Le titane est un matériau d'ingénierie de haute performance avec un excellent rapport résistance/poids, résistance à la fatigue et résistance à la corrosion. L'utilisation du titane et de ses alliages est très répandue, comme dans les bijoux, les avions, les centrales électriques, les équipements médicaux, les missiles, etc. Cependant, il n'est pas aussi facile à usiner que d'autres matériaux souples. Plusieurs considérations sont nécessaires pour usinage CNC en titane, de l'outillage aux variables d'usinage.

Cet article abordera tous les aspects que vous devez connaître lors de l'usinage du titane et de ses alliages, y compris les opérations d'usinage, les facteurs à prendre en compte, les avantages, les applications, les options de finition de surface, etc.

Qu'est-ce que le titane?

Le titane est un métal léger, solide, durable et hautement résistant à la corrosion. Il offre une ténacité et une dureté supérieures ainsi qu’un faible coefficient de frottement et de résistance à l’usure.

L'usinage précis du titane est assez difficile, surtout lorsqu'il doit être manipulé dans des formes intrinsèques. Par conséquent, l'usinage CNC est l'option idéale pour la fabrication de titane.

Nuances d'alliage de titane

Deux alliages de titane sont populaires dans les processus de fabrication, notamment le Usinage CNC. 

• Ti-6Al-4V : Il offre un rapport résistance/poids élevé et convient aux pièces d'avion.
• Ti-6Al-4VEli : Il offre d'excellentes propriétés de biocompatibilité, ce qui le rend idéal pour les applications médicales.

Feuilles de titane

Sur le marché, le titane usinable CNC est disponible dans une gamme de nuances (grades 1 à 10). Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre, la force augmente simultanément.

Usinage CNC de titane

Outils de coupe au carbure avec une pointe de transition en arc de cercle sont utilisés pour l'usinage CNC du titane. Le niveau de dureté du Titane nécessite un outil d'usinage plus brutal. Ces outils contiennent un léger angle avant et un grand angle arrière pour optimiser la longueur de contact (La zone d'usinage de la zone de l'outil de coupe). Une longueur de contact considérable réduit le frottement.

La pointe ronde crée des angles vifs sans brûlure ni écaillage. L'usinage CNC du titane implique une faible vitesse d'usinage et une faible avance si une profondeur de coupe importante est requise.

Des vitesses de coupe élevées sont également possibles. Cependant, il est conseillé de garder un œil sur l'incrément de température dans la pièce et l'outil. Parfois, la vitesse de coupe élevée peut provoquer des éclats et des fractures en raison de la réaction entre les copeaux et l'outil.

Fraisage CNC du titane

Pièce de fraisage CNC

fraisage CNC crée la forme requise à partir d'une pièce en enlevant de la matière avec l'outil rotatif. Il est crucial de prendre en compte les différentes propriétés du titane et d'agir en conséquence pour fraiser la pièce en titane. La résistance et la dureté élevées du titane nécessitent des outils de fraisage robustes tels que ceux fabriqués avec du carbure de ciment et de l'acier trempé. L'immense force exercée sur la pièce en titane peut provoquer un problème de surchauffe dans les outils de fraisage, entraînant la formation de bavures et une incohérence dimensionnelle.

Pour éviter la surchauffe lors du fraisage CNC, le lubrifiant doit être appliqué en continu. De plus, la vitesse d'usinage peut également être réduite si cela ne limite pas les exigences finales, telles que l'état de surface et les tolérances.

La vibration est un autre résultat du fraisage CNC en titane. La haute résistance provoque des vibrations dans les outils de coupe, ce qui peut réduire leur durée de vie. Encore une fois, les outils en carbure de ciment constituent le meilleur choix pour minimiser les vibrations.

