Usinage CNC du titane

Introduction

Le titane est un matériau très apprécié pour son rapport résistance/poids exceptionnel, résistance supérieure à la corrosion, et biocompatibilité. Ces propriétés le rendent indispensable dans des secteurs allant de l'aérospatiale et des dispositifs médicaux à l'ingénierie automobile et maritime.. CNC (Commande numérique par ordinateur) l’usinage du titane nécessite des connaissances et des techniques spécialisées en raison des caractéristiques uniques du matériau. Ce guide approfondit les conseils essentiels, défis, et qualités de titane pour une efficacité Usinage CNC.

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

Le titane est privilégié pour l'usinage de pièces CNC en raison de ses propriétés exceptionnelles:

• Rapport résistance/poids: Le titane offre l'un des rapports résistance/poids les plus élevés de tous les métaux, ce qui le rend idéal pour les applications nécessitant à la fois durabilité et légèreté.
• Résistance à la corrosion: Il forme naturellement une couche d'oxyde protectrice, qui résiste à la corrosion dans les environnements difficiles.
• Biocompatibilité: Le titane est résistant à la corrosion, possède une biocompatibilité élevée et des propriétés non toxiques, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans l'industrie médicale.
• Non magnétique: Ce métal n'a pas de caractéristiques magnétiques.
• Industries courantes: Aérospatial, médical, automobile, et les secteurs maritimes utilisent largement le titane pour ses capacités de haute performance.

2. Défis à prendre en compte lors de l'usinage du titane

Alors que l'usinage CNC du titane offre de nombreux avantages, cela présente également plusieurs défis:

• Réactivité chimique élevée et grippage
  La réactivité chimique élevée du titane peut provoquer une réaction des gaz avec sa surface pendant l'usinage, conduisant à une oxydation, fragilisation, et une résistance à la corrosion réduite. En plus, son faible module d'élasticité le rend « gommeux »," ce qui le fait adhérer aux outils de coupe et entraîne des dommages aux outils et de mauvaises finitions de surface..
• Accumulation de chaleur et forces de coupe
  La faible conductivité thermique du titane provoque une accumulation de chaleur au point de coupe, entraînant une usure rapide des outils et des dommages potentiels à la surface, surtout avec des alliages plus durs. Pour atténuer cela, utilisez un régime inférieur avec une charge de copeaux plus importante et appliquez un liquide de refroidissement haute pression pour maintenir des températures de coupe plus froides. Les forces de coupe élevées requises pour l'usinage du titane contribuent également à l'usure des outils., vibration, et une qualité de surface réduite.
• Contraintes résiduelles et durcissement
  La structure cristalline des alliages de titane peut augmenter les forces de coupe, entraînant des contraintes résiduelles pouvant provoquer une déformation des pièces, fissure, ou s'affaiblir avec le temps, ayant un impact sur la durabilité et la précision des composants usinés.

3. Conseils utiles pour l’usinage du titane

Pour surmonter ces défis, plusieurs stratégies peuvent être employées:

• Sélection d'outils: Optez pour des outils en carbure ou en céramique avec une géométrie appropriée et des revêtements conçus pour le titane.
• Paramètres de coupe: Ajuster la vitesse, vitesse d'avance, et profondeur de coupe pour gérer la chaleur et minimiser l'usure de l'outil.
• Liquide de refroidissement et lubrification: Utilisez un liquide de refroidissement haute pression pour gérer efficacement la chaleur et améliorer la durée de vie des outils.
• Techniques de maintien: Utiliser des fixations rigides pour minimiser les vibrations et les vibrations.
• Stratégie d'usinage: Utiliser le fraisage en montée et les coupes légères en profondeur pour réduire la chaleur et la charge de l'outil.
• Gestion des puces: Garantit une élimination efficace des copeaux pour éviter l’écrouissage et maintenir la qualité de la surface.

Ces conseils aident à maintenir la durée de vie de l'outil, améliorer l'efficacité, et obtenir la finition souhaitée.

4. Différentes qualités de titane pour l'usinage CNC

Le titane est disponible en différentes qualités et alliages, chacun adapté à des applications spécifiques avec des avantages et des inconvénients uniques. Voici un aperçu concis des principales qualités de titane:

Nuances de titane pur

• Grade 1 (Faible teneur en oxygène):

Le titane le plus doux et le plus ductile, connu pour son excellente usinabilité, résistance aux chocs, résistance à la corrosion, et formabilité. Cependant, il a une résistance inférieure à celle des autres qualités. Il est utilisé en médecine, automobile, et applications aérospatiales.

