Trois points clés dans l'usinage des alliages de titane: sélection du revêtement et paramètres de coupe

L'alliage de titane est largement utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, du médical, de l'automobile et d'autres industries manufacturières haut de gamme en raison de ses excellentes propriétés telles que sa résistance spécifique élevée, sa résistance à la corrosion et sa biocompatibilité. Cependant, sa faible usinabilité — caractérisée par une température de coupe élevée, une usure importante de l'outil et un durcissement facile par travail — pose de grands défis aux processus d'usinage. Pour améliorer l'efficacité de l'usinage, réduire la consommation d'outils et garantir la qualité des pièces, il est essentiel de maîtriser les trois points clés suivants, en mettant l'accent sur la sélection des revêtements et l'optimisation des paramètres de coupe.

Point clé 1 : Comprendre l'usinabilité de l'alliage de titane

Avant de sélectionner les revêtements et de définir les paramètres de coupe, il est nécessaire de clarifier les caractéristiques intrinsèques de l'alliage de titane qui affectent l'usinage, ce qui constitue la base de l'optimisation ultérieure :

• Faible conductivité thermique: La conductivité thermique de l'alliage de titane n'est que de 1/4 à 1/5 de celle de l'acier. Pendant la coupe, la majeure partie de la chaleur générée s'accumule dans la zone de coupe (pointe de l'outil et zone de contact de la pièce) au lieu d'être dissipée par les copeaux ou les pièces, ce qui entraîne une température locale extrêmement élevée (jusqu'à 800~1000℃), ce qui accélère l'usure de l'outil et la déformation de la pièce.

• Haute activité chimique: À des températures élevées, l'alliage de titane réagit facilement avec l'oxygène, l'azote et le carbone présents dans l'air pour former des composés durs et fragiles (tels que TiO₂, TiN, TiC), ce qui augmente la force de coupe et provoque une usure abrasive des outils. Il peut également se lier au matériau de l'outil, entraînant une usure adhésive.

• Tendance au durcissement par travail: L'alliage de titane a une limite d'élasticité élevée et un effet de durcissement par travail évident. Pendant la coupe, la surface de la pièce est sujette aux couches de durcissement (la dureté peut être augmentée de 20 % à 50 %), ce qui rayera l'outil et affectera la qualité de surface de l'usinage ultérieur.

Remarque : Le P1 peut être un tableau comparatif de la conductivité thermique entre l'alliage de titane et les métaux courants, ou un schéma microscopique de la couche de durcissement par travail de l'alliage de titane après la coupe.

Point clé 2 : Sélection rationnelle des revêtements d'outils

Les revêtements d'outils jouent un rôle crucial dans l'usinage de l'alliage de titane en réduisant le frottement, en isolant les températures élevées, en améliorant la stabilité chimique et en améliorant la résistance à l'usure. La sélection des revêtements doit être basée sur le type d'alliage de titane (tel que Ti-6Al-4V, titane pur), la méthode d'usinage (fraisage, tournage, perçage) et les exigences d'usinage (ébauche, finition). Les revêtements haute performance courants pour l'usinage de l'alliage de titane sont les suivants :

2.1 Revêtement de nitrure de titane (TiN)

Le revêtement TiN est un revêtement dur traditionnel avec une dureté d'environ 2000~2500 HV et un faible coefficient de frottement (0,4~0,6). Il possède une bonne résistance à l'usure et une bonne adhérence, et peut réduire efficacement l'usure adhésive entre l'outil et l'alliage de titane. Cependant, sa résistance à l'oxydation est faible, et il s'oxyde et tombe en panne lorsque la température dépasse 500℃. Il convient à l'ébauche à basse vitesse du titane pur et du titane faiblement allié, ou aux scénarios d'usinage à basse température de coupe.

2.2 Revêtement de carbonitrure de titane (TiCN)

Le revêtement TiCN est une version améliorée de TiN, avec une dureté de 2500~3000 HV, une résistance à l'usure et une stabilité thermique supérieures à celles de TiN. L'ajout d'élément carbone améliore la résistance du revêtement à l'usure adhésive et à l'usure abrasive, et sa température de résistance à l'oxydation est augmentée à 600~650℃. Il convient au tournage et au fraisage à vitesse moyenne de Ti-6Al-4V et d'autres alliages de titane couramment utilisés, et peut équilibrer l'efficacité de l'usinage et la durée de vie de l'outil.

2.3 Revêtement de nitrure d'aluminium et de titane (AlTiN)

Le revêtement AlTiN est un revêtement résistant aux hautes températures avec d'excellentes performances globales, avec une dureté de 3000~3500 HV et une température de résistance à l'oxydation allant jusqu'à 800~900℃. L'élément aluminium dans le revêtement forme un film dense d'Al₂O₃ à haute température, qui peut isoler efficacement la réaction chimique entre l'alliage de titane et le substrat de l'outil (tel que le carbure), et réduire considérablement l'usure thermique et l'usure chimique. C'est le revêtement préféré pour la finition et la semi-finition à grande vitesse de l'alliage de titane, particulièrement adapté aux scénarios d'usinage à haute température tels que le fraisage à grande vitesse et le perçage de trous profonds.

