L'acier à carbone moyen 45 (norme européenne) ou 1045 (norme américaine) est un acier non allié dont la teneur en carbone se situe entre 0,42 % et 0,50 %. C'est l'un des matériaux les plus utilisés dans l'industrie mécanique, notamment pour la fabrication d'arbres, d'engrenages, de poulies ou de pièces de structure.
Pour l'usinage, ses propriétés clés sont :
Pour définir des paramètres d'usinage adaptés, il est essentiel de comprendre comment l'acier 45/1045 réagit à l'action de l'outil de coupe.
Les forces de coupe (forces exercées par l'outil sur le matériau pendant la coupe) sont modérées pour l'acier 45/1045. Elles dépendent principalement de la profondeur de passe, de l'avance et de la vitesse de coupe. Pour une opération de fraisage à plat typique, la force de coupe principale (force tangentielle) se situe entre 150 et 300 N par millimètre de largeur de coupe.
Ces forces sont suffisamment faibles pour être absorbées par la plupart des machines-outils, y compris les centres d'usinage verticaux de petite et moyenne taille. Cependant, pour des passes importantes ou des usinages sur des machines peu rigides, elles peuvent générer des vibrations ou des déformations des pièces.
L'usinage de l'acier 45/1045 produit une quantité modérée de chaleur. Environ 70 à 80 % de l'énergie de coupe est convertie en chaleur, qui se répartit entre le copeau (50 à 60 %), l'outil (20 à 30 %) et la pièce (10 à 20 %).
La température à l'interface outil-copeau peut atteindre 600 à 800 °C pour des vitesses de coupe élevées. Cette température est suffisante pour altérer les propriétés des outils en carbure non revêtu, mais reste compatible avec les outils en carbure revêtu couramment utilisés.
L'acier 45/1045 produit des copeaux segmentés ou continus, selon les paramètres d'usinage. À des vitesses de coupe faibles ou des avances élevées, les copeaux sont continus et peuvent être longs, ce qui pose des problèmes de manipulation et de sécurité. À des vitesses de coupe plus élevées, les copeaux se segmentent en morceaux plus courts et plus faciles à évacuer.
La formation de copeaux est un facteur clé pour la finition de surface. Des copeaux continus peuvent rayer la surface de la pièce ou se coincer entre l'outil et la pièce, générant des défauts.
L'usure des outils pendant l'usinage de l'acier 45/1045 est principalement due à trois mécanismes :
Les paramètres d'usinage dépendent de l'opération (fraisage, tournage, perçage), de la machine-outil, de l'outil et de la qualité de surface souhaitée. Les plages ci-dessous sont adaptées à l'acier 45/1045 à l'état brut (170-210 HB) et utilisent des outils en carbure revêtu TiCN (nitrure de titane et de carbone) ou TiAlN (nitrure de titane et d'aluminium), les plus courants pour ce matériau.
Le fraisage est l'opération la plus courante pour l'acier 45/1045. On distingue le fraisage à plat (pour usiner des surfaces planes), le fraisage de contour (pour usiner des formes complexes) et le fraisage de rainure.
| Opération | Vitesse de coupe (Vc) | Avance par dent (fz) | Profondeur de passe (ap) | Largeur de coupe (ae) |
|---|---|---|---|---|
| Fraisage à plat brut | 150-250 m/min | 0,1-0,3 mm/dent | 2-5 mm | 50-100 % du diamètre de l'outil |
| Fraisage à plat finition | 200-300 m/min | 0,05-0,15 mm/dent | 0,2-1 mm | 50-100 % du diamètre de l'outil |
| Fraisage de contour brut | 120-200 m/min | 0,1-0,25 mm/dent | 1-3 mm | 10-50 % du diamètre de l'outil |
| Fraisage de contour finition | 180-280 m/min | 0,05-0,1 mm/dent | 0,1-0,5 mm | 10-30 % du diamètre de l'outil |
| Fraisage de rainure | 100-180 m/min | 0,05-0,15 mm/dent | 1-2 mm | 100 % du diamètre de l'outil |
Raisonnement et compromis :
Le tournage est utilisé pour usiner des pièces de révolution, comme les arbres.
| Opération | Vitesse de coupe (Vc) | Avance par tour (f) | Profondeur de passe (ap) |
|---|---|---|---|
| Tournage brut | 120-200 m/min | 0,2-0,4 mm/tour | 1-4 mm |
| Tournage finition | 180-280 m/min | 0,05-0,15 mm/tour | 0,1-0,5 mm |
Raisonnement et compromis :
Le perçage est utilisé pour créer des trous dans la pièce.
| Opération | Vitesse de coupe (Vc) | Avance par tour (f) |
|---|---|---|
| Perçage de trous profonds (profondeur > 3 × diamètre) | 80-150 m/min | 0,1-0,2 mm/tour |
| Perçage de trous peu profonds (profondeur < 3 × diamètre) | 120-200 m/min | 0,15-0,3 mm/tour |
Raisonnement et compromis :
Les paramètres ci-dessus sont adaptés à la plupart des machines-outils Gree CNC, mais il faut tenir compte des spécifications de la machine :
L'usinage de l'acier 45/1045 est généralement fiable, mais certains problèmes peuvent survenir si les paramètres ou les conditions ne sont pas adaptés.
