Le titane était autrefois un matériau utilisé uniquement par quelques ateliers sélectionnés et rarement touché par le machiniste moyen, mais il est aujourd'hui utilisé beaucoup plus fréquemment et a été utilisé par de nombreux machinistes au cours de leur carrière. L'usinage du titane n'est pas similaire à celui des matériaux standard tels que l'aluminium et l'acier dans l'industrie. Toutefois, en raison de leurs énormes bénéfices, de plus en plus d'ateliers commencent à s'intéresser à ces emplois.

Dans cet article, nous aborderons les pratiques réussies pour l'usinage CNC du titane, la manière de sélectionner les outils de coupe appropriés et les éléments qui doivent être pris en compte par les machinistes. Pour en savoir plus sur d'autres processus d'usinage, veuillez consulter le site Fabricant de composants tournés page.

L'usinage du titane : Considérations clés

L'usinage CNC du titane est un processus complexe en raison de sa résistance, qui le rend approprié pour les applications les plus exigeantes tout en étant difficile à usiner. Il est essentiel de comprendre les détails du processus d'usinage pour obtenir le meilleur résultat et prolonger la durée de vie de l'outil.

1. Sélection des outils de coupe

L'usinage du titane nécessite une réflexion sur les outils de coupe. Le titane étant résistant à la chaleur et à la dureté, il est essentiel de choisir des outils capables de résister à ces propriétés. Les outils en acier rapide revêtu de tungstène, de carbone et de vanadium sont appropriés car ils conservent leur dureté à des températures allant jusqu'à 600°C. Ces outils permettent une meilleure coupe et réduisent les risques d'arêtes ébréchées, ce qui améliore les processus d'usinage.

2. Importance des revêtements d'outils

Le revêtement des outils de coupe est important, et l'application du bon type de revêtement améliorera les performances des outils de coupe pendant l'usinage du titane. Les revêtements tels que le nitrure de titane et d'aluminium (TiAlN) réduisent la production de chaleur en créant une couche d'oxyde d'aluminium sur la surface de l'outil. Cette couche minimise la conduction de la chaleur et l'interaction chimique entre l'outil et la pièce, ce qui augmente la durée de vie de l'outil et l'enlèvement des copeaux.

3. Assurer la stabilité de l'usinage

La stabilité pendant l'usinage du titane est vitale pour réduire les vibrations et augmenter la précision de la coupe. En raison de la flexibilité du titane et des forces élevées, le broutage est susceptible de se produire, ce qui est préjudiciable à la qualité de la surface usinée. Travaillez avec des fraises à diamètre de noyau plus géant pour améliorer la stabilité et garantir la distance la plus courte entre le nez de la broche et l'extrémité de l'outil. L'utilisation d'avances et de vitesses d'usinage constantes réduit également la chaleur et l'écrouissage de l'outil, ce qui préserve sa fonctionnalité et sa durabilité.

4. Avantages de l'usinage par enlèvement de copeaux

Le fraisage en montée présente plusieurs avantages lorsqu'il est utilisé pour l'usinage personnalisé du titane. Lors du fraisage en montée, l'épaisseur des copeaux commence par être plus importante et se réduit progressivement, alors que lors du fraisage en descente, c'est l'inverse qui se produit. Cela permet d'améliorer le transfert de chaleur vers les copeaux plutôt que vers la pièce, ce qui minimise les contraintes thermiques et l'usure de l'outil. Le fraisage en montée améliore le cisaillement et le dégagement des copeaux derrière la fraise, ce qui améliore l'efficacité de l'usinage et de l'état de surface.

La connaissance de ces stratégies est cruciale pour la réussite de l'usinage du titane. Ainsi, la sélection d'outils adéquats, de revêtements appropriés, de stabilité et d'une stratégie de fraisage adéquate permettra aux machinistes d'obtenir les dimensions et l'efficacité souhaitées pour les composants en titane dans le respect des exigences industrielles.

Grades courants utilisés pour l'usinage CNC

Examinons quelques qualités courantes utilisées dans l'usinage du titane à la machine à commande numérique.

Grade 1 : titane commercialement pur ne contenant pas plus de 0,3% d'oxygène.

Parmi les types les plus courants, on trouve le titane de grade 1, qui présente une ductilité élevée et une faible teneur en oxygène. Il présente une bonne usinabilité, une grande résistance aux chocs et à la corrosion et est utilisé dans les secteurs médical, automobile et aérospatial. Toutefois, le titane de grade 1 présente certains inconvénients : sa résistance est inférieure à celle des autres grades de titane et il ne peut donc pas être utilisé dans les zones soumises à des contraintes.