• Grade 2 (Teneur en oxygène standard):

Connu sous le nom de « titane bourreau de travail »,« il offre un équilibre des forces, résistance à la corrosion, formabilité, et soudabilité. Couramment utilisé dans les dispositifs médicaux et l'aérospatiale pour les moteurs d'avions.

• Grade 3 (Teneur moyenne en oxygène):

Moins populaire que Grades 1 et 2, mais offre de bonnes propriétés mécaniques, haute résistance à la corrosion, et usinabilité. Il est utilisé en médecine, marin, et les domaines aérospatiaux.

• Grade 4 (Teneur élevée en oxygène):

Présente une résistance élevée et une résistance à la corrosion, mais est difficile à usiner, nécessitant plus de liquide de refroidissement et des vitesses d'alimentation plus élevées. Il est utilisé dans les cuves cryogéniques, composants de cellule, échangeurs de chaleur, et équipements CPI.

Nuances d'alliage de titane

• Grade 5 (Ti6Al4V):

Un alliage largement utilisé avec 6% l'aluminium et 4% vanadium, offrant une résistance élevée à la corrosion et une formabilité élevée, mais pas le plus fort. Idéal pour la production d'électricité, marin, et structures aérospatiales critiques.

• Grade 6 (De 5 Al-2,5Sn):

Connu pour sa stabilité, force, et soudabilité à haute température, ce qui le rend adapté aux cellules et aux moteurs à réaction.

• Grade 7 (De-0.15PD):

Semblable à Grade 2 mais avec du palladium ajouté pour une meilleure résistance à la corrosion. Il est excellent pour les équipements de traitement chimique en raison de sa bonne formabilité et soudabilité..

• Grade 11 (De-0.15PD):

Comme la note 7 mais plus ductile et avec une tolérance aux impuretés plus faible. Il a une résistance légèrement inférieure et est utilisé dans la fabrication marine et de chlorate..

• Grade 12 (Ti0,3Mo0,8Ni):

Contient 0.8% nickel et 0.3% molybdène, offrant une soudabilité supérieure, résistance à haute température, et résistance à la corrosion. Utilisé dans les échangeurs de chaleur, marin, et composants d'avions.

• Grade 23 (T6Al4V-ELI):

Également connu sous le nom d'interstitiel extra faible ou TAV-EIL, la note 23 le titane partage des propriétés similaires à celles du grade 5 mais c'est plus pur. Il a une bonne ténacité à la rupture, biocompatibilité, et une usinabilité relative médiocre. Il est utilisé dans la production d'épingles orthopédiques, vis, agrafes chirurgicales, et appareils orthodontiques.

5. Comparaison des nuances de titane pour l'usinage

L'usinabilité varie selon les nuances, avec du titane pur (Notes 1-4) étant plus usinable que les nuances alliées. Lors de la sélection d'une note, prendre en compte les exigences spécifiques de votre candidature, comme la résistance à la corrosion, force, et la rentabilité.

6. Outils et équipements pour l'usinage du titane

• Machines CNC: Des machines CNC à couple élevé et capables d'effectuer des mouvements précis sont essentielles.
• Types d'outillage: Fraises en bout, exercices, et les inserts doivent être fabriqués dans des matériaux résistant à la nature abrasive du titane, tels que les carbures revêtus ou les céramiques.

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

Le choix des bons outils de coupe pour l’usinage du titane est crucial en raison des propriétés uniques de ce métal., comme une haute résistance, faible conductivité thermique, et réactivité chimique. Ces caractéristiques rendent le titane difficile à usiner, nécessitant des matériaux d'outillage spécifiques, géométries, et revêtements pour obtenir des résultats optimaux. Voici un guide pour sélectionner les bons outils de coupe pour l’usinage du titane:

1. Sélectionnez le matériau de l'outil approprié

• Outils en carbure: Les outils en carbure sont le choix le plus courant pour l'usinage du titane en raison de leur dureté., dureté, et résistance à l'usure. Les qualités à haute teneur en cobalt sont préférées car elles offrent une meilleure résistance à la chaleur et une meilleure rétention des bords..
• Outils en carbure revêtu: Application de revêtements comme le nitrure de titane et d'aluminium (TiAlN) ou nitrure de chrome et d'aluminium (AlCrN) aux outils en carbure améliore la résistance à la chaleur et réduit l'usure des outils. Ces revêtements aident à dissiper la chaleur du tranchant et à minimiser les réactions chimiques avec le titane..
• Outils Cermet: Composé de céramique et de métal, les outils en cermet offrent une excellente résistance à l'usure et peuvent supporter des vitesses de coupe plus élevées. Ils conviennent aux opérations de finition où moins de chaleur est générée.
• Diamant céramique et polycristallin (PCD) Outils: Pour les applications spécifiques de finition à grande vitesse, les outils en céramique ou PCD peuvent être efficaces. Cependant, ils sont fragiles et ne sont pas idéaux pour les opérations d'ébauche en raison de leur manque de ténacité.