Reconnaissance : bruit anormal pendant l'usinage, augmentation de la force de coupe, dégradation de la finition de surface, rupture de l'outil. Causes : vitesse de coupe trop élevée, avance trop faible, profondeur de passe trop importante, outil de mauvaise qualité ou mal affûté, manque de lubrification. Solutions : réduire la vitesse de coupe, augmenter l'avance, réduire la profondeur de passe, utiliser un outil en carbure revêtu TiAlN pour des vitesses élevées, améliorer la lubrification.
Reconnaissance : bruit de frottement ou de résonance, marques de vibration sur la surface de la pièce, déformation de la pièce, rupture de l'outil. Causes : machine peu rigide, outil trop long ou mal fixé, pièce mal serrée, profondeur de passe trop importante, vitesse de coupe non adaptée. Solutions : réduire la profondeur de passe ou l'avance, changer la vitesse de coupe pour éviter la fréquence de résonance, utiliser un outil plus court ou plus rigide, améliorer le serrage de la pièce, renforcer la fixation de l'outil.
Reconnaissance : dimensions de la pièce hors tolérance, courbure ou déformation de la pièce après usinage. Causes : contraintes résiduelles dans la pièce, forces de coupe trop importantes, serrage trop fort ou mal réparti, échauffement de la pièce pendant l'usinage. Solutions : réduire la profondeur de passe ou l'avance pour diminuer les forces de coupe, améliorer le serrage de la pièce pour répartir les contraintes, utiliser une lubrification efficace pour réduire l'échauffement, réaliser un traitement de détensionnement de la pièce avant l'usinage de finition.
Reconnaissance : rayures, marques de copeaux, rugosité trop élevée, défauts de surface. Causes : vitesse de coupe trop faible, avance trop élevée, outil émoussé ou mal affûté, formation de copeaux continus, manque de lubrification. Solutions : augmenter la vitesse de coupe, réduire l'avance, utiliser un outil neuf ou bien affûté, adapter les paramètres pour obtenir des copeaux segmentés, améliorer la lubrification.
Reconnaissance : rupture brutale de l'outil pendant l'usinage, arrêt de la machine par le système de surveillance. Causes : forces de coupe trop importantes, outil émoussé, copeaux coincés, erreur de programmation, choc pendant l'usinage. Solutions : réduire la profondeur de passe ou l'avance, remplacer l'outil émoussé, améliorer l'évacuation des copeaux, vérifier la programmation, éviter les chocs pendant l'usinage.
L'acier 45/1045 est un matériau polyvalent, mais il n'est pas adapté à toutes les applications. Voici ses limites :
Applications nécessitant une résistance à la corrosion : L'acier 45/1045 est un acier non allié, qui rouille facilement en présence d'humidité ou de produits chimiques. Pour des applications dans des environnements corrosifs, il faut utiliser un acier inoxydable ou un acier traité par galvanisation ou phosphatation.
Applications nécessitant une résistance à l'usure élevée : Bien que l'acier 45/1045 puisse être durci par traitement thermique, sa résistance à l'usure est inférieure à celle des aciers alliés comme l'acier 42CrMo4 ou l'acier à outils. Pour des pièces soumises à une usure importante (comme des engrenages de haute performance ou des outils de coupe), l'acier 45/1045 n'est pas adapté.
Applications nécessitant une faible densité ou une haute résistance spécifique : L'acier 45/1045 a une densité de 7,85 g/cm³, ce qui est élevé par rapport à des matériaux comme l'aluminium ou le titane. Pour des applications où le poids est un facteur critique (comme l'aéronautique ou l'automobile de compétition), l'acier 45/1045 n'est pas le meilleur choix.
