Maîtriser l'usinage CNC du titane : astuces, défis et nuances de matériaux

Le titane est un matériau d'usinage CNC remarquable. Il peut résister à des températures élevées et est résistant à la corrosion chimique. De plus, il est léger avec plusieurs autres qualités, le rendant unique et souhaitable pour les fabricants.

Les pièces en titane usinées CNC sont extrêmement durables, mais il peut être difficile d'usiner le titane en raison de sa haute résistance à la traction. Dans cet article, nous fournirons d'excellentes informations sur l'usinage CNC du titane, comment choisir les bons outils de coupe pour l'usinage du titane, et des conseils utiles pour assurer un usinage réussi.

Pourquoi choisir le titane pour les pièces d'usinage CNC ?

Les principaux avantages du titane CNC en tant que matériau de fabrication incluent sa biocompatibilité supérieure, son haut degré de résistance à la corrosion, et le rapport résistance/poids le plus élevé de tout métal. Ce métal a également une excellente ductilité et une bonne usinabilité. D'autres raisons de choisir le titane pour les pièces d'usinage CNC incluent :

• Durabilité : Le titane est hautement durable et idéal pour la fabrication de pièces usinées CNC soumises à des conditions de travail difficiles ou extrêmes.
• Non magnétique : Ce métal n'a pas de caractéristiques magnétiques. Il a également une excellente résistance à l'oxydation, le rendant par conséquent résistant aux forces corrosives.
• Non toxique : Le titane est résistant à la corrosion, a une haute biocompatibilité et des propriétés non toxiques le rendant idéal pour une utilisation dans l'industrie médicale.

Ces qualités du titane lui donnent des applications dans diverses industries, y compris l'aérospatial, le médical et l'automobile.

Défis à considérer lors de l'usinage du titane

Bien que le titane CNC soit un excellent matériau pour de nombreuses utilisations, les fabricants rencontrent souvent des défis lors de son usinage. Ces défis incluent :

Haute réactivité chimique et grippage

Lors de l'usinage d'alliages de titane, certains gaz peuvent réagir avec eux, entraînant des problèmes comme l'oxydation de surface et la fragilisation. Cela peut affaiblir les composants et réduire leur résistance à la corrosion.

De plus, ce métal a un module d'élasticité bas comparé à sa haute résistance, le rendant par conséquent un matériau gommeux à usiner. Étant gommeux, le titane peut adhérer à l'outil de coupe CNC, résultant en échec et dommage. En plus des dommages d'outil, le grippage compromet souvent la qualité de finition de surface du titane.

Accumulation de chaleur et forces de coupe

Maintenir une température fraîche lors de l'usinage du titane est l'un des défis les plus difficiles. La raison est que le titane a une faible conductivité thermique, ce qui cause l'accumulation de chaleur sur la pièce là où l'outillage est rapide. Cela use l'outil plus vite et pourrait impacter négativement la qualité des surfaces coupées s'il n'est pas géré, surtout lors de l'usinage d'alliages de titane plus durs.

L'utilisation d'un volume de copeau plus grand et d'un RPM plus bas sur la machine CNC est essentielle pour ces alliages de titane plus durs. Un liquide de refroidissement à haute pression peut aussi aider vos outils de coupe à travailler plus efficacement et créer des pièces en titane de meilleure qualité.

Aussi, les alliages de titane ont besoin de forces de coupe élevées, ce qui les rend difficiles à couper. Ces forces de coupe causent souvent l'usure d'outil, des pièces défectueuses et de hautes vibrations, impactant par conséquent la qualité du produit et la finition de surface.

Contraintes résiduelles et d'écrouissage

En raison de leur structure cristalline, les alliages de titane ne sont pas extrêmement flexibles, ce qui pourrait entraîner des problèmes pendant l'usinage. Leur structure cristalline pourrait augmenter la force de coupe pendant l'usinage, diminuant la facilité d'usinage et augmentant les chances de tensions résiduelles. Ces tensions peuvent causer le tordage, la fissuration ou une durée de vie plus courte de la pièce.

Conseils utiles pour l'usinage du titane

De nombreux ateliers d'usinage hésitent à travailler avec ce matériau de pointe en raison des difficultés de l'usinage du titane. Cependant, en raison de ses qualités exceptionnelles, de nombreux fabricants optent pour l'utilisation du titane pour produire des pièces de haute qualité. Heureusement, des machinistes CNC qualifiés et des fabricants d'outils ont développé des conseils utiles sur l'usinage du titane.

