Maximiser la vitesse d'usinage du titane : techniques éprouvées et meilleures pratiques

Publié le 19 octobre 2020 | Par Candy, WayKen Rapid Manufacturing

Le titane a longtemps été négligé en raison de ses propriétés. Cependant, les développements récents en métallurgie et technologie de fabrication ont donné une nouvelle perspective sur ce matériau. Aujourd'hui, le titane est convoité pour son exceptionnel rapport poids/résistance (3 fois meilleur que l'acier), sa résistance à la corrosion, sa compatibilité avec les tissus humains et ses performances exceptionnelles à haute température. Les pièces aérospatiales en titane sont particulièrement populaires pour être légères et résistantes. Il existe cependant de nombreux problèmes avec l'usinage du titane.

Les alliages de titane les plus courants

Plusieurs éléments sont ajoutés au titane pour augmenter ses capacités de performance. Le titane subit une transformation allotropique à une température supérieure à 800 °C. Les éléments qui abaissent la température d'utilisabilité du titane sont appelés stabilisants bêta et ceux qui l'augmentent sont appelés stabilisants alpha. Selon la teneur en stabilisants, les alliages de titane sont divisés en 4 groupes.

1. Titane non allié. Simplement du titane. La version non alliée a la meilleure résistance à la corrosion mais une faible résistance.
2. Alliages alpha. Les alliages alpha ont une meilleure résistance au fluage, ils sont donc utilisés pour les performances à haute température.
3. Alliages alpha-bêta. Ce groupe est le plus répandu en raison de ses excellentes propriétés. Les stabilisants alpha ajoutent à la résistance à la chaleur du matériau et les stabilisants bêta ajoutent à la résistance de l'alliage. L'alliage alpha-bêta le plus courant, Ti-6Al-4V, représente près de 50 % de l'ensemble du marché des alliages de titane.
4. Alliages bêta. Ces alliages sont plus durs que tous les groupes précédents, cependant leur densité est également plus élevée.

7 raisons pour lesquelles le titane est difficile à usiner

Sans entrer dans la mécanique du fraisage, tournage ou rectifiage du titane, l'usure d'outil et la mécanique de génération de copeaux, voici un résumé de 7 points expliquant pourquoi le titane est si difficile à usiner.

1. Le titane conserve une haute résistance même à haute température et sa résistance à la déformation plastique persiste même aux vitesses de coupe. Cela rend les forces de coupe beaucoup plus importantes que pour n'importe quel acier.
2. Lorsque le copeau se forme, il est très fin et la zone de contact entre le copeau et l'outil est trois fois plus petite que celle de l'acier. De ce fait, la pointe de l'outil doit supporter presque toute la force de coupe.
3. Les alliages de titane ont un coefficient de frottement élevé avec les matériaux d'outils de coupe. Cela augmente la température de coupe et les forces.
4. À une température supérieure à 500 °C, le titane réagit chimiquement avec la majorité des matériaux d'outils. De plus, le titane a tendance à s'auto-enflammer lors de la coupe si l'accumulation de chaleur est trop élevée, l'utilisation de fluide de coupe lors de la coupe d'alliages de titane est donc une nécessité absolue.
5. En raison d'une faible zone de contact et de la finesse des copeaux, toute la chaleur pendant le processus de coupe va à l'outil, ce qui réduit significativement sa durée de vie. Seuls les fluides de coupe à haute pression peuvent suivre l'accumulation de chaleur.
6. Les alliages de titane ont un module d'élasticité très faible. Cela peut provoquer des vibrations supplémentaires, du bruit d'outil et de la déflexion.
7. À basses vitesses de coupe, le matériau peut coller à l'arête de coupe, ce qui est extrêmement mauvais pour la finition de surface.

Comme vous pouvez le constater, il y a un certain nombre de problèmes significatifs. Cependant, les ingénieurs de fabrication du monde entier ont développé de nombreuses stratégies pour augmenter les vitesses d'usinage du titane.

Augmenter les vitesses d'usinage du titane avec les outils de coupe

Le choix de l'outil de coupe est la première étape vers un processus d'usinage CNC aluminium et titane réussi. L'essentiel est de choisir le matériau. Au fil des ans, plusieurs alliages durs se sont avérés bons pour la coupe du titane. Pour être bon à l'usinage de pièces en titane, les outils doivent avoir un certain nombre de propriétés.

• Les outils doivent être durs à haute température.
• Ils doivent avoir une haute résistance au bruit (chatter).
• Ils doivent avoir de hautes propriétés de fatigue car la génération de copeaux avec le titane est un processus cyclique.
• Ils doivent être chimiquement neutres au titane chaud.
• Ils doivent avoir une haute résistance.
• Ils doivent avoir un bon taux de conductivité thermique pour compenser le faible taux du titane.

La gamme de matériaux d'outils la plus appropriée possédant toutes les propriétés mentionnées ci-dessus est les alliages WC/Co. Une autre solution possible est les aciers rapides car ils sont très résistants à l'écaillage. Les outils en diamant ont également montré de bonnes performances contre l'usure du titane. Vous pouvez consulter nos conseils d'usinage diamant ici.

Techniques d'usinage du titane à grande vitesse

Une autre voie viable pour augmenter la performance de l'usinage du titane est d'appliquer des stratégies d'usinage spéciales. Nos services d'usinage du titane sont devenus assez compétents dans le choix des paramètres de coupe corrects pour réduire le temps d'usinage au minimum. Cependant, en plus de l'optimisation des paramètres, il existe des stratégies d'usinage non conventionnelles qui peuvent grandement augmenter les vitesses de coupe du titane.

Outils à languette (Ledge Tools)

Ces outils ont été développés par la société General Electric. Ils utilisent des outils dotés d'une languette fine saillante. Au lieu de tout l'outil, seule cette fine languette coupe le titane. Comme le copeau est également très fin, il n'y a pas de différence, cependant la languette s'use plus lentement et est plus facile à affûter. Le flanc de la languette s'use rapidement puis reste constant pendant l'usure du reste de la languette, qui se produit plus lentement avec des flancs constants.

Plaquettes rotatives (Rotary Inserts)

Les plaquettes rotatives sont utilisées pour le tournage du titane. Elles étaient impossibles auparavant en raison du manque de précision dans la conception des machines-outils. Cependant, le niveau de technologie de fabrication actuel rend leur utilisation possible. Le principe principal est que la plaquette a une forme ronde et tourne autour du montage pendant que l'outil coupe la matière. Ainsi, le transfert de chaleur est beaucoup plus rapide et l'outil ne chauffe pas autant. Les vitesses de coupe peuvent donc être augmentées.

Enlèvement de métal assisté par ultrasons

L'ajout de vibrations ultrasoniques à l'outil de coupe facilite en réalité la formation du copeau. Le copeau de titane a une très mauvaise élasticité qui est aggravée par le durcissement par déformation lorsque l'arête de coupe commence à couper le matériau. Les ondes ultrasoniques favorisent la fracture du copeau au lieu de la déformation, ce qui a une influence positive sur la durée de vie de l'outil, la finition de surface, les caractéristiques de l'outil, empêche l'accumulation de matériau sur l'arête de coupe et permet à l'opérateur d'augmenter les vitesses de coupe.

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