Grade 2 (titane commercialement pur contenant une quantité standard d'oxygène)

Le deuxième grade de titane est également connu sous le nom de titane de travail en raison de sa teneur moyenne en oxygène, de sa résistance élevée à la corrosion, de sa formabilité, de sa soudabilité et de sa ductilité. Il est largement utilisé dans les industries médicales et aérospatiales, en particulier dans les pièces de moteurs d'avion, en raison de ses caractéristiques mécaniques qui lui permettent de résister aux conditions d'utilisation.

Grade 3 (titane pur avec une quantité modérée d'oxygène)

Le titane de grade 3 est considéré comme ayant des propriétés mécaniques modérées telles que la corrosion, l'ouvrabilité et la résistance. Il n'est pas aussi couramment utilisé dans les applications commerciales que les grades 1 et 2. Il est néanmoins utilisé dans les industries médicales, marines et aérospatiales où des performances constantes des pièces et des assemblages sont requises.

Grade 4 (titane pur à haute teneur en oxygène)

Le titane de grade 4 est l'un des matériaux les plus puissants et les plus chimiquement stables pour l'usinage du titane en CNC. Il est apprécié pour sa capacité à travailler dans des environnements difficiles. Néanmoins, il a une teneur élevée en oxygène, ce qui le rend assez difficile à usiner. Il utilise beaucoup de liquide de refroidissement et présente des vitesses d'avance élevées pendant l'usinage. Cette nuance est utilisée dans les cuves cryogéniques, les équipements de traitement chimique et les pièces de cellule d'avion où une résistance et une ténacité élevées sont essentielles.

Grade 5 (Ti6Al4V)

Ti6Al4V est un alliage de titane alpha-bêta avec 6% Al et 4% V ; ce matériau possède de bonnes propriétés mécaniques, notamment une résistance élevée, une formabilité raisonnable et une bonne résistance à la corrosion. Il est utilisé dans les centrales électriques, les plates-formes offshore, les navires et les pièces de navires, les produits aérospatiaux à haute résistance, etc. Le titane de grade 5 est utilisé dans tous les domaines où des performances élevées sont nécessaires dans diverses conditions environnementales.

Grade 6 (Ti 5Al-2.5Sn)

L'alliage de titane de grade 6 présente une bonne stabilité et une résistance élevée et peut être rapidement assemblé, en particulier à des températures de fonctionnement élevées. Il est donc idéal pour les cellules d'avion, les moteurs à réaction et d'autres pièces et composants aérospatiaux pour lesquels la résistance du matériau est primordiale. Grâce à sa capacité à supporter des températures et des contraintes élevées, il convient à des conditions rigoureuses.

Grade 7 (Ti-0.15Pd)

Si l'on compare le grade 2 au grade 7, ce dernier contient du palladium pour améliorer les propriétés de corrosion, en particulier dans les applications chimiques. Il présente de bonnes caractéristiques de formage et de soudage et, en raison de sa résistance aux agents corrosifs, il est largement utilisé dans les équipements de traitement chimique où la solidité et la durabilité sont essentielles.

Grade 11 (Ti-0.15Pd)

Comme le titane de grade 7, l'alliage de titane de grade 11 est plus ductile et accepte moins d'impuretés. Il est utilisé dans les applications marines et la fabrication de chlorate en raison de sa nature non corrosive et de sa compatibilité avec l'eau salée. Le titane de grade 11 est moins puissant que le titane de grade 7, et il est donc utilisé là où la flexibilité et la résistance à la corrosion sont nécessaires.

Grade 12 (Ti 0,3 Mo 0,8 Ni)

L'alliage de titane de grade 12 contient du molybdène et du nickel et peut être soudé ; il présente une résistance élevée à haute température et une bonne résistance à la corrosion. Il est utilisé dans les coques et les échangeurs de chaleur, les pièces marines, les pièces d'avion et d'autres industries en raison de sa résistance mécanique, qui lui permet de résister à l'environnement.

Grade 23 (Ti6Al4V-ELI)

Le titane à très faible interstitiel ou titane de grade 23 n'est pas précisément comme le grade 5 et a une meilleure biocompatibilité et une meilleure résistance à la fracture que le grade 5. En raison de sa grande pureté, il peut être utilisé dans des applications médicales telles que les implants orthopédiques, les agrafes chirurgicales et les appareils orthodontiques, où la compatibilité avec les tissus corporels et la résistance sont primordiales.

Avantages du choix du titane pour les pièces d'usinage CNC

Parmi tous ces matériaux, le titane peut être distingué dans l'usinage CNC en raison des particularités qui le rendent adapté à des industries spécifiques. Sa biocompatibilité améliorée le rend très important en médecine car il garantit que les implants ne seront pas expulsés du corps. Cette qualité est une résistance élevée à la corrosion, ce qui rend le titane précieux dans les industries marines et chimiques, où la capacité du matériau à durer longtemps est primordiale.