Fixer solidement les pièces

Tout ce que vous pouvez faire pour réduire les vibrations rendra l'usinage du titane plus facile car le titane est déjà sujet à créer du chatter d'outil. Pour prévenir la déflexion dans la pièce, fixez les pièces solidement. De plus, utilisez des machines CNC de premier ordre avec des arrangements d'outillage extrêmement rigides. Pour minimiser la déflexion d'outil, vous pouvez même envisager d'adopter des outils de coupe plus courts.

Choisir le bon outil de coupe

En raison de la demande croissante pour le titane, les fabricants d'outils développent de nouvelles stratégies pour augmenter l'usinabilité du titane. Les outils de coupe avec des revêtements en carbone-nitrure de titane (TiCN) ou nitrure d'aluminium-titane résistant à la chaleur (TiAlN) peuvent durer plus longtemps.

Dans l'ensemble, les machinistes devraient choisir des outils spécifiques au titane de qualité supérieure et inspecter et remplacer régulièrement l'équipement usé. De plus, envisagez d'utiliser un outil avec un diamètre plus petit et plus de arêtes de coupe pour aider à garantir que le taux d'enlèvement de la pièce reste stable tout en limitant l'accumulation de chaleur.

Considérer les paramètres de coupe

Le contrôle de la température doit être utilisé soigneusement lors de l'usinage du titane. L'application d'un liquide de refroidissement à haute pression constant dirigé vers la zone de coupe est l'un des moyens les plus simples de maintenir la pièce et l'outillage au frais. Les copeaux ne colleront pas à vos outils d'usinage si vous les soufflez hors de la zone de coupe.

De plus, lors du travail avec le titane, il est crucial de considérer vos avances, vitesses de broche et volumes de copeaux. Cela implique de limiter le stress placé sur les outils et l'équipement et d'éviter de rester trop longtemps au même endroit. Une stratégie de coupe alternative, comme augmenter la profondeur de coupe axiale tout en diminuant l'engagement radial, peut également valoir la peine d'être explorée pour augmenter l'efficacité de coupe et réduire les températures d'usinage.

Prévenir la surchauffe en utilisant un système de refroidissement à haute pression

La finition du titane exige un très petit pourcentage du rayon de l'outil en contact, une avance par dent très faible et super-affûtée. Mais cela conduira à une chaleur difficile à évacuer de la zone de travail. Si elle est laissée, elle ruinera éventuellement nos outils de coupe, et les effets de chaleur rendront le maintien des tolérances difficile. Par conséquent, lors de la coupe du titane, utilisez la meilleure configuration de liquide de refroidissement possible.

Une aide efficace est un système de refroidissement à haute pression. Une broche pourrait aussi être essentielle, selon l'application. Augmenter la concentration du liquide de refroidissement peut aussi s'avérer bénéfique lors du travail avec le titane.

Différentes nuances de titane pour l'usinage CNC

Il existe différentes nuances de titane et types d'alliages de titane, chacun avec son application idéale, ses mérites et démérites. Examinons ces nuances en détail.

Grade 1 (Titane pur à faible teneur en oxygène)

Parmi les types de titane les plus fréquemment utilisés, celui-ci est l'alliage de titane le plus mou et le plus ductile. Le titane Grade 1 a une excellente usinabilité, une ténacité aux chocs, une résistance à la corrosion et une formabilité. Du côté négatif, il est moins résistant comparé aux autres nuances de titane. Cette nuance trouve application dans les industries médicale, automobile et aérospatiale.

Grade 2 (Titane pur à teneur standard en oxygène)

C'est aussi connu comme le titane « cheval de bataille ». Il a une haute résistance à la corrosion, résistance, formabilité, soudabilité, ductilité, et faible résistance. Le titane Grade 2 trouve application dans les industries médicale et aérospatiale pour la production de moteurs d'avion.

Grade 3 (Titane pur à teneur moyenne en oxygène)

Bien que moins populaire commercialement que les grades 1 et 2, ce titane a de bonnes propriétés mécaniques. Il a une haute résistance à la corrosion ainsi que l'usinabilité et la résistance. Il trouve application dans les industries médicale, marine et aérospatiale.

