Usinage du titane pur commercial

Ce qu’est ce matériau : propriétés clés pour l’usinage

Le titane pur commercial (aussi appelé titane de qualité commerciale, ou CP Ti) est un alliage de titane non allié, classé en grades 1 à 4 selon sa pureté et sa résistance mécanique. Contrairement aux alliages de titane (comme le Ti-6Al-4V), il ne contient pas d’éléments d’addition significatifs (moins de 1 % d’impuretés comme le fer, l’oxygène ou le carbone).

Pour l’usinage, trois propriétés du CP Ti sont déterminantes :

1. Ductilité élevée : Le CP Ti est un matériau très malléable, capable de se déformer plastiquement de manière importante avant de se rompre. Cette caractéristique est la source de son comportement « gommeux » sous l’outil.
2. Conductivité thermique faible : Sa conductivité thermique est environ 15 fois inférieure à celle de l’acier doux. La chaleur générée lors de la coupe ne se dissipe pas par le copeau ou la pièce, mais reste concentrée au niveau de la zone de coupe.
3. Résistance à la corrosion exceptionnelle : Il forme spontanément une couche d’oxyde de titane (TiO₂) très stable, qui le rend résistant aux milieux acides, alcalins et salins.

Ces propriétés expliquent ses applications principales :

• Médicales : Implants orthopédiques (vis, plaques), instruments chirurgicaux, composants de dispositifs de dialyse. Sa biocompatibilité et sa résistance à la corrosion sont essentielles pour ces usages.
• Chimiques : Cuves, vannes, pompes, échangeurs thermiques pour l’industrie chimique et pharmaceutique, où la résistance aux milieux agressifs est requise.

Comment il se comporte sous l’outil

Le CP Ti présente un comportement de coupe spécifique, différent des aciers ou des alliages de titane. Il se caractérise par quatre phénomènes clés :

1. Forces de coupe modérées : Sa résistance mécanique est inférieure à celle des alliages de titane, donc les forces exercées sur l’outil sont globalement plus faibles. Cependant, la ductilité du matériau peut augmenter les forces de frottement au niveau de l’interface outil-copeau.
2. Chaleur concentrée : Comme mentionné, la faible conductivité thermique du CP Ti fait que la chaleur de coupe se concentre dans une zone très réduite au niveau de la pointe de l’outil. Cette concentration thermique est le principal facteur d’usure de l’outil.
3. Formation de copeaux longs et continus : La ductilité du CP Ti entraîne la formation de copeaux longs et filiformes, qui peuvent s’enrouler autour de l’outil ou de la pièce, causant des problèmes de manipulation et de qualité de surface.
4. Arête rapportée (built-up edge, BUE) : C’est le phénomène le plus problématique pour l’usinage du CP Ti. L’arête rapportée est une accumulation de matériau de la pièce sur la pointe de l’outil. Elle se forme parce que le CP Ti a une forte tendance à adhérer à l’outil, et la chaleur concentrée augmente cette adhésion.

L’arête rapportée a plusieurs conséquences :

• Elle modifie la géométrie de l’outil, ce qui change les conditions de coupe.
• Elle cause une usure accrue de l’outil, car des morceaux de l’arête rapportée se détachent périodiquement, emportant avec eux du matériau de l’outil.
• Elle dégrade la qualité de la surface de la pièce, car des fragments de l’arête rapportée peuvent se déposer sur la surface usinée.

Paramètres pratiques : vitesses, avances, géométrie d’outil et raisonnement derrière les plages

Le choix des paramètres d’usinage du CP Ti est un compromis entre la réduction de l’arête rapportée, la limitation de l’usure de l’outil et la productivité.

Vitesse de coupe

La vitesse de coupe est le paramètre le plus sensible pour le CP Ti. Une vitesse trop faible favorise l’adhésion du matériau à l’outil et la formation d’arête rapportée. Une vitesse trop élevée augmente la concentration thermique et l’usure de l’outil.

Plage recommandée : 30 à 60 m/min

• Pour les opérations de finition (où la qualité de surface est primordiale), on choisira des vitesses plus élevées (45 à 60 m/min) pour réduire l’adhésion.
• Pour les opérations d’ébauche (où la productivité est plus importante), on choisira des vitesses plus faibles (30 à 45 m/min) pour limiter l’usure de l’outil.

Avance

L’avance est la distance que l’outil parcourt par tour (pour le tournage) ou par dent (pour le fraisage). Une avance trop faible augmente le temps de contact entre l’outil et le matériau, favorisant l’adhésion et la formation d’arête rapportée. Une avance trop élevée augmente les forces de coupe et le risque de rupture de l’outil.

