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Application du fraisage à grande vitesse dans le traitement des alliages de titane
2024-10-11

Parce que le matériau en alliage de titane présente des avantages de légèreté, de haute résistance, de résistance aux températures élevées et d'autres excellentes propriétés, comme l'alliage de titane TC18 de remplacement de l'acier de construction à haute résistance utilisé pour le train d'atterrissage, qui peut réaliser une perte de poids de la structure de l'avion d'environ 15 %. Ainsi, le nouveau type d'alliage de titane à haute résistance est largement utilisé comme pièces de palier principales dans les avions avancés étrangers, comme la structure du matériau du bombardier B-1 dont l'alliage de titane représente environ 21 %. L'avion russe Il-76 utilise 12,5 % du poids en titane dans sa structure. Du point de vue de la tendance de développement, les pays d'Europe et des États-Unis augmentent progressivement l'utilisation de l'alliage de titane, ce qui indique également qu'un grand nombre d'alliages de titane, en particulier certains nouveaux alliages de titane, sont devenus la direction de développement de la conception aéronautique. Cependant, les pièces en alliage de titane à paroi mince sont principalement utilisées dans les produits aérospatiaux, avec une structure relativement complexe et des exigences de précision élevées. En raison de la paroi mince, la rigidité des pièces est faible. Français Sous l'action de la force de coupe, il est facile de se déformer par usinage et l'épaisseur de la paroi est inégale de haut en bas, ce qui entraîne des tolérances hors tolérance. À l'heure actuelle, la méthode couramment utilisée dans les entreprises est le fraisage répété lors de la finition. En raison de la faible conductivité thermique de l'alliage de titane, du faible module d'élasticité (environ la moitié de l'acier), de l'activité chimique élevée, la petite marge ne peut pas être réduite par fraisage, ce qui produit souvent le phénomène de « moins de coupe ». Afin de garantir la taille des pièces, on ne peut compter que sur le meulage manuel, ce qui augmente considérablement le cycle de traitement des pièces et peut provoquer le phénomène de brûlure de la surface des pièces.　　

1. Difficultés de découpe de pièces structurelles en alliage de titane

1.1 Température de coupe élevée　　 

Étant donné que la conductivité thermique du matériau en alliage de titane est faible (environ 1/3 à 1/6 de celle de l'acier), il est facile de produire une température de coupe élevée lors du traitement de l'alliage de titane. Dans les mêmes conditions, la chaleur de coupe produite par l'usinage de l'alliage de titane est plus d'une fois supérieure à celle du même acier, et la chaleur produite par l'usinage est difficile à évacuer à travers la pièce. Étant donné que le coefficient de chaleur spécifique de l'alliage de titane est faible, la température locale augmente rapidement pendant le traitement. Il est facile de provoquer une température instantanée de l'outil trop élevée, ce qui entraîne une usure brutale de la pointe, de sorte que le phénomène de surchauffe se produit.

1.2 Forte résistance à la coupe　　 

La force de coupe de l'alliage de titane est fondamentalement la même que celle de l'acier, de sorte que l'énergie consommée pendant la coupe est la même ou légèrement inférieure à celle de l'acier. Cependant, la contrainte près du bord de coupe principal est très élevée lors de la coupe de l'alliage de titane. Cela peut être dû au fait que lors de la coupe de l'alliage de titane, la zone de contact du copeau de coupe sur la surface du couteau avant est généralement très petite (environ 1/3 de l'acier de coupe dans les mêmes conditions), et la contrainte de coupe importante conduit au phénomène de recul de coupe qui se produit pendant le processus d'usinage et la taille de la pièce n'est pas coordonnée.　　 1.3 Tremblement de structure faiblement rigide. Les vibrations sont un problème important à surmonter lors de l'usinage d'alliages de titane à structures faiblement rigides, en particulier lors de l'usinage de finition. La principale cause des vibrations est le très faible module d'élasticité des alliages de titane. La déformation des alliages de titane est deux fois plus importante que celle des aciers au carbone lorsqu'ils sont soumis à des forces de coupe. Il y a un frottement entre la surface de la fraise arrière et le ressort de rappel de la surface usinée, ce qui produit des vibrations et une température de coupe élevée. La force de coupe dynamique élevée est en partie responsable du tremblement, qui peut atteindre plus de 30 % de la force statique en raison du processus de cisaillement plastique lors de la formation de copeaux d'alliage de titane. En raison de l'effet des vibrations de coupe, la qualité de surface de la pièce après le fraisage est difficile à satisfaire aux exigences de précision. 2. Solutions de coupe pour les pièces structurelles en alliage de titane