Grade 4 (Titane pur à haute teneur en oxygène)

Cette nuance de titane a une haute résistance et résistance à la corrosion. Cependant, il n'est pas facile à usiner, nécessitant souvent de grandes quantités de liquide de refroidissement et d'avance. Le titane Grade 4 trouve application dans les vaisseaux cryogéniques, équipements CPI, composants de structure aérienne, échangeurs de chaleur, etc.

Les grades 1-4 ci-dessus sont tous du titane pur, la section suivante concerne les différentes nuances d'alliages de titane.

Grade 5 (Ti6Al4V)

L'alliage de titane Grade 5 contient 4 % de vanadium et 6 % d'aluminium. Il n'est pas aussi résistant que d'autres alliages mais a une haute résistance à la corrosion et formabilité. Il est idéal pour la génération d'énergie, les applications offshore et marines, et les structures aériennes critiques.

Grade 6 (Ti 5 Al-2,5Sn)

Cette nuance de titane a une bonne stabilité, résistance et soudabilité, surtout à haute température, ce qui lui donne application dans la production de structures aériennes et de moteurs à réaction.

Grade 7 (Ti-0,15Pd)

Cette nuance de titane est similaire au grade 2, la seule différence étant sa teneur en palladium, ajoutée pour améliorer sa résistance à la corrosion. L'alliage de titane Grade 7 a une excellente formabilité et soudabilité. Il est idéal pour une utilisation dans la production d'équipements de traitement chimique.

Grade 11 (Ti-0,15Pd)

Le titane Grade 11 est assez similaire au grade 7. Cependant, il est plus ductile, avec une tolérance plus faible pour d'autres impuretés. Il a une résistance plus faible que le grade 7 et trouve application dans les industries marines et de fabrication de chlorate.

Grade 12 (Ti0,3Mo0,8Ni)

Le titane Grade 12 est assez cher et contient 0,8 % de nickel et 0,3 % de molybdène, lui donnant une excellente soudabilité, résistance à haute température et résistance à la corrosion. Il trouve application dans les échangeurs de coquilles et de chaleur, composants marins et aéronautiques, etc.

Grade 23 (T6Al4V-ELI)

Aussi connu sous le nom d'interstitiel extra faible ou TAV-EIL, le titane grade 23 partage des propriétés similaires au grade 5 mais est plus pur. Il a une bonne ténacité à la fracture, biocompatibilité, et une usinabilité relative médiocre. Il trouve utilisation dans la production de broches orthopédiques, vis, agrafes chirurgicales et appareils orthodontiques.

Comment choisir les bons outils de coupe pour l'usinage du titane ?

Utiliser n'importe quel outil de coupe lors de l'usinage CNC avec le titane est généralement une mauvaise idée. Voici comment choisir les bons outils de coupe pour le fraisage du titane ou lors de l'utilisation d'autres techniques d'usinage CNC.

Tenir compte du nombre de goujures de l'outil de coupe

Vous devez augmenter le nombre de goujures de fraise à bout pour obtenir des temps de cycle de produit. Pour le titane, plus de dents égalent moins de chatter. Par exemple, une fraise à bout à 10 goujures, bien que serrée pour les volumes de copeaux idéaux pour la plupart des matériaux, est parfaite pour une utilisation avec le titane. Cela est principalement dû à la nécessité de réduire les engagements radiaux.

Éviter les coupes interrompues et garder le bord de coupe affûté

En raison de son faible module de Young, le titane est résistant et élastique. Cela signifie que pour enlever efficacement un copeau de la surface sans frotter, nous avons besoin d'un outil affûté.

Évitez les coupes interrompues autant que possible car elles peuvent marteler les copeaux dans vos outils à bords affûtés, conduisant possiblement à une défaillance précoce de l'outil.

Tenir compte du revêtement d'outil de coupe

Les revêtements peuvent grandement améliorer la capacité de votre outillage à endurer la chaleur produite par le titane. Le TiAlN (Nitrure d'aluminium-titane) est un revêtement approprié à considérer. Il confère de la lubrification pour combattre les arêtes rapportées, le grippage et le soudage de copeaux et est particulièrement bien adapté aux températures vécues en usinage.

Essayer les fraises à haute avance lors de l'usinage du titane

Les fraises à haute avance sont adaptées pour maintenir l'engagement bas lors du travail avec le titane axialement et radialement. Ces outils sont spécifiquement conçus pour effectuer cette tâche efficacement.