Une autre propriété du titane est son rapport résistance/poids élevé, très utile dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile où la réduction du poids tout en augmentant la résistance est importante pour améliorer les performances et l'efficacité de l'équipement. Sa grande ductilité permet d'obtenir des géométries et des profils complexes requis pour des utilisations spécifiques dans diverses industries. Cependant, le titane est facile à usiner, de sorte que les pièces peuvent être produites avec une grande précision et une grande fiabilité pour atteindre les niveaux de tolérance souhaités.

Les défis de l'usinage du titane

Il n'est pas facile de travailler avec des alliages de titane, car les défis suivants sont susceptibles d'être rencontrés lors de l'usinage du matériau. Il présente une réactivité chimique élevée et un grippage qui entraîne la formation de défauts de surface tels que l'oxydation et la fragilisation au cours du processus d'usinage, ce qui compromet la qualité et la fiabilité du composant.

Le contrôle de l'augmentation de la température et des forces est crucial car le titane a une faible conductivité thermique ; la chaleur s'accumule dans la zone de coupe, ce qui entraîne une usure rapide de l'outil et peut influencer la finition de la surface. En outre, il présente des contraintes résiduelles et de durcissement** après l'opération d'usinage, et ces contraintes provoquent une instabilité dimensionnelle et, parfois, une défaillance de la pièce.

Conseils précieux pour un usinage efficace du titane

Cependant, certains facteurs critiques doivent être contrôlés pour optimiser l'usinage du titane, car ce n'est pas facile. Le serrage des pièces à usiner permet de minimiser les vibrations et le broutage des outils, et donc d'améliorer la précision et la finition de la surface des pièces. L'utilisation d'outils fortement préchargés et d'outils de coupe courte réduit la quantité de déviation, ce qui permet d'obtenir une précision même sur une pièce problématique.

La sélection d'outils de coupe spécifiques pour le titane avec de meilleurs revêtements tels que TiCN ou TiAlN améliore la résistance à l'usure. Cela augmente la durabilité des outils ainsi que l'efficacité et le coût du processus. Il est donc nécessaire de contrôler l'état des outils et, si nécessaire, de les remplacer par de nouveaux afin de maintenir la haute qualité des pièces usinées et de ne pas augmenter le taux d'usure des outils au cours d'une production de longue durée.

Le contrôle des paramètres de coupe, tels que les vitesses d'avance, les vitesses de broche et les charges de copeaux, est essentiel pour minimiser la production de chaleur et l'usure de l'outil. L'application d'un liquide de refroidissement adéquat dans la zone de coupe favorise l'écoulement des copeaux et maintient des températures de coupe plus basses, réduisant ainsi la défaillance des outils et la rugosité de la surface.

L'optimisation des paramètres de coupe, tels que la profondeur de coupe axiale et la profondeur de coupe radiale, augmente le taux d'enlèvement de matière et réduit les forces de coupe et la production de chaleur, ce qui fait de l'usinage du titane un processus fiable. On peut donc dire que l'usinage du titane n'est pas une tâche facile. Néanmoins, en raison de ses propriétés spécifiques et des méthodes d'usinage correctes, il est inéluctable dans les industries qui exigent des pièces usinées CNC très résistantes, à haute température et très fiables.

Distinctions dans l'usinage du titane par rapport à d'autres matériaux

Dans la catégorie des métaux, le titane possède l'une des caractéristiques les plus remarquables : sa résistance. C'est pourquoi toutes les industries qui ont besoin d'éléments et de pièces soumis à de fortes contraintes doivent l'utiliser dans des conditions difficiles. La résistance à la chaleur et à la corrosion du titane le rend d'autant plus intéressant dans différents secteurs.

Solidité et durabilité

Comparé à d'autres métaux, le titane a une plus grande résistance à la traction et est utilisé dans des applications où une grande résistance à des températures élevées est nécessaire. Alors que l'acier peut être classé en fonction des éléments d'alliage, et que ses caractéristiques peuvent différer sensiblement du matériau primaire, le titane peut être utilisé sous sa forme pure ou sous forme d'alliage, dont le plus populaire est le grade 5 (Ti 6Al-4V), qui représente 50% de la consommation de titane dans le monde.

Considérations sur les coûts

Néanmoins, le titane présente un inconvénient majeur : son coût reste considérablement plus élevé que celui d'autres matériaux tels que l'acier ou l'aluminium. Ces matériaux sont couramment utilisés par les ingénieurs et les fabricants, lorsque le facteur coût devient très important et que l'application ne nécessite pas la qualité supérieure du matériau. Par exemple, l'acier est soudable, solide et résistant à la corrosion, ce qui en fait un matériau idéal pour les structures et les habitations.