Les principaux facteurs affectant l'usinage de la structure faiblement rigide en alliage de titane sont les suivants : la rigidité de la machine-outil, le choix de l'outil de coupe, les paramètres technologiques, le refroidissement efficace, etc. Au cours du processus d'usinage, divers facteurs interagissent les uns avec les autres. En outre, l'accumulation d'erreurs de déformation fait que l'usinage de la structure faiblement rigide est hors tolérance et la déformation d'usinage est difficile à contrôler.

2.1 Sélection des machines-outils　　 

La rigidité du système machine-outil - montage - outil est bonne en termes de performances grâce au jeu entre les composants de la machine-outil à régler. Français La vibration radiale de la broche est préférée pour être faible en utilisant de telles machines-outils.

2.2 Sélection des outils de coupe　 

L'amélioration de la productivité de coupe est principalement le résultat du développement et de l'application de nouveaux matériaux d'outils de coupe. Au cours des dernières décennies, les outils de coupe ont considérablement évolué, notamment le revêtement en alliage dur, la céramique, le nitrure de bore cubique, le diamant polycristallin. Ceux-ci sont efficaces pour le traitement de la fonte, de l'acier et des superalliages. Cependant, aucun des outils ne peut améliorer l'usinabilité de l'alliage de titane, car le matériau de l'outil de coupe en alliage de titane nécessite des propriétés très importantes, notamment : 1) une bonne dureté thermique pour résister aux contraintes élevées ; 2) une bonne conductivité thermique pour réduire le gradient thermique et les chocs thermiques ; 3) une bonne inertie chimique pour réduire la tendance à la réaction chimique avec le titane ; 4) une bonne ténacité et résistance à la fatigue pour s'adapter au processus de coupe des copeaux. Les outils en carbure cémenté WC/CO sont considérés comme ayant les meilleures performances dans presque tous les processus de coupe en alliage de titane. Français Certains tests montrent que le taux d'usure de tous les outils revêtus de carbure est plus élevé que celui des outils non revêtus. Bien que les outils de coupe en céramique se soient améliorés en qualité et soient de plus en plus utilisés pour traiter des matériaux difficiles à couper, en particulier les superalliages (tels que les superalliages à base de nickel), ils n'ont pas remplacé le carbure cémenté et l'acier rapide en raison de leur mauvaise conductivité thermique, de leur faible ténacité à la rupture et de leur réaction avec le titane. Les matériaux d'outils de coupe ultra-durs (nitrure de bore cubique et diamant polycristallin) présentent de bonnes performances dans la coupe des alliages de titane en raison de leur faible taux d'usure.S　　 

Le principal problème dans le processus de fraisage d'alliage de titane avec une structure rigide faible est la déformation de la paroi mince. En raison du faible module d'élasticité de l'alliage de titane et de la force de coupe relativement importante, la paroi mince est facilement déformée par la force de fraisage pendant le processus de fraisage. Le résultat est que l'épaisseur réelle de la paroi mince est supérieure à l'épaisseur théorique. Français La solution à ce problème devrait être de réduire autant que possible la force exercée sur la paroi mince depuis la direction perpendiculaire à la surface traitée, causée par le recul de la fraise.

2.3 Fluide de coupe

L'alliage de titane présente les avantages d'une résistance élevée, d'une résistance à l'oxydation, d'une résistance aux températures élevées et d'autres points de levage, qui non seulement répondent aux exigences de haute performance, mais posent également de nombreux problèmes d'usinage. Afin de réduire la température de coupe, une grande quantité de liquide de coupe à base de refroidissement doit être versée dans la zone de coupe lors de la coupe des alliages de titane, ce qui évacue la chaleur du bord et élimine les copeaux pour réduire la force de coupe. Par conséquent, les exigences relatives au fluide de coupe sont une grande conductivité thermique, une grande capacité thermique, un débit rapide et un débit important. La meilleure méthode de refroidissement est la méthode de refroidissement à haute pression, le débit du fluide de coupe n'étant pas inférieur à 15 ~ 20 L/min. Il existe trois types de fluides de coupe couramment utilisés, à savoir l'eau ou la solution alcaline, la solution d'huile soluble à base d'eau et la solution d'huile non soluble dans l'eau.

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