Comment percer le titane ? De la conception du perçage au réglage des paramètres

Les alliages de titane, un matériau indispensable dans l'aérospatiale, les implants médicaux et les équipements chimiques, sont très appréciés pour leur grande solidité et leur résistance à la corrosion. Cependant, comment percer les alliages de titane？ Ils posent un défi important à de nombreux ingénieurs lors du perçage : l'usure rapide du foret, la rupture de l'outil et la faible efficacité de l'usinage sont des problèmes courants.

En fait, il n'est pas impossible de résoudre ces problèmes. Cet article propose une analyse systématique de la solution technique complète pour le perçage des alliages de titane, de la conception de l'outil aux paramètres pratiques, afin de vous aider à relever complètement les défis de l'usinage des alliages de titane.

Quatre défis majeurs dans le forage des alliages de titane

Les températures de coupe extrêmement élevées constituent le principal défi de l'usinage des alliages de titane. Les alliages de titane ont une conductivité thermique extrêmement faible, seulement 1/5 de celle du fer et 1/14 de celle de l'aluminium. Cela signifie que la chaleur générée dans la zone de coupe est difficile à dissiper, ce qui conduit à des températures localisées dépassant 1000°C. Cela réduit non seulement la durée de vie de l'outil, mais provoque aussi facilement une déformation thermique de la pièce à usiner.

Un retour élastique important constitue un autre défi majeur. Les alliages de titane ont un faible module d'élasticité (environ la moitié de celui de l'acier), ce qui entraîne une reprise élastique de la paroi du trou après le perçage, d'où un “effet de ressort” qui conduit à un rétrécissement du trou et à des écarts dimensionnels.

Les alliages de titane ont une réactivité chimique élevée, réagissant avec les matériaux des outils à des températures élevées pour former des dépôts et des alliages de diffusion, qui sont préjudiciables à l'usinage. Ce phénomène de collage est particulièrement prononcé lorsque la dureté est inférieure à HB300.

En outre, les copeaux d'alliage de titane ont tendance à se coller les uns aux autres et sont difficiles à enlever, formant facilement des arêtes accumulées à l'extrémité de l'outil. Ces arêtes se détachent périodiquement, entraînant le matériau de l'outil et rayant la surface usinée.

Conception affinée de l'usinage des forets en titane

Sélection des matériaux pour les forets

Le carbure cémenté de type YG est le meilleur choix pour l'usinage des alliages de titane, en particulier la nuance YG8 (carbure de tungstène 92% (WC) et cobalt 8% (Co)). Évitez d'utiliser le carbure cémenté de type YT (carbure de titane), car le titane qu'il contient interagit avec la pièce à usiner, ce qui accélère l'usure de l'outil.

Pour les trous d'un diamètre inférieur à 5 mm ou les applications nécessitant une plus grande ténacité, il est possible d'utiliser un acier rapide à haute teneur en cobalt (tel que M42 ou W2Mo9Cr4VCo8) dont la dureté est supérieure à 63 HRC.

Les carbures cémentés contenant du tantale (tels que YA6 (94% WC, environ 6% Co, avec une petite quantité de carbure de niobium (NbC)) donnent de bons résultats. L'ajout d'une petite quantité d'éléments rares améliore la résistance à l'usure de l'outil, et sa résistance à la flexion et sa dureté sont également supérieures à celles du YG6X.

Optimisation des paramètres géométriques

Les paramètres géométriques d'un foret affectent directement les performances de coupe et la durée de vie de l'outil :

• Angle de la pointe (2φ) : Augmenter à 135°-140° (118° pour les forets standard). Cela permet d'augmenter l'épaisseur de coupe, d'améliorer l'enlèvement des copeaux et de renforcer la rigidité du foret tout en réduisant les vibrations.
• Angle d'hélice : Un angle d'hélice important de 25°-30° facilite l'évacuation des copeaux ; la rainure de l'hélice doit être polie.
• Angle de dégagement : Augmentez l'angle de dépouille extérieure à 12°-15° pour réduire le frottement avec la surface usinée.
• Bord du burin : Meuler le bord du burin à 0,08-0,1 fois le diamètre du foret pour réduire de manière significative la force axiale.

Conception innovante de la structure de l'arête du ciseau

L'arête du burin est un facteur clé qui affecte la force axiale de perçage et la précision du centrage. Des études ont montré qu'une arête de burin en forme de S peut réduire la force axiale de perçage jusqu'à 28% et réduire simultanément l'erreur d'arrondi du trou de 58,9%.

Pour l'usinage de trous profonds avec de grands rapports longueur/diamètre, une conception d'arête biseautée en S combinée à quatre ligaments peut être utilisée pour améliorer la fluidité de l'usinage et éviter la casse de l'outil. Cette conception garantit la production de copeaux en forme de “C”, réduit les efforts de coupe et atténue l'écrouissage.

La conception à double angle (angle principal 130°-140°, deuxième angle 70°-80°) améliore efficacement la stabilité du centrage et réduit le collage des couteaux.