Comparaison avec l'acier

L'acier inoxydable et les autres alliages d'acier sont appréciés pour leur capacité à être soudés, leur résistance et la diversité de leurs utilisations, des articles ménagers à la construction. Cependant, l'acier inoxydable est plus lourd que le titane. Par conséquent, comme pour le titane solide et léger, il ne peut être utilisé lorsque le poids est un facteur important.

Comparaison avec l'aluminium

L'aluminium est similaire au titane en ce sens qu'il offre un rapport poids/résistance élevé et qu'il est très résistant à la corrosion, bien qu'il ne soit pas aussi cher. Il est préféré dans les cas où des travaux importants doivent être réalisés à moindre coût et où la fabrication de la structure est facile. L'aluminium est plus conducteur électrique et thermique que la plupart des autres métaux. Il peut donc être utilisé dans des applications de transfert de chaleur et d'électricité, mais il n'est pas aussi solide ou résistant à la chaleur que le titane.

Résistance à la corrosion

Il convient de noter que le titane présente une résistance à la corrosion très élevée parmi tous les métaux connus, et son utilisation est privilégiée lorsque cette caractéristique est cruciale. Lorsqu'il est exposé à l'air, le titane développe une couche d'oxyde qui augmente sa durabilité et sa résistance aux atmosphères corrosives. Cette caractéristique d'autoréparation rend le titane très approprié pour les situations qui nécessitent une utilisation à long terme et peu ou pas d'entretien.

Applications des pièces usinées en titane

Les pièces usinées en titane sont préférées car elles sont durables, anticorrosives et d'un bel aspect. Ces propriétés les rendent utilisables dans de nombreux secteurs et domaines.

Marine/industrie navale

Le titane est l'un des matériaux les plus résistants à la corrosion et convient donc parfaitement à l'industrie maritime. Parmi les domaines d'application, citons les arbres d'hélice, la robotique sous-marine, l'équipement de gréement, les vannes à bille, les échangeurs de chaleur marins, la tuyauterie des systèmes d'incendie, les pompes, les revêtements des cheminées d'échappement et les systèmes de refroidissement à bord. Cela permet d'assurer la durabilité et l'efficacité de plusieurs pièces et accessoires marins.

Aérospatiale :

Dans l'industrie aérospatiale, le titane est très apprécié pour son rapport résistance/poids élevé, son excellente résistance à la corrosion et sa capacité à supporter des températures extrêmes. Ces attributs le rendent approprié pour les pièces aérospatiales critiques, y compris les sièges, les turbines, les arbres, les valves, les boîtiers, les pièces de filtre et la génération d'oxygène. Dans ces applications, il est possible de noter l'utilisation d'un matériau en titane qui offre les avantages d'une faible densité, d'une grande résistance et d'une performance acceptable sous des contraintes élevées.

Automobile :

Bien que l'aluminium soit souvent privilégié dans l'industrie automobile en raison de sa disponibilité et de sa rentabilité, le titane joue toujours un rôle important dans la production de pièces automobiles de haute performance. Dans les moteurs à combustion interne, les soupapes, les ressorts de soupapes, les dispositifs de retenue, les supports d'arrêt de voiture, les écrous de suspension, les axes de piston de moteur, les ressorts de suspension, les pistons d'étriers de frein, les culbuteurs de moteur et les bielles sont fabriqués à partir de titane et de ses alliages. Le titane contenu dans ces pièces améliore l'efficacité et la durabilité des automobiles et est donc incorporé dans le processus de fabrication.

Soins médicaux et dentaires :

Les industries médicales et dentaires utilisent le titane pour son excellente résistance à la corrosion, sa faible conductivité électrique et sa compatibilité avec les niveaux de pH physiologiques. Le titane est utilisé dans la fabrication d'une variété de dispositifs médicaux et d'implants, y compris les vis à os coniques, droites ou autotaraudeuses pour les applications orthopédiques et dentaires, les vis crâniennes pour les systèmes de fixation crânienne, les tiges, connecteurs et plaques de fixation de la colonne vertébrale, et les broches orthopédiques. Le titane est utilisé dans ces fonctions vitales en raison de sa compatibilité avec le corps humain et de sa résistance, qui garantissent la sécurité du patient et la longévité de l'équipement.

En conclusion

Les observations ci-dessus permettent de conclure que même si le titane est un matériau qui n'est pas facile à usiner, les problèmes qui y sont associés peuvent être surmontés à l'aide d'outils et de techniques appropriés. Le CNM offre des conseils et des services dans les domaines suivants usinage du magnésiumCNM propose des services d'usinage du titane pour que vos opérations soient pratiques et efficaces. Choisissez CNM pour votre Usinage du titane en Chine partenaire dans la maîtrise des particularités de la titane l'usinage et d'augmenter les résultats de votre travail.