Tournage CNC du titane

Titane Tournage CNC En tournage CNC, la pièce tourne et l'outil emporte le matériau pour le convertir dans la géométrie requise : la résistance mécanique élevée et la ténacité du titane exigent une vitesse de tournage plus lente. Un régime élevé de la pièce peut provoquer la formation de cratères et de rainures. De plus, une chaleur excessive contribue à la formation de copeaux.

• Le liquide de coupe minimise l'augmentation de la température, utilisez donc le liquide de refroidissement approprié.
• Les outils en carbure à grain fin sont l'option incontournable pour le tournage CNC.
• Il est recommandé de considérer 15 à 20 % du diamètre de la lame lors du choix de la profondeur de coupe.

Perçage CNC du titane

Une vitesse modérée convient au perçage du titane car une vitesse élevée provoque des problèmes de vibration et de surchauffe. La haute résistance et la dureté du titane nécessitent des forets à pointe de carbure pour créer un trou précis.

Percer le trou profond dans le titane est un défi. La dureté peut affecter la rectitude du trou. Si vous avez besoin d'un trou profond, vous pouvez utiliser un outil de coupe à âme creuse pour créer un trou circulaire droit (Safian Charif, 2012).

Variables de l'usinage CNC du titane

L'usinage CNC du titane présente certains défis en raison de certaines propriétés mécaniques du titane, telles qu'une mauvaise conductivité thermique, une résistance mécanique et une dureté médiocres. Il existe différentes considérations pour obtenir le meilleur résultat d’usinage.

1. Chaleur excessive

Lors de la détermination de l'avance et de la vitesse de coupe, il est crucial de tenir compte de la chaleur excessive. Le titane n'est pas comme le cuivre ou l'aluminium. Il produit une grande quantité de chaleur, qui peut endommager l'outil et la qualité de la pièce.

De plus, la configuration du refroidissement doit être la priorité et le régime doit être ajusté lorsque la température dépasse la plage attendue.

2. Chemin d'outil approprié

Le principe de base de la trajectoire de l'outil est que l'outil d'usinage CNC doit toujours engager la pièce en titane. L'optimisation de la partie outillage assure moins temps d'un cycle et qualité. Par exemple, définir la trajectoire de l'outil dans une combinaison de motifs cycliques peut optimiser la création de rainures.

3. Maintien de la pièce

Les pièces en titane doivent être fermement saisies avec des dispositifs de maintien de pièce rigides de manière à ne pas provoquer l'arrêt de l'usinage. Une mauvaise prise (trop lâche ou trop serrée) peut endommager une pièce et un outil de coupe CNC.

4. Bord rapporté

L'arête rapportée est un autre problème avec l'usinage CNC en titane. Les copeaux peuvent coller à l'outil, un retrait fréquent est donc nécessaire pour éviter ce problème. Un liquide de refroidissement à haute pression peut être appliqué pour se débarrasser des copeaux.

Autres approches de traitement pour les pièces en titane

Outre les opérations d'usinage CNC, le titane peut être coupé et façonné à l'aide d'autres approches de fabrication, découpe au plasma, découpe au laser, découpe au jet d'eau, etc. Ces techniques servent à des fins différentes en tant que méthodes de découpe sans cisaillement. Discutons-en un par un en bref ;

Découpe Plasma Titane

La découpe d'alliages de titane à l'aide du plasma implique une torche à plasma qui crée un jet concentré de gaz ionisé appelé plasma. Cet arc plasma fait fondre le matériau avec précision et réalise des découpes pour façonner la pièce. Pendant ce temps, la température peut atteindre 30,000 XNUMX°C.  

L'arc électrique est généré entre une électrode (cathode) et la pièce en titane (anode). Cet arc ionise le gaz (généralement de l'argon, de l'azote ou un mélange) pour former le faisceau de plasma. Ensuite, la torche à plasma guide le jet à travers une buse rétrécie vers la pièce en titane. Le découpeur plasma Advanced CNC peut guider le mouvement avec des programmes CNC préchargés.