Le tableau ci-dessous résume les schémas d'optimisation des paramètres géométriques clés des trépans en titane :

Nom du paramètre	Mèche standard	Mèche en titane	Effet d'optimisation
Angle du point (2φ)	118°	135°-140°	Augmente la rigidité et améliore l'enlèvement des copeaux
Angle de l'hélice	20°-25°	25°-35°	Améliore la douceur de l'enlèvement des copeaux
Angle de dégagement du bord extérieur	8°-10°	12°-15°	Réduire le frottement avec la surface usinée.
Longueur du tranchant du ciseau	0.2d	0.08-0.1d	Réduit la force axiale de plus de 28%.
La forme du tranchant du ciseau	Droit	Forme en S, forme en X	Améliore la précision du centrage et réduit les erreurs de circularité.

Sélection scientifique des paramètres de forage

Paramètres de coupe recommandés

Selon le matériau des forets en titane, les paramètres de coupe doivent être ajustés en conséquence :

• Forets en carbure : Vitesse de coupe v = 9-15 m/min, avance f = 0,05-0,2 mm/r
• Forets en acier rapide : Vitesse de coupe v = 4-5 m/min, avance f = 0,05-0,3 mm/r
  Pour le perçage de trous profonds dans l'alliage de titane TC4, une vitesse d'avance de 0,12-0,16 mm/r et une vitesse de coupe de 30-40 m/min donnent les meilleurs résultats.

Relation entre la vitesse d'avance et la qualité de la surface

La vitesse d'avance a un impact significatif sur la qualité de la surface de la paroi du trou. Pour obtenir une rugosité de surface de Ra 1,6 μm, la vitesse d'avance doit être contrôlée en dessous de 0,16 mm/r. Lorsque la vitesse d'avance augmente, la rugosité de surface se détériore de manière significative.

Les paramètres de coupe recommandés pour les forets de différents diamètres sont indiqués ci-dessous.

Diamètre du foret (mm)	Vitesse de la broche (r/min)	Vitesse d'avance (mm/r)
＜3	1000-600	0.05
＞3-6	650-450	0.06-0.12
＞6-10	450-300	0.07-0.12
＞10-15	300-200	0.08-0.15
＞15-20	200-150	0.11-0.15
＞20-25	150-100	0.11-0.2
＞25-30	100-65	0.13-0.2

Techniques de refroidissement, de lubrification et de fonctionnement

Sélection et utilisation du liquide de refroidissement

Les liquides de refroidissement contenant du chlore sont interdits pour éviter la corrosion fissurante. Un mélange d'huile de machine N32 et de kérosène dans un rapport de 3:1 ou 3:2 est recommandé, ou une huile de coupe sulfurisée spécifique.

Pour le forage de trous profonds, le refroidissement interne à haute pression est essentiel. Il délivre le liquide de refroidissement directement dans la zone de coupe, assurant le refroidissement, la lubrification et l'évacuation des copeaux. La pression de refroidissement est généralement comprise entre 1,5 et 3 MPa ; pour les trous particulièrement profonds ou les matériaux difficiles à usiner, elle peut être portée à 6 MPa.

Lors du forage de trous profonds, il convient d'utiliser des émulsions ou des fluides de coupe extrême pression comme liquides de refroidissement afin d'assurer un bon refroidissement et une bonne lubrification.

Points clés de l'opération

Rétractez régulièrement le foret pour éliminer les copeaux : Cela permet d'éviter le colmatage des copeaux et la rupture du foret. Rétractez le foret pour éliminer les copeaux tous les 2 ou 3 mm de forage.

- Empêcher le foret de se bloquer dans le trou : Sinon, il frottera contre la surface usinée, ce qui entraînera un écrouissage et un émoussement du foret.

- Améliorer la rigidité du système d'usinage : Fixer le gabarit de perçage près de la surface usinée pour réduire le dépassement du foret.

- Usinage de trous profonds ou petits : L'alimentation manuelle peut être utilisée pour un meilleur contrôle du processus de coupe.

- Pré-usinage d'un trou pilote : Pour l'usinage de trous profonds, un trou pilote d'un diamètre similaire à celui du foret et d'une profondeur d'environ 10 mm peut être usiné en premier, avec un jeu contrôlé à 0,003-0,008 fois le diamètre du trou.

Contre-mesures d'usinage dans des conditions de travail particulières

Techniques d'usinage des trous profonds

Lors de l'usinage de trous profonds dont le rapport longueur/diamètre est supérieur à 5, il convient d'utiliser la technologie de perçage à refroidissement interne. Les forets à refroidissement interne sont constitués d'une seule pièce de carbure, semblable à la structure hélicoïdale d'un foret hélicoïdal standard. Le liquide de coupe est acheminé vers l'arête de coupe par une cavité hélicoïdale interne et est évacué du trou avec les copeaux.

Pour les trous profonds d'un diamètre inférieur à 30 mm, le système d'usinage DF peut être choisi ; pour les trous de plus grand diamètre, le système d'usinage BTA peut être utilisé.