Usinage à l'état durci : L'acier 45/1045 peut être durci jusqu'à 50-55 HRC (dureté Rockwell C) après trempe et revenu. Cependant, l'usinage de l'acier durci nécessite des outils en CBN (nitrure de bore cubique) ou en diamant polycristallin, et des paramètres d'usinage spécifiques. Si vous devez usiner l'acier 45/1045 à l'état durci, il est souvent plus économique d'utiliser un acier pré-durci ou de réaliser l'usinage avant le traitement thermique.
| Catégorie | Détails |
|---|---|
| Paramètres d'usinage (outil carbure revêtu) | |
| Fraisage brut | Vc : 150-250 m/min, fz : 0,1-0,3 mm/dent, ap : 2-5 mm |
| Fraisage finition | Vc : 200-300 m/min, fz : 0,05-0,15 mm/dent, ap : 0,2-1 mm |
| Tournage brut | Vc : 120-200 m/min, f : 0,2-0,4 mm/tour, ap : 1-4 mm |
| Tournage finition | Vc : 180-280 m/min, f : 0,05-0,15 mm/tour, ap : 0,1-0,5 mm |
| Perçage | Vc : 80-200 m/min, f : 0,1-0,3 mm/tour |
| Dépannage | |
| Usure excessive des outils | Réduire Vc, augmenter fz/f, réduire ap, utiliser outil TiAlN |
| Vibrations | Réduire ap/f, changer Vc, utiliser outil plus rigide, améliorer serrage |
| Déformation de la pièce | Réduire ap/f, améliorer serrage, lubrification, traitement de détensionnement |
| Finition de surface mauvaise | Augmenter Vc, réduire fz/f, remplacer outil, améliorer lubrification |
| Rupture de l'outil | Réduire ap/f, remplacer outil, améliorer évacuation des copeaux |
Avant de lancer une production d'acier 45/1045, vérifiez les points suivants :
Vérification du matériau : Confirmez la nuance de l'acier (45/1045) et sa dureté (170-210 HB pour l'état brut). Si l'acier a été traité thermiquement, adaptez les paramètres d'usinage en conséquence.
Choix de l'outil : Utilisez des outils en carbure revêtu TiCN ou TiAlN. Pour la finition, privilégiez des outils avec un tranchant affûté. Pour le brut, privilégiez des outils avec une résistance à l'usure élevée.
Adaptation des paramètres : Adaptez les paramètres d'usinage à la machine-outil. Vérifiez que la vitesse de rotation de la broche ne dépasse pas la vitesse maximale de la machine. Pour les machines peu rigides, réduisez la profondeur de passe et l'avance.
Serrage de la pièce : Assurez-vous que la pièce est bien serrée pour éviter les vibrations ou les déformations. Utilisez des points de serrage répartis uniformément pour réduire les contraintes.
Lubrification : Utilisez un lubrifiant adapté à l'acier. Pour le fraisage et le tournage, utilisez un lubrifiant soluble dans l'eau avec une concentration de 5-10 %. Pour le perçage, utilisez un lubrifiant plus visqueux pour améliorer l'évacuation des copeaux.
Surveillance de l'usinage : Surveillez le bruit, la force de coupe et la finition de surface pendant l'usinage. Si vous détectez des anomalies, arrêtez la machine et vérifiez les paramètres ou l'outil.
Contrôle des dimensions : Après l'usinage, vérifiez les dimensions de la pièce pour vous assurer qu'elles sont conformes aux tolérances. Si la pièce est déformée, adaptez les paramètres ou le serrage pour la production suivante.
Quelle est la différence entre l'acier 45 et l'acier 1045 ? L'acier 45 est la norme européenne, l'acier 1045 est la norme américaine. Les deux nuances ont une composition chimique et des propriétés mécaniques très similaires. Elles sont interchangeables pour la plupart des applications.
Peut-on usiner l'acier 45/1045 sans lubrification ? Oui, mais cela réduit la durée de vie des outils et la qualité de la finition de surface. Pour des opérations de brut à faible volume, l'usinage à sec est possible, mais pour la production en série ou la finition, la lubrification est recommandée.
Quelle machine-outil Gree CNC est la mieux adaptée pour l'usinage d'arbres en acier 45/1045 ? Pour les arbres de petite et moyenne taille, le centre d'usinage vertical GA-MV856 (avec une broche mécanique BT40 et un couple élevé) ou le tour CNC GA-HT6065 sont adaptés. Pour les arbres de grande taille, le centre d'usinage à portique GA-GF4028 ou le centre d'usinage 5 axes GA-UHD500 sont mieux adaptés.
Comment améliorer la finition de surface de l'acier 45/1045 après usinage ? Vous pouvez utiliser des opérations de rectification, de polissage ou de traitement de surface comme la phosphatation ou la galvanisation. Pour des finitions de haute qualité, vous pouvez également utiliser des outils de finition spécifiques ou des paramètres d'usinage adaptés.
L'acier 45/1045 est-il adapté à la fabrication de pièces pour l'aéronautique ? L'acier 45/1045 est rarement utilisé pour des pièces aéronautiques primaires (comme des pièces de structure d'avion) en raison de sa densité élevée et de sa résistance à la corrosion faible. Cependant, il peut être utilisé pour des pièces secondaires (comme des fixations ou des supports) où le coût et la facilité d'usinage sont des facteurs importants.
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