Alliages de titane, avec leurs avantages uniques, jouent un rôle important dans des domaines tels que l'aviation, l'aérospatiale et la santé. Ces dernières années, ils ont également émergé dans le secteur de l'électronique grand public 3C, étant utilisés dans les corps et les composants structurels de plusieurs smartphones haut de gamme les plus vendus.
Les alliages de titane offrent des avantages en termes de performances, tels qu'une légèreté, une résistance élevée et une finition attrayante, qui contribuent à améliorer la conception esthétique des smartphones et à réduire considérablement leur poids. Ils devraient devenir une tendance majeure en matière d’innovation en matière de matériaux électroniques grand public. Cependant, la difficulté d’usiner les alliages de titane constitue depuis longtemps un défi pour les ingénieurs et les techniciens.
Défis liés à l'usinage des alliages de titane
1. Concentration de température
La plupart des alliages de titane ont une conductivité thermique extrêmement faible -seulement 1/7 de celle de l'acier, 1/16 de celle de l'aluminium et 1/25 de celle du cuivre. En conséquence, la chaleur générée pendant le processus de découpe ne se dissipe pas facilement mais se concentre dans la zone de découpe. La température au niveau du tranchant peut atteindre 1 000 degrés, entraînant une usure rapide de l'outil, des fissures et une accumulation de copeaux, ce qui réduit la durée de vie de l'outil.
Les températures de coupe élevées sont concentrées au niveau de l'arête de coupe, ce qui rend la dissipation de la chaleur difficile et provoque une usure rapide des outils. Ces températures élevées compromettent également l’intégrité de la surface des pièces en alliage de titane, réduisent leur précision géométrique et induisent un écrouissage, ce qui réduit considérablement leur résistance à la fatigue.
2. Déformation élastique
Les alliages de titane ont un module d'élasticité relativement faible ; par exemple, le module d'élasticité 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. Lors de l'usinage d'alliages de titane, une déformation élastique est susceptible de se produire, en particulier lors de l'usinage de pièces à parois minces-ou en forme d'anneau-. Lors de l'usinage, une déformation localisée dans les pièces à parois minces-dépasse la limite élastique, entraînant une déformation plastique et une augmentation significative de la résistance et de la dureté du matériau au point de coupe.
La pression de coupe provoque une déformation élastique et un rebond de la pièce, augmentant la friction entre l'outil et la pièce, générant une chaleur supplémentaire et exacerbant le problème de la mauvaise conductivité thermique des alliages de titane.
3. Haute affinité
Les alliages de titane ont une grande affinité, ce qui facilite la formation de copeaux longs et continus pendant le tournage et le perçage. Ces copeaux peuvent s'enrouler autour de l'outil et altérer son fonctionnement. Une profondeur de coupe excessive peut facilement entraîner le blocage, la brûlure ou la casse de l'outil.
Cette affinité est très précieuse dans de nombreux domaines ; par exemple, dans les pompes ioniques, le titane est utilisé comme plaque cathodique. Lorsque des atomes de titane sont pulvérisés sur la paroi interne du tube anodique, ils adsorbent les molécules de gaz, créant ainsi un environnement d'ultra-vide poussé.
4. Vibrations
L'élasticité des alliages de titane peut être avantageuse pour les performances des pièces, mais pendant le processus de découpe, elle devient une cause majeure de vibrations. Les vibrations générées lors de l’usinage des alliages de titane sont 10 fois supérieures à celles de l’acier. Étant donné que la chaleur de coupe est concentrée dans la zone de coupe, des copeaux irréguliers sont produits, entraînant des fluctuations de la puissance de coupe.
Contre-mesures pour les alliages de titane difficiles-à-usiner
1. Refroidissement
Utilisez du liquide de refroidissement pour réduire les températures de coupe élevées. Généralement, les liquides de refroidissement à base d'huile non-solubles-conviennent à la coupe à faible-vitesse et à de lourdes charges-, tandis que les liquides de refroidissement de coupe solubles conviennent à la coupe à vitesse élevée-.
De plus, des méthodes de coupe à basse -température peuvent être utilisées, telles que l'utilisation d'azote liquide (-180 degrés) ou de CO₂ liquide (-76 degrés) comme fluides de coupe. Cela réduit efficacement la température dans la zone de coupe, améliore la finition de surface et prolonge la durée de vie de l'outil.
2. Sélection des bons outils de coupe
Le choix des outils de coupe appropriés peut améliorer considérablement l’efficacité de l’usinage. Étant donné que la chaleur dans les alliages de titane est principalement dissipée par l'arête de coupe et le liquide de refroidissement-plutôt que par les copeaux, comme c'est le cas avec l'acier-, une petite partie de l'arête de coupe doit résister à des contraintes thermiques et mécaniques extrêmes. Le maintien d’un tranchant tranchant réduit les forces de coupe.
De plus, les techniques de meulage qui produisent des cannelures polies et l'utilisation de plaquettes indexables avec des angles de coupe positifs élevés contribuent également à réduire la pression de coupe.
Si nécessaire, des outils de coupe revêtus peuvent également être utilisés pour réduire le caractère collant de l'alliage et briser les copeaux trop longs. Cela réduit non seulement la friction lors de l'évacuation des copeaux, mais permet également de contrôler la chaleur générée lors de l'usinage.
3. Maintenir une vitesse d'alimentation constante ou augmenter la vitesse d'alimentation
Les alliages de titane sont sujets à un écrouissage lors de l'usinage ; c'est-à-dire que leur dureté augmente pendant la coupe, ce qui accélère l'usure des outils. Par conséquent, le maintien d’une vitesse d’avance constante est essentiel pour minimiser l’écrouissage.
Bien entendu, si les capacités de l'équipement le permettent, vous pouvez essayer d'augmenter la vitesse d'alimentation. Cela réduit le temps que l'outil passe dans la zone d'usinage, minimisant ainsi l'accumulation de chaleur et la probabilité d'écrouissage.
4. Réduisez la vitesse de coupe
Pour contrôler la génération de chaleur, utilisez une vitesse de coupe correspondant à un-tiers ou moins de celle utilisée pour l'acier lors de l'usinage d'alliages de titane.
5. Sélectionnez des outils basés sur le processus
Lors de l'usinage d'alliages de titane, les outils dotés de revêtements en céramique, en carbure de titane et en nitrure de titane ont une durée de vie relativement courte. Généralement, pour l'usinage d'alliages de titane en grand volume, les outils en acier trempé sont le choix préféré ; pour la production en faible volume-, les outils en carbure cémenté à grande vitesse-sont plus adaptés.
Actuellement, la technologie d'usinage par ultrasons est en cours de développement, visant à prolonger la durée de vie de l'outil en réduisant le temps de contact entre l'outil et la pièce.
6. Utilisez des machines-outils à haute-rigidité
Les machines-outils à haute-rigidité sont essentielles à la réussite de l'usinage des alliages de titane. Une fraiseuse idéale pour les alliages de titane doit être rigide, avec une broche capable de fonctionner à basse vitesse et à couple élevé pour absorber les vibrations et réduire les vibrations pendant le processus de coupe.
7. Nettoyage régulier
Nettoyez régulièrement l'équipement d'usinage et les outils de coupe pour éviter l'accumulation de copeaux, ce qui peut affecter les résultats d'usinage.
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