Points clés pour l'usinage de pièces à parois minces

Lors de l'usinage de pièces en alliage de titane à parois minces, les contre-mesures suivantes doivent être prises en compte :

• Augmenter le nombre de traitements thermiques pour éliminer l'écrouissage et réduire la déformation sous contrainte.
• Adopter un processus qui consiste à usiner d'abord le trou intérieur, puis à utiliser un mandrin de trou intérieur pour positionner et tourner le diamètre extérieur.
• Lors du tournage du diamètre extérieur, ajoutez un mandrin en acier trempé à l'intérieur du trou afin d'améliorer la rigidité de la pièce et d'éviter les déformations dues au broutage.

Traitement des matériaux stratifiés

Lors de l'usinage de composites à base de fibres de carbone et de laminés d'alliages de titane, l'optimisation de la structure de l'arête du burin est particulièrement importante. Des études ont montré qu'une structure optimisée de l'arête du burin peut réduire de manière significative les forces de coupe axiale et le couple, améliorant ainsi la qualité du perçage.

Études de cas réels et vérification des résultats

Cas 1 : Perçage de pièces en alliage de titane pour une entreprise de fabrication aérospatiale

Des pièces en alliage de titane TC4 ont été usinées à l'aide d'un foret en acier rapide au molybdène. Le diamètre du foret était de 6,35 mm et la profondeur du trou de 12,7 mm. Paramètres sélectionnés : vitesse de coupe 11,6 m/min, vitesse d'avance 0,127 mm/r, refroidissement par émulsion.

Résultats : Chaque foret peut usiner 260 trous (norme d'usure de 0,38 mm), ce qui améliore considérablement l'efficacité de l'usinage.

Cas 2 : Réparation des structures en alliage de titane à parois minces dans les aéronefs

Lors du perçage de trous anti-fissuration pour la peau en alliage de titane d'un avion, un foret en acier rapide à bord biseauté de type S a été utilisé, associé à une lubrification par pulvérisation de brouillard de micro-huile. Les résultats ont montré que par rapport à un foret droit standard à bord biseauté, le foret à bord biseauté de type S a réduit la force axiale de perçage de 28% et l'erreur de circularité du trou de 58,9%.

Étude de cas 3 : Usinage de trous borgnes profonds dans des douilles à noyau en fer

Des trous borgnes profonds (rapport longueur/diamètre proche de 20) dans un alliage de titane TC4 ont été usinés à l'aide d'une technologie de perçage à refroidissement interne à une vitesse de broche de 1500 r/min, une vitesse d'avance de 0,03 mm/r et une pression de refroidissement de 6 MPa. Résultats : Le temps d'usinage a été réduit de 40 minutes/pièce à 6 minutes/pièce, augmentant ainsi l'efficacité de près de 7 fois. La rugosité de la surface du trou de forage a atteint Ra0,8, la rectitude était comprise entre 0,01 et 0,019 mm et la durée de vie du trépan a permis d'usiner plus de 80 pièces.

Tendances futures du développement

Grâce à la maturité croissante de la technologie de traitement des alliages de titane et à l'amélioration continue des équipements de traitement et des outils de coupe, le traitement stable des composants structurels de très grande taille et des pièces complexes de précision est désormais possible. À l'avenir, la technologie de traitement des alliages de titane se développera dans les directions suivantes :

1. Haute performance : Développement d'alliages ayant des températures de fonctionnement plus élevées, une résistance spécifique plus élevée, un module spécifique plus élevé et une meilleure résistance à la corrosion et à l'usure.
2. Faible coût : Développer des alliages contenant peu ou pas de métaux précieux et ajouter des éléments peu coûteux tels que le fer, l'oxygène et l'azote.
3. Nouvelles technologies : Adopter de nouvelles technologies de traitement, telles que la technologie du formage à froid, pour améliorer l'efficacité de la production, le rendement et la performance des alliages de titane.
4. Traitement intelligent : Utilisation d'une technologie informatique avancée pour simuler le processus de déformation de la pièce et prévoir l'évolution de la microstructure du métal.

Conclusion

L'usinage des alliages de titane n'est pas une simple question de sélection d'outils, mais un projet d'ingénierie systémique. Du matériau et de la géométrie de l'outil aux paramètres de coupe et aux méthodes de refroidissement, chaque aspect nécessite une conception minutieuse. En utilisant du carbure cémenté de type YG, en optimisant la géométrie des forets, en innovant dans la structure des arêtes des burins et en utilisant des paramètres d'usinage scientifiques, il est tout à fait possible de relever les défis du perçage des alliages de titane, en améliorant l'efficacité de la production et la qualité des produits.

Cet article vise à fournir une aide pratique pour résoudre les problèmes réels rencontrés dans l'usinage des alliages de titane. Une conception correcte de l'outil combinée à des paramètres d'usinage scientifiques augmentera l'efficacité de l'usinage des alliages de titane de plus de 30% et prolongera la durée de vie de l'outil de plus de 50%. Si vous avez des scénarios d'usinage spécifiques à discuter, veuillez laisser un commentaire dans la section des commentaires pour échanger des idées ou des conseils. nous contacter.

Les paramètres spécifiques doivent être ajustés en fonction des conditions réelles.