Le tableau suivant présente les principales caractéristiques de titane de découpe plasma en bref;

Les inspections régulières contribuent également à la sécurité des passagers. En identifiant et en traitant les risques potentiels pour la sécurité, tels que des freins usés, un éclairage défectueux ou le remplacement du revêtement de sol, les inspections permettent de réduire le risque d'accidents et de blessures et d'améliorer la sécurité générale du service. Les inspections régulières sont un moyen concret de mettre en valeur l'engagement des prestataires de services de transport en faveur du bien-être des passagers et des conducteurs. applications de coupage au plasma sont essentiels dans diverses industries, des équipements médicaux aux composants aérospatiaux.

• Aérospatial: Composants de cellule, pièces de moteur, train d'atterrissage et éléments structurels.
• Médical: Implants (arthroplasties de la hanche et du genou), instruments chirurgicaux, dispositifs médicaux et prothèses.
• Industriel Équipements de traitement chimique, échangeurs de chaleur et récipients sous pression.
• Marin: Composants de construction navale, pièces de sous-marins, équipements de forage offshore.
• Automobile: Composants automobiles hautes performances tels que les systèmes d'échappement et les pièces structurelles.
• La défense: Pièces de véhicules militaires, blindages, équipements de protection.

Énergie renouvelable: Composants d'éoliennes, pièces de panneaux solaires et systèmes de stockage d'énergie.

Découpe Laser Titane 

Une autre méthode de traitement du titane est la découpe laser, qui utilise un faisceau laser focalisé pour faire fondre et vaporiser le matériau, ce qui permet d'obtenir des coupes précises et nettes. Cependant, la sensibilité à la chaleur et les propriétés du titane peuvent provoquer un emballage, une contamination et une décoloration si les paramètres appropriés ne sont pas utilisés. 

De plus, la précision de découpe laser titane permet des conceptions complexes avec des tolérances serrées. Ces avantages le rendent applicable aux composants alimentaires, aérospatiaux, médicaux, automobiles, électroniques et autres composants industriels.

Le tableau ci-dessous résume brièvement les caractéristiques du titane découpé au laser ;

Découpe au jet d'eau en titane

Un jet d'eau à haute pression mélangé à un abrasif coupe les feuilles et les barres de titane selon une forme précise en érodant le matériau depuis la position de coupe. La pression du jet peut atteindre jusqu'à 4000 bars. La découpe au jet d'eau élimine la possibilité de dommages thermiques dans d'autres approches de traitement comme la découpe au laser et au plasma.

Les caractéristiques de la découpe au jet d’eau du titane sont les suivantes :

Traitement de surface des pièces en titane

L'usinage CNC du titane peut laisser des marques d'outils et de minuscules bavures sur la surface usinée. Cependant, il offre une excellente finition de surface telle que machine (valeur Ra ​​aussi basse que 1.20 pm  (GA Ibrahim, 2003). Par conséquent, la finition brute d’usinage des pièces en titane est insuffisante pour les applications critiques comme les implants médicaux, l’électronique, les composants, les pièces aérospatiales, etc. Par la suite, le traitement de surface devient également essentiel pour les applications esthétiques.

Il existe différentes techniques de traitement de surface pour les pièces en titane pouvant atteindre des niveaux de rugosité aussi bas que 0.3 μm, chacune présentant des capacités et des avantages uniques.

Oxydation électrolytique au plasma

Elle est également connue sous le nom d’oxydation par micro-arc (MAO). Ce processus consiste à immerger des pièces en titane dans une solution électrolytique et à appliquer un champ électrique à haute tension. Il développe une couche d'oxyde dure et résistante à l'usure (revêtement d'oxyde dur) sur la surface du métal. La pièce en titane est immergée dans une solution électrolytique et soumise à un champ électrique à haute tension au cours de ce processus. Cela provoque des micro-décharges à la surface du titane. Cette finition offre une résistance à la corrosion, une résistance à l’usure et une stabilité thermique.