2. Choisissez la bonne géométrie d'outil

• Arêtes de coupe tranchantes: Utilisez des outils tranchants, angles de coupe positifs pour minimiser les forces de coupe et réduire la génération de chaleur. Les outils tranchants aident également à prévenir l'écrouissage et le grippage., quels sont les problèmes courants lors de l'usinage du titane.
• Angle d'hélice optimal: La sélection d'outils avec le bon angle d'hélice améliore l'évacuation des copeaux et réduit les vibrations., ce qui est crucial pour maintenir la qualité de l’état de surface et la durée de vie de l’outil. Un angle d'hélice plus élevé est souvent plus efficace pour réduire le broutage.
• Noyau solide et conception rigide: Les fraises en bout avec des noyaux plus épais et un nombre réduit de cannelures sont plus solides et moins sujettes à la déviation, ce qui aide à maintenir la précision et à réduire le risque de casse lors de coupes lourdes.

3. Envisagez les revêtements et les traitements des outils

• Revêtements TiAlN et AlCrN: Ces revêtements sont conçus pour résister à des températures élevées et réduire l'affinité chimique entre l'outil et le titane., diminuer les risques d'accumulation de bords (PARLER) formation et grippage.
• Carbone de type diamant (Contenu téléchargeable) Revêtements: Pour des applications spécifiques, Les revêtements DLC peuvent offrir des performances améliorées en réduisant la friction et en augmentant la résistance à l'usure., notamment dans les alliages de titane non ferreux.

4. Optimiser les paramètres de coupe

• Vitesses de coupe inférieures: La faible conductivité thermique du titane signifie que la chaleur reste concentrée près de la zone de coupe. Utilisation de vitesses de coupe inférieures (typiquement 30-60 mètres par minute) aide à gérer l'accumulation de chaleur et prolonge la durée de vie de l'outil.
• Taux d'alimentation modérés: Il est essentiel d’équilibrer les vitesses d’avance et la vitesse de coupe. Une avance modérée aide à maintenir l'épaisseur des copeaux, ce qui est nécessaire pour une dissipation efficace de la chaleur et pour éviter l'écrouissage.
• Liquide de refroidissement haute pression: L'utilisation de systèmes de refroidissement à haute pression est essentielle pour l'usinage du titane. Ils aident à éliminer la chaleur et les copeaux de la zone de coupe, prévenir les dommages aux outils et assurer de meilleures finitions de surface.

5. Utiliser la bonne stratégie de parcours d'outils

• Fraisage trochoïdal: Cette stratégie de fraisage avancée implique de prendre des profondeurs de coupe radiales plus petites et des profondeurs axiales élevées., ce qui minimise la génération de chaleur et répartit uniformément les forces de coupe, amélioration de la durée de vie de l'outil.
• Forage par picage: Lors du perçage du titane, le perçage par débourrage peut être utilisé pour casser les copeaux et les évacuer du trou, réduisant le risque de colmatage des copeaux et d'accumulation de chaleur.
• Engagement constant des couteaux: Maintenir un angle d'engagement de la fraise constant pour éviter les changements brusques de charge, ce qui peut provoquer des vibrations et affecter la durée de vie de l'outil et la qualité des pièces.

6. Assurer un bon maintien de la pièce et une bonne rigidité de la machine

• Tenue de travail stable: Utiliser de la haute précision, solutions de maintien de pièce rigides pour minimiser les vibrations et assurer la stabilité pendant l'usinage. La réduction des vibrations améliore non seulement la finition de la surface, mais empêche également l'écaillage des outils..
• Machines-outils rigides: Les machines CNC à haute rigidité et capacité d'amortissement sont essentielles pour usiner efficacement le titane.. Ils aident à minimiser les vibrations, maintenir la stabilité de l'outil, et fournir un contrôle précis des forces de coupe.

8. Finitions de surface pour les pièces usinées en titane

Une gamme de finition de surface les techniques peuvent améliorer les produits en titane usinés CNC pour des raisons fonctionnelles et esthétiques. Le titane peut être fini en utilisant des méthodes comme le polissage, Revêtement en poudre, Revêtement PVD, Brossage, anodisation, et le sablage aux billes pour obtenir les finitions de surface souhaitées qui répondent aux normes spécifiques de l'industrie.

