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08
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L'industrie des pièces automobiles médicales, chirurgicales et haute performance s'intéresse vivement au titane en raison de son rapport résistance/poids, inégalé par d'autres métaux. Cela signifie que les pièces en titane permettent aux avions de voler plus loin que jamais, aux voitures de course de prendre des virages plus rapidement que jamais, et aux dispositifs médicaux implantés de fonctionner dans le corps humain sans complications. Bien que les exigences pour les fixations en titane de qualité médicale, les boulons en titane biocompatibles et les boulons en titane de qualité chirurgicale soient plus strictes que celles pour les fixations métalliques classiques, les défis d'usinage du titane dus à sa structure atomique unique sont tout aussi difficiles que l'usinage de métaux comme le plomb. La combinaison d'une résistance élevée et d'une excellente résistance à la corrosion crée un environnement très difficile pour usiner le titane en fixations légères et de précision. Cet article décompose les étapes nécessaires pour obtenir le bon équilibre de ces caractéristiques et créer des composants haute performance et durables à l'aide de fixations en titane pour implants, de quincaillerie en titane pour dispositifs médicaux et de solutions de fixation biocompatibles utilisées en orthopédie, en colonne vertébrale et en cardiovasculaire.
Le titane ne se comporte pas comme l'acier ou l'aluminium sur le sol de l'atelier. Sa composition métallurgique unique résiste à l'outil de coupe, entraînant souvent une accumulation rapide de chaleur et une dégradation du matériau. Que vous produisiez des boulons en titane Grade 5, des fixations en titane Grade 2 ou des vis médicales en Ti-6Al-4V, les mêmes règles physiques s'appliquent.
En termes de propriétés matérielles relatives à l'usinage destructif, le titane est le meilleur matériau en matière de réactivité ; cependant, le principal inconvénient du titane pour les processus d'usinage destructif est sa faible conductivité thermique. Lorsque vous coupez de l'acier, une partie importante de la chaleur générée par le frottement s'évacue avec les copeaux. Lors de la coupe du titane, l'arête de l'outil reste en contact avec le titane, et donc la chaleur générée par le frottement reste au niveau de l'arête de coupe. La température extrême localisée à l'arête de coupe provoque deux problèmes majeurs lors des opérations de coupe : le soudage du copeau et l'usure prématurée de l'outil.
À des températures élevées, le titane est très réactif chimiquement. Il y a une réactivité chimique entre l'outil et le titane lorsque le titane adhère à l'outil de coupe en raison de l'élévation de température de l'outil. Cela crée une condition de formation d'arête rapportée (BUE). Lorsqu'une arête rapportée se forme, l'outil de coupe perd sa capacité de coupe, l'état de surface de la fixation devient rugueux et finalement l'outil tombe complètement en panne. Pour les boulons en titane résistants à la corrosion utilisés dans des applications marines ou d'implant, le maintien de l'intégrité de surface est obligatoire.
L'un des problèmes lors de l'usinage du titane est sa caractéristique d'écrouissage. Lorsqu'un outil de coupe coupe du titane, le matériau immédiatement adjacent à l'outil subit une déformation plastique. Au lieu de se cisailler proprement lorsque l'outil traverse la pièce, le titane devient durci et donc cassant relativement rapidement après avoir été coupé. Cela est particulièrement critique lors du micro-usinage du titane ou de l'usinage de vis en titane de petit diamètre, où la force de coupe est concentrée sur une très petite surface.
Si vous n'adoptez pas la bonne approche de coupe, la couche durcie de titane formera une paroi pour votre coupe suivante, et donc la coupe suivante sera plus difficile que la première. Cela augmente la force de coupe nécessaire pour couper la pièce. Si votre configuration de machine manque de rigidité ou de couple pour pousser l'outil à travers la pièce, l'outil vibrera contre la couche durcie, ce qui produira des incohérences dimensionnelles et des filetages de mauvaise qualité.
Lors de l'usinage du titane, il est essentiel de disposer d'une machine rigide. En raison de la ténacité du titane, les forces de coupe sur l'outil sont très élevées. S'il y a une quelconque flexibilité dans la machine ou le système de maintien de la pièce, la machine vibrera.
Les vibrations sont nuisibles au maintien de tolérances serrées. Lors de l'usinage de fixations légères, les filetages doivent être coupés avec précision pour éviter le grippage lors de l'installation de la fixation. L'introduction de broutage dans la fixation créera des microfractures dans le matériau, ce qui réduira considérablement la durée de vie en fatigue de la fixation. Une bonne approche pour contrôler les vibrations lors de l'usinage du titane avec une tolérance serrée est de maintenir le porte-à-faux de l'outil le plus court possible et d'utiliser des montages très rigides pour réduire les effets des vibrations. Le contrôle des vibrations est essentiel pour l'usinage de haute tolérance du titane.
L'outil de coupe est votre première ligne de défense contre les dures réalités du titane. Vous ne pouvez pas utiliser un outillage standard pour l'acier dans cette application et espérer des résultats.