Anodisation 

L'anodisation peut développer un revêtement protecteur d'épaisseur variable grâce au processus de dépôt par électrolyse. L'épaisseur et les propriétés de la couche d'oxyde peuvent être contrôlées en ajustant les paramètres d'anodisation, tels que la tension, la densité de courant et la composition de l'électrolyte. Anodisation au titane améliore non seulement la résistance à la corrosion, mais permet également d'appliquer différentes couleurs à la surface grâce à la teinture.

Polissage du titane

Le polissage du titane implique un meulage avec des grains de grande à petite taille, suivi d'un processus de polissage. Il élimine toutes les irrégularités et imperfections de la surface pour offrir une finition lisse et semblable à un miroir. Donc, polir le titane améliore l'esthétique des pièces en titane et peut également réduire la friction et l'usure dans des applications spécifiques.

Titane contre. Acier contre. Aluminium contre. Acier inoxydable

L’acier, l’acier inoxydable et l’aluminium sont les trois principales alternatives en termes de résistance et de légèreté. L'acier inoxydable et l'acier sont tous deux des alliages de fer avec des variations de carbone, de chrome, de manganèse et d'autres éléments d'alliage. D’autre part, l’aluminium est un matériau léger et hautement résistant à la corrosion, doté d’une excellente usinabilité et formabilité.

Si l'on compare spécifiquement titane contre acier, le titane est plus léger, plus solide et plus résistant à la corrosion que l'acier, mais il est plus cher. Parallèlement, l’acier est plus lourd, plus rentable et largement utilisé pour sa polyvalence et sa résistance. De même, l'acier offre une usinabilité plus élevée en comparaison directe avec usinage du titane ou de l'acier. Ainsi, le choix des paramètres d’outillage et d’usinage du titane nécessite différentes considérations spécifiques. Donc, titane vs aluminium, titane vs acier inoxydable et d'autres comparaisons peuvent aider à prendre des décisions judicieuses pour optimiser les processus d'usinage. 

De plus, le tableau ci-dessous différencie ces matériaux de fabrication sous divers aspects ;

Avantages de l'usinage CNC en titane

L'usinage CNC du titane présente divers avantages, tels qu'une excellente précision dimensionnelle, des formes complexes, une rentabilité, un délai d'exécution rapide, un rapport résistance / poids élevé, etc. Passons brièvement en revue quelques-uns d'entre eux.

• Biocompatibl à

Le titane a plusieurs applications médicales en raison de sa résistance à la corrosion biocompatible et de sa nature non toxique. Il peut être combiné avec du fer, de l'aluminium, du molybdène, du nickel et d'autres éléments pour le rendre plus résistant.

• résistance à la corrosion

Le titane usiné CNC est très résistant à la corrosion. Ainsi, il ne s'use pas longtemps et résiste à tout niveau d'humidité et de conditions maritimes.

• Haute résistance au poids

Le titane est un métal léger avec un rapport résistance/poids élevé, 1.3 fois l'aluminium et 3.5 fois l'acier inoxydable. Cet avantage le rend idéal pour les applications aérospatiales.

• Formes compliquées

L'usinage CNC permet de manipuler le titane dans des formes complexes. L'utilisation d'outils en carbure ou en diamant hautement rigides peut convertir n'importe quelle conception 3D complexe en réalité avec un degré élevé de précision dimensionnelle.

• Rentable

La création de pièces en titane par usinage CNC est plus rentable que les approches de fabrication conventionnelles et les technologies de pointe comme l'impression 3D.

• La précision

L'usinage CNC crée des pièces précises pour plusieurs applications. Une machine CNC 5 axes avancée peut maintenir des tolérances aussi basses que ± 0.0005″.