Plage recommandée :

• Ébauche : 0,1 à 0,3 mm/tour (tournage) ou 0,1 à 0,2 mm/dent (fraisage)
• Finition : 0,05 à 0,15 mm/tour (tournage) ou 0,05 à 0,1 mm/dent (fraisage)

Profondeur de passe

La profondeur de passe est l’épaisseur de matériau enlevée par l’outil. Pour le CP Ti, on recommande des profondeurs de passe modérées pour éviter de surcharger l’outil et de concentrer trop de chaleur.

Plage recommandée :

• Ébauche : 1 à 3 mm
• Finition : 0,1 à 0,5 mm

Géométrie d’outil

La géométrie de l’outil est cruciale pour réduire l’arête rapportée et améliorer l’évacuation des copeaux.

• Angle de dépouille : Un angle de dépouille élevé (10 à 15°) réduit le frottement entre l’outil et la surface usinée.
• Angle de coupe : Un angle de coupe positif (10 à 20°) réduit les forces de coupe et favorise la formation de copeaux plus courts.
• Rayon de pointe : Un rayon de pointe modéré (0,4 à 0,8 mm) améliore la résistance de l’outil et la qualité de surface.
• Traitement de surface de l’outil : Des revêtements comme le TiN (nitrure de titane), le TiCN (carbonitrure de titane) ou le TiAlN (nitrure d’aluminium et de titane) réduisent l’adhésion du CP Ti à l’outil et améliorent la résistance à l’usure.

Choix de la machine-outil

Le CP Ti peut être usiné sur une variété de machines-outils Gree CNC, selon la taille et la complexité de la pièce :

• Pour des pièces de petite taille (comme des implants médicaux), le centre d’usinage vertical GA-DV750 est adapté. Sa broche électrique haute vitesse (jusqu’à 30 000 tr/min) permet d’atteindre les vitesses de coupe recommandées pour la finition.
• Pour des pièces de taille moyenne (comme des vannes pour l’industrie chimique), le centre d’usinage vertical GA-MV856 est un bon choix. Sa broche mécanique à couple élevé (jusqu’à 95,5 Nm) permet de réaliser des opérations d’ébauche avec des profondeurs de passe importantes.
• Pour des pièces de grande taille ou des séries importantes, le centre d’usinage vertical à double broche GA-MVD2560 permet de doubler la productivité.

Ce qui peut mal tourner : modes de défaillance, reconnaissance et solutions

Plusieurs problèmes peuvent survenir lors de l’usinage du CP Ti. Voici les plus courants :

1. Formation d’arête rapportée

• Reconnaissance : Surface de la pièce rugueuse, présence de petits fragments de matériau sur la surface usinée, usure de l’outil accrue.
• Causes : Vitesse de coupe trop faible, avance trop faible, angle de coupe trop faible, manque de lubrification.
• Solutions : Augmenter la vitesse de coupe, augmenter l’avance, utiliser un outil avec un angle de coupe plus positif, améliorer la lubrification.

2. Usure rapide de l’outil

• Reconnaissance : Usure de flanc (usure sur la face de dépouille de l’outil) excessive, rupture de l’outil, qualité de surface dégradée.
• Causes : Vitesse de coupe trop élevée, profondeur de passe trop importante, manque de lubrification, outil mal affûté.
• Solutions : Réduire la vitesse de coupe, réduire la profondeur de passe, améliorer la lubrification, utiliser un outil affûté avec une géométrie adaptée.

3. Copeaux longs et enroulés

• Reconnaissance : Copeaux filiformes qui s’enroulent autour de l’outil ou de la pièce, difficulté à évacuer les copeaux.
• Causes : Avance trop faible, profondeur de passe trop faible, angle de coupe trop faible.
• Solutions : Augmenter l’avance, augmenter la profondeur de passe, utiliser un outil avec un angle de coupe plus positif, utiliser un brise-copeau.

4. Déformation de la pièce

• Reconnaissance : Dimensions de la pièce hors tolérance, déformation visible de la pièce après usinage.
• Causes : Forces de coupe trop importantes, chaleur concentrée, serrage de la pièce trop fort ou trop faible.
• Solutions : Réduire la profondeur de passe, améliorer la lubrification pour réduire la chaleur, optimiser le serrage de la pièce, réaliser des passes d’ébauche et de finition avec des paramètres adaptés.