Le carbure est le matériau le plus couramment utilisé pour l'usinage du titane. Lors de la sélection d'une nuance de carbure, vous devez choisir celle qui présente un bon équilibre entre ténacité et résistance à la chaleur. Les nuances de carbure micro-grain fonctionnent le mieux pour cette application car elles conservent leur tranchant plus longtemps et résistent à la fatigue thermique qui conduit à l'écaillage de l'outil.
Bien qu'il existe des outils en céramique et en diamant polycristallin (PCD), ces matériaux sont généralement trop fragiles pour les opérations de coupe interrompues requises dans la production de fixations. Alors que les céramiques peuvent supporter des vitesses élevées, elles ne performent généralement pas bien avec les vibrations produites lors de la réalisation de filetages complexes de petits diamètres. Par conséquent, le carbure est le choix supérieur pour la fiabilité et la cohérence. Cela est particulièrement vrai pour les boulons usinés de précision suisse personnalisés et les opérations de tournage suisse de précision.
La géométrie de conception d'outil standard tombera rapidement en panne lors de la coupe du titane. Il est nécessaire de modifier la conception pour minimiser la génération de chaleur et le frottement lors de la coupe du titane :
Angles de coupe élevés (+ angles de coupe) élèvent les copeaux loin de la surface de la pièce pour réduire les forces de coupe.
Angles de dépouille accrus (c) ne permettent pas à la partie arrière de l'outil de frotter contre le matériau écroui.
Casse-copeaux enroulent le copeau et le cassent avant qu'il ne devienne long et filandreux.
L'utilisation de revêtements, tels que le nitrure d'aluminium et de titane (AlTiN), est idéale pour cette application car ils fournissent une barrière thermique pour protéger l'outil en carbure de la chaleur produite à l'interface d'usinage. Évitez d'utiliser des outils non revêtus, car ils auront une affinité chimique plus élevée avec le titane qu'un outil revêtu et exposeront l'outil à une défaillance prématurée.
La gestion de la vitesse est plus importante que la vitesse brute. Le titane ne répond pas bien aux vitesses de coupe extrêmement élevées, qui génèrent trop de chaleur. Utilisez plutôt une vitesse de surface (SFM) plus faible associée à une charge de copeaux agressive.
Charge de copeaux : Maintenez vos vitesses d'avance suffisamment élevées pour garantir que l'outil coupe toujours dans du matériau frais, et non qu'il frotte sur la surface écrouie.
Profondeur de passe : Assurez-vous toujours que votre profondeur de passe est plus profonde que la couche écrouie créée par la passe précédente.
Intervalle de changement d'outil : Suivez de près la durée de vie de l'outil. Si vous constatez une détérioration de l'état de surface, changez l'outil avant qu'il ne s'écaille. Un outil usé génère plus de chaleur, ce qui durcit le titane, accélérant le cycle de défaillance.
La gestion thermique est la différence entre une pièce de haute qualité et un tas de rebuts. Vous devez évacuer la chaleur avant qu'elle n'affecte l'outil ou la pièce.
Le refroidissement par inondation traditionnel est rarement suffisant pour le titane. La chaleur est créée exactement là où l'outil rencontre la pièce, et le liquide de refroidissement par inondation s'évapore souvent ou se dévie avant d'atteindre ce point.
Le liquide de refroidissement haute pression par la broche (HPPS) est la référence. En acheminant le fluide directement vers la zone de coupe à haute pression, vous obtenez deux choses : la chaleur est évacuée instantanément et les copeaux sont éliminés de force. Si les copeaux restent, ils sont recoupés, ce qui génère plus de chaleur et ruine l'intégrité de surface. Pour les fixations en titane sur tour suisse et la quincaillerie en titane usinée de précision, le HPPS est indispensable.
Choisir la bonne formule de liquide de refroidissement est essentiel pour la lubrification. Vous avez besoin d'un liquide de refroidissement offrant une lubrification élevée pour empêcher le titane de se souder à l'outil.
Liquides de refroidissement synthétiques : Ils sont excellents pour le transfert de chaleur mais manquent parfois de la lubrification nécessaire pour empêcher le soudage du copeau.
Liquides de refroidissement semi-synthétiques : Ils offrent souvent le meilleur équilibre. Ils contiennent suffisamment d'huile pour améliorer la lubrification tout en conservant les propriétés thermiques des fluides à base d'eau.
Surveillez toujours la concentration de votre liquide de refroidissement. Si le mélange est trop dilué, vous perdez en lubrification ; trop concentré, vous perdez en capacité de refroidissement.
Dans certains cas, l'usinage à sec ou la lubrification minimale (MQL) peut surpasser les liquides de refroidissement standard. L'usinage cryogénique, qui utilise de l'azote liquide, est une approche plus récente. Il refroidit le matériau au niveau de l'arête de coupe, empêchant ainsi le titane d'atteindre les températures où il devient collant et réactif. Cela prolonge considérablement la durée de vie de l
