces à parois minces ou annulaires.

Vibrations. L'élasticité des alliages de titane peut être bénéfique pour la performance des pièces, mais elle devient la principale cause de vibration pendant la coupe. Les vibrations générées par l'usinage des alliages de titane sont 10 fois supérieures à celles de l'acier. Comme la chaleur de coupe est concentrée dans la partie coupante, elle produit des copeaux en zigzag, ce qui entraîne des fluctuations de la puissance de coupe.

Processus d'usinage CNC du titane

L'alliage de titane est l'un des métaux les plus difficiles à usiner en raison de sa grande résistance et de sa mauvaise conduction de la chaleur. Néanmoins, vous pouvez Usinage CNC titane à l'aide d'une multitude de procédés.

Fraisage CNC

Le fraisage CNC crée la forme souhaitée à partir d'une pièce en enlevant de la matière à l'aide d'outils rotatifs. Il est important de tenir compte des différentes propriétés du titane et de prendre les mesures appropriées pour fraiser les pièces en titane. La résistance et la dureté élevées du titane nécessitent des outils de fraisage robustes, tels que ceux fabriqués en carbure et en acier trempé.

Tournage CNC

Le tournage CNC crée la forme souhaitée à partir d'une pièce en la faisant tourner sur une broche pour obtenir des formes cylindriques précises. De bonnes performances de coupe peuvent être obtenues lors du tournage d'alliages de titane avec des outils en acier rapide ou en carbure de tungstène. Les outils en carbure sont sensibles aux vibrations et nécessitent donc un dispositif de fixation rigide.

Découpe au jet d'eau

La découpe au jet d'eau utilise de l'eau sous haute pression pour découper et ne génère pas de températures élevées, de sorte qu'elle n'entraîne pas de modifications des propriétés des matériaux dues à des contraintes ou à des déformations thermiques. Cependant, lorsque la plaque de titane est plus épaisse, le processus de découpe au jet d'eau est plus long. finition de la surface après le traitement est plus faible, et un post-traitement supplémentaire est nécessaire pour obtenir un meilleur état de surface.

Conseils pour l'usinage de pièces en titane

Il a été prouvé que l'alliage de titane présente une grande solidité, une grande durabilité et une grande résistance à la corrosion. Il est largement utilisé dans les applications de prototypage aérospatial. Malgré cela, l'usinage de l'alliage de titane présente encore quelques difficultés ; des considérations particulières sont donc nécessaires pour garantir un usinage efficace et sûr.

Choisir les bons outils de coupe: Utiliser des outils de coupe conçus spécifiquement pour le titane, tels que des outils en carbure ou revêtus de diamant. Ces outils ont une plus grande résistance à la chaleur et peuvent supporter les forces de coupe élevées requises pour l'usinage du titane.

Optimiser les paramètres de coupe : Ajustez les paramètres de coupe tels que la vitesse, l'avance et la profondeur de coupe afin de minimiser la production de chaleur et d'éviter l'écrouissage. En général, des vitesses de coupe plus lentes et des taux d'avance plus élevés sont recommandés pour l'usinage du titane.

Utiliser du liquide de refroidissement : Utilisez un système de refroidissement à haute pression pour dissiper la chaleur et réduire l'usure de l'outil. Le liquide de refroidissement peut également aider à prévenir l'écrouissage en réduisant la température de l'arête de coupe.

Rigidité de la mise en place : Assurez-vous que votre machine, votre pièce à usiner et votre outil sont aussi rigides que possible afin de minimiser les vibrations et la déviation de l'outil. Cet objectif peut être atteint grâce à des fixations appropriées, à la sélection des outils et à l'entretien de la machine.

Minimiser l'engagement de l'outil : Utilisez des techniques telles que le fraisage trochoïdal ou le fraisage à haut rendement pour minimiser l'engagement de l'outil et réduire la production de chaleur. Ces techniques impliquent l'utilisation d'une faible profondeur de coupe radiale tout en maintenant une épaisseur de copeau constante, ce qui permet des vitesses d'avance plus rapides et une meilleure gestion thermique.

Finitions de surface pour les pièces en titane

Le titane présente encore quelques défauts, tels qu'une faible résistance à l'usure, l'oxydation à haute température, etc. Pour améliorer encore la résistance à l'usure et à l'oxydation ou d'autres caractéristiques du titane, celui-ci doit subir quelques traitements de surface. La plupart des options de finition de surface peuvent être appliquées au titane. La liste suivante énumère quelques-unes des finitions de surface les plus courantes pour ce métal :

Décapage par billes : en utilisant de fines particules projetées à grande vitesse pour nettoyer et texturer la surface du titane, lui donnant une finition lisse et mate.

Anodisation : Augmentation de l'épaisseur de la couche d'oxyde naturel sur le titane, offrant une meilleure résistance à la corrosion et des couleurs vibrantes supplémentaires.

Revêtement en poudre : l'application d'une substance sèche et poudreuse sur la surface du titane pour former une couche protectrice durable.

Polissage : lisser la surface du titane jusqu'à ce qu'elle soit brillante comme un miroir.

Chromage : Revêtement du titane par une fine couche de chrome qui lui confère une surface brillante et réfléchissante.

Brossage : Il crée des lignes fines et parallèles sur la surface du titane et offre une finition texturée.

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