Limites honnêtes : où ce matériau ou ce processus est un mauvais choix

L’usinage du CP Ti présente des limites importantes, et il n’est pas adapté à tous les usages :

1. Coût élevé : Le CP Ti est un matériau cher, et son usinage est plus lent et plus coûteux que celui des aciers ou des alliages d’aluminium. Pour des applications où la résistance à la corrosion ou la biocompatibilité ne sont pas requises, l’utilisation du CP Ti n’est pas justifiée.
2. Difficulté à usiner des formes très complexes : Bien que le CP Ti soit ductile, sa tendance à former des arêtes rapportées et sa faible conductivité thermique rendent difficile l’usinage de formes très complexes avec des tolérances très serrées. Pour ces applications, des alliages de titane plus usinables ou d’autres matériaux peuvent être préférés.
3. Usinage de grandes séries : L’usure rapide des outils et la nécessité de changer d’outil fréquemment rendent l’usinage du CP Ti peu adapté à la production de très grandes séries. Pour ces cas, des procédés de fabrication plus adaptés (comme le moulage ou le forgeage) peuvent être préférés.
4. Usinage à sec : L’usinage du CP Ti à sec est très difficile, car la chaleur concentrée et l’absence de lubrification favorisent la formation d’arête rapportée et l’usure rapide des outils. Il est généralement nécessaire d’utiliser une lubrification abondante, ce qui peut être un inconvénient pour certaines applications.

Tableau des paramètres et de dépannage

Checklist pratique pour la mise en place de la tâche

Avant de commencer l’usinage du CP Ti, vérifiez les points suivants :

1. Outil :
   • Utilisez un outil avec un revêtement adapté (TiN, TiCN, TiAlN).
   • Vérifiez que l’outil est bien affûté et que sa géométrie est adaptée (angle de coupe positif, angle de dépouille élevé).
   • Choisissez un outil avec un brise-copeau adapté au CP Ti.
2. Machine-outil :
   • Vérifiez que la machine-outil est adaptée à la taille et à la complexité de la pièce (voir les modèles Gree CNC recommandés plus haut).
   • Vérifiez que la broche de la machine peut atteindre les vitesses de coupe recommandées.
   • Vérifiez que le système de lubrification fonctionne correctement et que le débit de lubrification est suffisant.
3. Serrage de la pièce :
   • Serrez la pièce suffisamment pour éviter les vibrations, mais pas trop fort pour éviter sa déformation.
   • Utilisez des serrages adaptés à la forme de la pièce pour minimiser les déformations.
4. Paramètres d’usinage :
   • Commencez par des paramètres conservateurs (vitesse de coupe plus faible, avance plus faible) et ajustez-les progressivement en fonction des résultats.
   • Prévoyez des changements d’outil fréquents pour éviter l’usure excessive.
5. Sécurité :
   • Portez des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, casque) adaptés à l’usinage.
   • Assurez-vous que la zone de travail est bien ventilée pour évacuer les fumées et les particules de titane.

FAQ

1. Quelle est la différence entre l’usinage du CP Ti et celui du Ti-6Al-4V ? Le CP Ti est plus ductile et a une résistance mécanique plus faible que le Ti-6Al-4V. Il est donc plus facile à couper, mais sa tendance à former des arêtes rapportées est plus prononcée. Les vitesses de coupe recommandées pour le CP Ti sont généralement plus élevées que celles pour le Ti-6Al-4V.

2. Peut-on usiner du CP Ti avec un outil en carbure non revêtu ? Oui, mais l’usure de l’outil sera beaucoup plus rapide. Les outils en carbure non revêtu sont adaptés pour des opérations de courte durée ou des pièces de petite taille, mais pour des opérations d’ébauche ou de finition de longue durée, il est préférable d’utiliser des outils avec un revêtement adapté.

3. Quel type de lubrification est le mieux adapté pour l’usinage du CP Ti ? La lubrification par émulsion (mélange d’eau et d’huile) est la plus courante et la plus adaptée pour l’usinage du CP Ti. Elle permet à la fois de refroidir la zone de coupe et de réduire le frottement. Pour des opérations de finition, la lubrification par huile entière peut être utilisée pour améliorer la qualité de surface, mais elle est plus chère et plus difficile à manipuler.

4. Le CP Ti est-il adapté à l’usinage par fraisage 5 axes ? Oui, le CP Ti peut être usiné par fraisage 5 axes, mais il faut adapter les paramètres d’usinage et la géométrie de l’outil. Les centres d’usinage 5 axes Gree CNC comme le GA-FA500 ou le GA-UHD500 sont adaptés pour ce type d’opération, à condition de respecter les règles d’usinage du CP Ti.

5. Comment réduire l’usure de l’outil lors de l’usinage du CP Ti ? Plusieurs mesures permettent de réduire l’usure de l’outil : utiliser un outil avec un revêtement adapté, optimiser les paramètres d’usinage (vitesse de coupe, avance, profondeur de passe), améliorer la lubrification, utiliser un outil avec une géométrie adaptée, et changer d’outil régulièrement avant qu’il ne soit trop usé.

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