9. Techniques avancées pour l'usinage du titane

• Usinage cryogénique: Utilise de l'azote liquide pour refroidir la zone de coupe, réduire l'usure des outils et améliorer la qualité des pièces.
• Usinage assisté par ultrasons: Améliore les taux d'enlèvement de matière et réduit l'usure des outils en appliquant des vibrations ultrasoniques.
• 5-Usinage des axes: Idéal pour créer des géométries complexes et garantir une haute précision dans les pièces multifaces.

10. Contrôle qualité dans l'usinage CNC du titane

Le maintien de tolérances serrées et de précision est crucial lors de l’usinage du titane. Les mesures de contrôle de la qualité comprennent:

• Machines à mesurer tridimensionnelles (MMT): Pour des mesures précises et le respect des spécifications.
• Traitements post-usinage: Traitement thermique, finition de surface, et l'inspection garantit que le produit final répond aux spécifications.

11. Applications courantes des pièces usinées en titane

Le titane est largement utilisé dans toutes les industries pour les composants nécessitant de la résistance., propriétés légères, et résistance à la corrosion:

Industrie maritime/navale

La résistance exceptionnelle à la corrosion du titane le rend idéal pour les applications marines. Il est couramment utilisé dans la production d'arbres d'hélice, robotique sous-marine, gréement, robinets à tournant sphérique, échangeurs de chaleur marins, tuyauterie du système d'incendie, pompes, revêtements de cheminée d'échappement, et systèmes de refroidissement embarqués.

Aérospatial

Le rapport résistance/poids élevé du titane, résistance à la corrosion, et sa tolérance à la chaleur en font un matériau privilégié dans l'aérospatiale. Il est utilisé pour les composants de siège, pièces de turbine, arbres, vannes, logements, filtres, et pièces du système de génération d'oxygène.

Automobile

Alors que l'aluminium est souvent privilégié dans le secteur automobile en raison de sa disponibilité et de sa rentabilité, le titane est toujours utilisé pour les pièces hautes performances. Il s'agit notamment des vannes, ressorts de soupape, agents de rétention, pistons d'étrier de frein, axes de piston du moteur, ressorts de suspension, supports d'arrêt, culbuteurs du moteur, et bielles.

Médical et dentaire

Le titane est très apprécié dans le domaine médical pour sa résistance à la corrosion, faible conductivité électrique, et biocompatibilité. Il est utilisé dans les vis à os, implants dentaires, vis crâniennes pour la fixation, tiges vertébrales, connecteurs, assiettes, et épingles orthopédiques.

12. Tendances futures dans l’usinage du titane

• Avancées dans les matériaux d’outillage et les revêtements: De nouveaux matériaux et revêtements prolongeront la durée de vie des outils et amélioreront l'efficacité de l'usinage.
• Innovations dans les techniques d'usinage et l'automatisation: L'automatisation améliorera la productivité et la cohérence.
• Pratiques d'usinage durables et rentables: Mettre l’accent sur la réduction des déchets et de la consommation d’énergie.

13. Choisissez DEZE pour l’usinage de pièces en titane

DEZE offre son expertise dans l'usinage CNC du titane avec des équipements de pointe, machinistes qualifiés, et un engagement envers la qualité, garantir des composants de haute qualité adaptés à vos besoins spécifiques.

14. Conclusion

Les propriétés uniques du titane en font un matériau précieux pour l'usinage CNC. Malgré les défis, suivre les meilleures pratiques et utiliser des techniques avancées peut donner des résultats exceptionnels. Que ce soit pour des composants aérospatiaux ou des dispositifs médicaux, Choisir la bonne nuance et utiliser des stratégies d'usinage efficaces sont la clé du succès des projets d'usinage du titane..

Référence du contenu：https://dz-machining.com/titanium-vs-aluminum/

FAQ

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

Oui, le titane est plus difficile à usiner que l'acier, principalement en raison de son point de fusion élevé et de sa tendance à s'étirer plutôt qu'à se casser. Cette malléabilité rend plus difficile un usinage précis.

Quelle est l'avance de fraisage pour le titane?

Pour fraiser le titane, une vitesse de coupe de 40 à 150 m/min est recommandé, avec une avance allant de 0.03 à 0.15 mm par dent.

Comment soulager les contraintes du titane après l'usinage?

Les alliages de titane peuvent subir une relaxation des contraintes sans perdre leur résistance ou leur ductilité. Ce processus consiste à chauffer le métal pour 595-705 °C (1100-1300 °F) pendant une à deux heures, suivi d'un refroidissement à l'air.