Applications de l'usinage CNC de pièces en titane

1. Industrie aerospatiale

Pièces en titane dans un avion

La nature résistante à la corrosion et la haute résistance rendent le titane adapté aux applications aérospatiales. D'autres propriétés telles que la résistance à la fatigue, la ténacité, la résistance à la température et la résistance à l'usure contribuent à la fonctionnalité des pièces aérospatiales en titane. L'usinage CNC du titane joue un rôle important dans la création d'aubes de moteur, de trains d'atterrissage, d'arbres, de structures intérieures, de roues de compresseur, de bielles, de compartiments moteur et bien d'autres.

2. Droit médical

Le titane présente une inertie chimique et des propriétés biocompatibles, qui lui permettent d'être utilisé dans des applications médicales. La haute précision des implants médicaux et du matériel chirurgical peut être obtenue par usinage CNC. Certaines applications médicales typiques du titane comprennent les stimulateurs de croissance osseuse, les dispositifs de fusion vertébrale, les plaques osseuses, l'orthodontie et les fausses parties du corps.

3. Marine

L'usinage CNC du titane est également d'une utilité importante dans l'industrie maritime. Une résistance supérieure à la corrosion et un caractère léger conviennent parfaitement aux applications marines, telles que les ponts, les manilles, les mousquetons, les récipients sous pression, les sondes sous-marines et bien d'autres encore.

4. Automobile

Diverses pièces automobiles en titane

Les voitures de sport et de luxe utilisent largement le titane en raison de sa résistance aux chocs et de sa durabilité. Il est utilisé dans les cadres, les fixations, les silencieux, les tuyaux d'échappement, les soupapes de moteur, les ressorts porteurs et bien d'autres encore.

5. Autres

En plus de toutes ces applications, l'usinage CNC du titane est applicable dans les secteurs du pétrole et du gaz, de la construction, de l'architecture, de la bijouterie, du sport, des véhicules électriques et d'autres industries.

Pensée finale

Le titane est un métal léger doté d'une excellente résistance à la corrosion, d'une résistance mécanique élevée, d'une dureté, d'une biocompatibilité et d'autres propriétés mécaniques et chimiques uniques. Ces propriétés le rendent adapté aux applications automobiles, aérospatiales, médicales, de construction, d'architecture, marine et autres applications industrielles. Presque toutes les pièces en titane peuvent être créées par usinage CNC pour ces industries.

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Questions Fréquemment Posées

Pourquoi le titane est-il difficile à usiner CNC ?

Les propriétés du titane, notamment sa dureté, sa faible conductivité thermique et sa résistance mécanique élevée, rendent difficile l'usinage CNC précis. Il nécessite la prise en compte de diverses variables de fonctionnement.

Quelles sont les considérations essentielles pour l'usinage CNC du Titane ?

Parfois, un changement mineur dans les variables de fonctionnement peut modifier la qualité de la pièce usinée, et vous devez prendre en compte différents facteurs lors de la conception de pièces en titane de qualité. La variable inclut la génération de chaleur, la formation d’arêtes rapportées, la vitesse de coupe, l’avance et bien d’autres encore.

Pourquoi choisir l'usinage CNC pour les pièces en titane ?

L'usinage CNC du titane offre une excellente précision dimensionnelle et des tolérances aussi faibles que ± 0.0005″. De plus, il peut créer des formes complexes, est rentable et offre un délai de livraison rapide.

Quels sont les alliages de titane courants pour l'usinage CNC ?

Le Ti-6Al-4V et le Ti-6Al-4VEli sont les alliages de titane les plus utilisés dans les projets d'usinage CNC. Cependant, il existe dix qualités différentes (grades 1 à 10) d'alliages de titane ayant des propriétés différentes.

Bibliographie

1. A. Ibrahim, CC (2003). L'effet de l'usinage à sec sur l'intégrité de surface de l'alliage de titane Ti-6Al-4V ELI. ScienceAlert.
2. Safian Sharif, EA (2016). Usinabilité des alliages de titane en perçage. IntechOpen.