Finition de surface pour pièces usinées en titane

Une gamme de techniques de finition de surface, y compris le polissage du titane, peut améliorer les produits en titane usinés CNC pour des raisons fonctionnelles et esthétiques. Ces finitions de surface incluent :

• Polissage
• Anodisation
• Chromage
• Revêtement par poudre
• Revêtement PVD
• Brossage

Applications des pièces usinées en titane

Les pièces usinées en titane sont durables, résistantes à la corrosion et esthétiques. Ces qualités leur donnent des applications dans une variété d'industries.

Industrie navale/maritime

Comparé à la plupart des métaux naturels, le titane a une résistance à la corrosion plus élevée. Cette résistance le rend idéal pour la production d'arbres d'hélice, robotique sous-marine, équipement de gréement, vannes à boisseau sphérique, échangeurs de chaleur marins, tuyauterie de système d'incendie, pompes, revêtements de cheminée d'échappement et systèmes de refroidissement d'embarquement.

Aérospatial

En raison de ses nombreuses qualités souhaitables, le titane est un matériau recherché dans l'industrie aérospatiale. Ces qualités incluent son rapport résistance/poids élevé, sa résistance exceptionnelle à la corrosion et sa capacité dans des environnements extrêmement chauds. Les pièces en titane dans l'industrie aérospatiale incluent les composants de siège, composants de turbine, arbre, vanne, boîtier et pièces de filtre, ainsi que les pièces pour les systèmes de génération d'oxygène.

Automobile

Dans le secteur automobile, le débat titane vs aluminium fait rage, l'aluminium ayant le dessus en raison de sa disponibilité et de sa rentabilité. Néanmoins, le titane se trouve encore dans la production de pièces automobiles. Les principales utilisations automobiles pour le titane et ses alliages sont la production dans les soupapes, ressorts de soupapes, retenues, supports d'arrêt de voiture, écrous d'oreille suspendue, goupilles de piston de moteur, ressorts de suspension, pistons d'étrier de frein, culbuteurs de moteur et bielles de moteurs à combustion interne.

Médical et dentaire

L'industrie médicale trouve plusieurs applications pour le titane en raison de sa haute résistance à la corrosion, faible conductivité électrique et valeurs de pH physiologiques. Les pièces fabriquées en titane utilisées pour l'industrie médicale incluent les vis osseuses coniques, droites ou auto-taraudeuses, vis d'implant dentaire, vis crâniennes pour systèmes de fixation crânienne, tiges de fixation vertébrale, connecteurs et plaques, broches orthopédiques, etc.

Choisir WayKen pour l'usinage de pièces en titane

WayKen est une entreprise experte en usinage CNC, avec une grande spécialité dans l'usinage du titane. Nous offrons des services d'usinage CNC de titane de haute qualité aux industries à des prix hautement compétitifs. Avec l'usinage 5 axes et l'équipement de machine de précision, notre équipe de concepteurs et ingénieurs est toujours prête à prendre et traiter votre commande dans le temps le plus court possible, réduisant le temps de mise sur le marché.

Conclusion

Le titane et ses alliages nécessitent un usinage soigneux pour une production optimale de pièces. C'est un métal très différent de ses homologues comme l'acier et le laiton. Il nécessite l'utilisation d'outils corrects, d'expertise et de patience. C'est pourquoi il est souvent préférable de sous-traiter les projets d'usinage CNC de titane à des professionnels comme WayKen, qui garantissent des pièces de haute qualité avec précision.

FAQ

Le titane est-il plus difficile à usiner que l'acier ?

Le titane est plus difficile à usiner que l'acier, principalement en raison de son point de fusion élevé. Il est aussi très malléable et s'étire souvent avant de casser, le rendant plus difficile à usiner.

Quel est l'avance du fraisage du titane ?

Lors du travail avec le titane, cet insert doit être coupé à une vitesse de 40 à 150 m/min avec une avance de 0,03 à 0,15 mm par dent.

Comment faire le décontrainte du titane après usinage ?

Les techniques de décontrainte peuvent être utilisées sur les alliages de titane sans compromettre leur ductilité ou résistance. Les forgés sont produits en chauffant le métal à des températures entre 595 et 705 °C (1100 et 1300 °F) pendant une à deux heures avant refroidissement à l'air.