Alliages de titaneprésentent de nombreux avantages. Par exemple : haute résistance à la corrosion, faible densité et haute résistance, propriétés non-magnétiques, biocompatibilité et haute-résistance aux températures. Cependant, les alliages de titane sont en réalité difficiles à usiner et nécessitent des outils de coupe spéciaux. Cet article abordera les raisons pour lesquelles les alliages de titane sont difficiles à usiner et les contre-mesures qui peuvent être prises.
1. Raisons pour lesquelles les alliages de titane sont difficiles à usiner
Premièrement, la concentration de chaleur
La plupart des alliages de titane ont une très faible conductivité thermique -seulement 1/7 de celle de l'acier, 1/16 de celle de l'aluminium et 1/25 de celle du cuivre. Ainsi, la chaleur générée lors de l'usinage des alliages de titane n'est pas rapidement transférée à la pièce ou évacuée par les copeaux, mais se concentre dans la zone de coupe.
Les températures au niveau du tranchant peuvent atteindre jusqu'à 1 000 degrés, provoquant une usure rapide et des fissures du tranchant de l'outil, entraînant une accumulation de copeaux et raccourcissant la durée de vie de l'outil.
Les températures élevées générées lors de la découpe compromettent également l’intégrité de la surface des pièces en alliage de titane, entraînant une précision géométrique et un écrouissage réduits, ce qui réduit considérablement leur résistance à la fatigue.
Deuxièmement, la déformation élastique
Le module élastique des alliages de titane n'est pas très élevé ; par exemple, le module élastique du TC4 n'est que de 110 GPa, alors que celui de l'acier 45 est de 210 GPa, et celui des aciers inoxydables tels que 303, 304 et 316 est également d'environ 200 GPa. Par conséquent, une déformation élastique est susceptible de se produire lors de l’usinage d’alliages de titane.
Ce problème est encore plus grave lors de l'usinage de pièces à parois fines-ou en forme d'anneau-. Il n'est pas facile d'usiner des pièces en alliage de titane à parois minces avec la précision dimensionnelle souhaitée. En effet, lorsque le matériau de la pièce est repoussé par l'outil de coupe, la déformation locale dans les zones à paroi mince - dépasse la limite élastique, ce qui entraîne une déformation plastique, qui augmente considérablement la résistance et la dureté du matériau au point de coupe.
La pression de coupe provoque l'éloignement de la pièce « élastique » de l'outil et son rebond, ce qui entraîne une friction entre l'outil et la pièce qui dépasse la force de coupe. Cette friction génère de la chaleur, ce qui exacerbe le problème de la mauvaise conductivité thermique des alliages de titane.
Troisièmement, les alliages de titane ont une grande affinité, conduisant à la formation de copeaux longs et continus lors du tournage et du perçage. Ces copeaux peuvent s'enrouler autour de l'outil et altérer son fonctionnement. Une profondeur de coupe excessive peut entraîner le grippage, la brûlure et la casse de l'outil.
Bien entendu, cette haute affinité est également très utile dans d’autres applications ; par exemple, dans les pompes ioniques, où le titane est utilisé pour les plaques cathodiques. Lorsque des atomes de titane sont pulvérisés sur la paroi du tube anodique, ils adsorbent le gaz, créant ainsi un vide ultra- poussé.
Quatrièmement, les vibrations
Bien que l’élasticité des alliages de titane puisse améliorer les performances des pièces, lors du processus de découpe, la déformation élastique de la pièce est une cause majeure de vibrations.
Les vibrations générées lors de l’usinage des alliages de titane sont environ 10 fois supérieures à celles de l’acier. Étant donné que la chaleur de coupe est concentrée dans la zone de coupe, cela produit des copeaux dentés et entraîne des fluctuations de la puissance de coupe.
2. Contre-mesures pour l’usinabilité difficile des alliages de titane
Tout d'abord, le refroidissement
Le liquide de refroidissement peut être utilisé pour réduire les températures élevées générées pendant le processus de découpe. En règle générale, les liquides de refroidissement à base d'huile non solubles --sont utilisés pour la coupe et le cisaillement à basse-vitesse et à charge lourde-, tandis que les liquides de refroidissement de coupe solubles sont utilisés pour la coupe ou le cisaillement à haute-vitesse.
De plus, des méthodes de découpe cryogénique peuvent être utilisées, en utilisant de l'azote liquide (-180 degrés) ou du CO₂ liquide (-76 degrés) comme fluide de coupe pour abaisser la température dans la zone de coupe. Cette méthode peut réduire la force de coupe principale de 20 % et abaisser la température de coupe de plus de 300 degrés. Dans le même temps, les arêtes rapportées disparaissent, la qualité de la surface usinée s'améliore et la durée de vie de l'outil est multipliée par 2 à 3.
Deuxièmement, sélectionner les bons outils de coupe
Choisir les bons outils de coupe peut apporter des améliorations significatives.
Étant donné que la chaleur doit être dissipée par l'arête de coupe et le liquide de refroidissement-plutôt que par la puce, comme c'est le cas avec l'acier-, une petite partie de l'arête de coupe doit résister à des contraintes thermiques et mécaniques extrêmement élevées. L’utilisation d’un tranchant tranchant réduit les forces de coupe.
De plus, la pression de coupe peut être réduite en utilisant des plaquettes rectifiées avec des rainures polies et des angles de coupe positifs élevés.
Si nécessaire, des outils revêtus peuvent également être utilisés pour résister à l'adhérence à l'alliage et briser les copeaux longs, minimisant ainsi la friction lors de l'évacuation des copeaux-ce qui contribue à empêcher la génération de chaleur pendant l'usinage.
Troisièmement, maintenez une vitesse d'alimentation constante ou augmentez la vitesse d'alimentation
Le titane a tendance à s'écrouir-c'est-à-dire qu'il devient plus dur au fur et à mesure de son usinage, ce qui entraîne une usure accrue des outils. Une vitesse d'avance constante garantit que l'écrouissage est maintenu au minimum.
Bien entendu, si la machine le permet, l'avance peut être augmentée. Cela signifie que l'outil passe moins de temps dans une zone spécifique, ce qui laisse moins de temps pour l'accumulation de chaleur et le durcissement.
Quatrièmement, réduisez la vitesse de coupe
Par exemple, utilisez un-tiers ou moins de la vitesse de coupe utilisée pour l'acier pour contrôler la génération de chaleur.
Cinquièmement, changez d'outils en fonction du processus
Les outils dotés de revêtements en céramique, en carbure de titane et en nitrure de titane utilisés pour l'usinage des alliages de titane auront une durée de vie plus courte.
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