Pourquoi l'usinage des alliages de titane est-il difficile, et quels sont les outils adaptés ?

Le titane est un élément allotropique. En dessous de 882 °C, il présente une structure alpha hexagonale compacte ; au-dessus de 882 °C, il adopte une structure bêta cubique à corps centré. L'alliage modifie la température de transformation et l'équilibre des phases, donnant naissance à des alliages de titane de type alpha, bêta et alpha-bêta.

Caractéristiques influençant l'usinage

Pourquoi le titane est-il difficile à découper ?

• Le coefficient de déformation par coupe est proche de 1 ou inférieur à 1, ce qui augmente le glissement des copeaux le long de la face de coupe et accélère l'usure.
• La température de coupe est élevée car la chaleur se concentre près d'une zone de contact outil-copeaux de faible longueur. Dans des conditions comparables, le Ti-6Al-4V peut être usiné à une température de coupe plus de deux fois supérieure à celle de l'acier au carbone de nuance 45.
• Bien que la force de coupe principale puisse être inférieure d’environ 20% à celle de l’acier de construction, la pression de contact peut atteindre 130 à 150% de celle de l’acier de nuance 45, ce qui concentre les contraintes au niveau du bord.
• L'absorption de gaz et les produits de réaction forment une couche superficielle dure, cassante et hétérogène qui nuit à la résistance à la fatigue et favorise l'apparition d'entailles, d'ébréchures et d'écaillages.
• Une forte affinité, la température et la pression entraînent une forte adhérence et une accumulation importante de matière sur l'outil.
• Une faible rigidité entraîne une déformation de la pièce et un retour élastique, ce qui réduit l'angle de dégagement effectif et nuit à la précision.

Choix des matériaux pour les outils

Les choix courants sont les aciers rapides contenant du cobalt, de l'aluminium ou du vanadium ; le carbure cémenté de tungstène-cobalt, parfois avec de faibles ajouts d'autres carbures ; et certains carbures revêtus par PVD/CVD. Les nuances de carbure de tungstène-titane et de nombreuses plaquettes revêtues ne conviennent généralement pas à cette application.

Les outils en diamant et en nitrure de bore cubique polycristallin (PCBN) offrent de bonnes performances pour la finition et les opérations d’ultra-précision. Le diamant présente une dureté pouvant atteindre environ 10 000 HV et une excellente conduction thermique, mais sa température d’utilisation doit être maintenue en dessous de 700 à 800 °C environ, avec un refroidissement et une lubrification adéquats. Le PCBN présente une dureté inférieure, mais une stabilité thermique supérieure à 1 200 °C et une grande inertie chimique vis-à-vis du titane, ce qui le rend adapté à la coupe à sec à haute température.