2.4 Revêtement de carbone amorphe (DLC)

Le revêtement DLC a un coefficient de frottement extrêmement faible (0,1~0,2) et une dureté élevée (1500~2500 HV), ce qui peut minimiser le frottement et l'adhérence entre l'outil et l'alliage de titane, et éviter le durcissement par travail causé par une force de coupe excessive. Cependant, sa stabilité thermique est faible (défaillance par oxydation au-dessus de 400℃) et il est fragile, il ne convient donc qu'à la finition à basse vitesse et à basse température du titane pur et des alliages de titane mous (tels que Ti-Gr2), et non à l'ébauche à haute température.

Remarque : Le P2 peut être un tableau comparatif des performances des différents revêtements (dureté, température d'oxydation, scénario applicable) ou un schéma physique des outils revêtus pour l'usinage de l'alliage de titane.

Point clé 3 : Réglage scientifique des paramètres de coupe

Les paramètres de coupe (vitesse de coupe, vitesse d'avance, profondeur de passe) affectent directement la température de coupe, la force de coupe, l'usure de l'outil et la qualité de la pièce. Pour l'usinage de l'alliage de titane, le principe de base du réglage des paramètres est "faible vitesse de coupe, vitesse d'avance modérée, faible profondeur de passe", afin de contrôler la température de coupe et de réduire le durcissement par travail. Voici les paramètres recommandés pour les méthodes d'usinage courantes (en prenant Ti-6Al-4V, l'alliage de titane le plus largement utilisé, et les outils en carbure comme exemples) :

3.1 Paramètres de tournage

• Vitesse de coupe (vc): Pour l'ébauche, la vitesse est de 30~60 m/min ; pour la finition, elle est de 60~100 m/min. Si vous utilisez des outils revêtus d'AlTiN, la vitesse peut être augmentée de manière appropriée à 80~120 m/min ; pour le titane pur, la vitesse doit être réduite de 20 % à 30 % pour éviter une adhérence excessive.

• Vitesse d'avance (f): La vitesse d'avance est de 0,1~0,3 mm/tr pour l'ébauche et de 0,05~0,15 mm/tr pour la finition. Une vitesse d'avance trop élevée augmentera la force de coupe et le durcissement par travail ; une vitesse d'avance trop faible fera frotter l'outil contre la pièce, accélérant l'usure.

• Profondeur de passe (ap): La profondeur de passe pour l'ébauche est de 1~3 mm, et pour la finition, elle est de 0,1~0,5 mm. Il n'est pas recommandé d'utiliser une profondeur de passe inférieure à 0,1 mm, car l'outil glissera sur la couche durcie de la pièce, entraînant une usure abrasive importante.

3.2 Paramètres de fraisage

• Vitesse de coupe (vc): Pour le fraisage périphérique (ébauche), la vitesse est de 20~50 m/min ; pour la finition, elle est de 50~80 m/min. Pour le fraisage en bout, la vitesse peut être légèrement plus élevée, 40~70 m/min pour l'ébauche et 70~100 m/min pour la finition. Les outils revêtus peuvent augmenter la vitesse de 10 % à 20 %.

• Vitesse d'avance par dent (fz): La vitesse d'avance par dent est de 0,05~0,15 mm/dent pour l'ébauche et de 0,02~0,08 mm/dent pour la finition. Pour le fraisage en bout de pièces à parois minces, la vitesse d'avance doit être réduite pour éviter la déformation de la pièce.

• Profondeur de passe (ap/ae): La profondeur de passe axiale (ap) pour l'ébauche est de 0,5~2 mm, et pour la finition, elle est de 0,1~0,3 mm ; la profondeur de passe radiale (ae) est généralement de 50 % à 100 % du diamètre de l'outil.

3.3 Paramètres de perçage

Le perçage de l'alliage de titane est sujet à des problèmes tels que le colmatage des copeaux, la casse de l'outil et la mauvaise qualité des trous. Les paramètres doivent être définis pour faciliter l'enlèvement des copeaux :

• Vitesse de coupe (vc): 10~30 m/min, ce qui est inférieur au tournage et au fraisage, pour réduire la température de la pointe du foret.

• Vitesse d'avance (f): 0,1~0,2 mm/tr, garantissant que les copeaux peuvent être évacués en douceur sans obstruer la rainure du foret.

• Mesures auxiliaires : Utilisez des forets à refroidissement interne pour pulvériser du liquide de coupe directement sur la pointe du foret, ce qui peut réduire efficacement la température et chasser les copeaux ; adoptez un perçage intermittent (percez et sortez à plusieurs reprises) pour éviter l'accumulation de copeaux.

Remarque : Le P3 peut être un schéma de réglage des paramètres pour le tournage/fraisage/perçage, ou un diagramme de courbe de la relation entre la vitesse de coupe et la durée de vie de l'outil.

Résumé

La clé du succès de l'usinage de l'alliage de titane réside dans trois aspects : premièrement, comprendre pleinement les caractéristiques d'usinabilité de l'alliage de titane pour cibler l'optimisation ; deuxièmement, sélectionner le revêtement d'outil approprié en fonction des scénarios d'usinage pour améliorer la résistance à l'usure de l'outil et la stabilité à haute température ; troisièmement, définir des paramètres de coupe scientifiques pour contrôler la température de coupe et réduire le durcissement par travail. Dans la production réelle, il est également nécessaire de s'associer à un liquide de coupe de haute qualité (de préférence un liquide de coupe à base d'eau avec de bonnes performances de refroidissement, ou un liquide de coupe à base d'huile pour l'usinage à basse vitesse) et à une géométrie d'outil raisonnable, afin d'obtenir le meilleur effet d'usinage.