Analyse des processus d'usinage des alliages de titane basée sur les caractéristiques d'usinage, les outils, les fixations et les paramètres de coupe, avec une introduction aux techniques de contrôle de l'intégrité des surfaces
Ingénieur principal Huang Qiang
1. Introduction
Ces dernières années, la demande d’alliages de titane dans l’industrie aéronautique a considérablement augmenté. Les alliages de titane sont largement utilisés dans les gros avions. En tant qu'excellent matériau de fabrication pour les avions et les moteurs, les alliages de titane se caractérisent par une résistance structurelle élevée, un poids léger et une bonne résistance à la corrosion. L'usinabilité des matériaux en alliage de titane entraîne souvent une mauvaise intégrité de la surface de la pièce après usinage. Ci-dessous, les méthodes d'usinage et les technologies de contrôle de l'intégrité de surface pour les alliages de titane aérospatiaux sont présentées sous les aspects des caractéristiques d'usinage, des outils de coupe, de la sélection des fixations et des paramètres de coupe.
2. Caractéristiques et applications des alliages de titane
Dans l'industrie aéronautique, les alliages de titane sont principalement utilisés pour fabriquer des composants tels que des disques de compresseur de moteur, des pales creuses de ventilateur, des disques de turbine et des carters, ainsi que des pièces structurelles telles que des trains d'atterrissage de gros avions, des sections extérieures d'ailes, des revêtements de fuselage, des portes, des systèmes hydrauliques et des sections arrière de fuselage. Actuellement, la proportion d’alliages de titane utilisés dans l’industrie aéronautique est passée de 6 % à plus de 15 %. Le Boeing 777 utilise 7 à 9 % de pièces en alliage de titane ; Afin de réduire de 20 % la consommation de carburant, environ 2 milliards de RMB ont été investis dans le développement du Boeing 787, spécifiquement pour rechercher le remplacement des alliages d'aluminium par des alliages de titane dans certaines parties de l'avion, ce qui a abouti à une teneur en alliage de titane de 15 % dans la cellule du Boeing 787. Dans les projets nationaux de gros avions, l'utilisation d'alliages de titane a progressivement augmenté, passant de 4,8 % dans le jet régional ARJ21 à plus de 9 % dans le avion de ligne C919.
Les exigences en matière d'allègement structurel et de haute résistance dans le domaine de l'aviation le rendent de plus en plus dépendant des alliages de titane. En fonction de leur résistance et de leurs performances à haute-température, les alliages de titane peuvent être classés en alliages de titane, alliages de titane, + alliages de titane et composés intermétalliques titane-aluminium, parmi lesquels + les alliages de titane (comme Ti6Al4V) sont les plus largement utilisés. les alliages de titane ont une bonne soudabilité thermique et une forte résistance à l'oxydation, mais une ténacité moyenne ; les alliages de titane ont une meilleure forgeabilité, une meilleure formabilité à froid et une meilleure capacité de renforcement par traitement thermique ; + Les alliages de titane possèdent une bonne ténacité, sont soudables et peuvent être renforcés par traitement thermique et ont une bonne résistance à la fatigue.
La composition matérielle du Ti6Al4V comprend principalement du Ti, Al, V, Fe, O, C, Si, Cu et de petites quantités de N, H, B et Y. Les alliages de titane ont d'excellentes propriétés mécaniques complètes, une faible densité et une bonne résistance à la corrosion. En tant que matériau d'alliage à haute résistance, ils ont été continuellement promus pour une utilisation dans les moteurs d'avion et l'industrie aéronautique. Cependant, les températures élevées et les forces de coupe élevées lors de l'usinage des alliages de titane conduisent à un écrouissage important de la surface usinée, exacerbant l'usure des outils et entraînant une mauvaise usinabilité. Ces facteurs nuisent à l’obtention d’une bonne qualité de surface et affectent la durée de vie des composants en alliage de titane et les performances du moteur. Ci-dessous, en utilisant Ti6Al4V comme sujet de recherche et en combinant l'expérience accumulée dans la pratique de production, les performances de coupe, les méthodes d'usinage et les techniques d'inspection de surface des pièces en alliage de titane sont présentées.
3. Méthodes d’usinage des alliages de titane
3.1 Sélection des outils
Les matériaux d'outils pour l'usinage des alliages de titane doivent avoir des caractéristiques telles qu'une bonne ténacité, une dureté à chaud, une dissipation thermique et une résistance à l'usure. De plus, les outils doivent répondre à des exigences telles que des arêtes de coupe tranchantes et une surface lisse. Lors de l'usinage de matériaux en alliage de titane, il est préférable d'utiliser des outils en carbure présentant une bonne conductivité thermique et une résistance élevée, avec un petit angle de coupe et un grand angle de dépouille. Pour éviter l'écaillage et la casse de la pointe de l'outil, le tranchant de la pointe doit avoir une transition arrondie. Le tranchant doit rester affûté pendant l'usinage pour faciliter l'élimination rapide des copeaux et éviter l'adhérence des copeaux.
Lors de l'usinage d'alliages de titane, pour éviter les réactions d'affinité entre le substrat/revêtement de l'outil et l'alliage de titane, qui accéléreraient l'usure de l'outil, les outils de revêtement à base de carbures contenant du titane-et de revêtement à base de titane-sont généralement évités. Des années de pratique de production ont montré que bien que les outils en carbure contenant du titane-sont sujets à l'adhérence et à l'usure, ils possèdent une excellente capacité d'usure anti-diffusion, en particulier lors de coupes à grande vitesse-, où leurs performances sont nettement meilleures que celles des outils en carbure de type YG-.
Les principaux fabricants mondiaux d’outils ont introduit des plaquettes de coupe spécifiquement pour l’usinage de pièces en alliage de titane. Les améliorations continues des matériaux d'outils et des matériaux de revêtement ont amélioré l'efficacité de coupe des matériaux en alliage de titane et favorisé le développement de l'industrie des alliages de titane. Par exemple, les plaquettes IC20 d'ISCAR, dotées d'arêtes de coupe tranchantes, conviennent à la finition de pièces en alliage de titane. Ses plaquettes IC907 améliorent efficacement la résistance à l'usure, adaptées à l'ébauche et à la semi-finition. Les CP200 et CP500 de SECO pour l'usinage des alliages de titane sont des matériaux d'inserts à grain ultra-dureté élevée et ultra-utilisant la technologie de dépôt physique en phase vapeur (PVD). Les WSM30, WSM20 et WAM20 de Walter, utilisant des revêtements TiCN, TiAlN, TiN et Al₂O₃, offrent une forte résistance à la déformation et à l'usure. Les outils et revêtements couramment utilisés pour l'usinage des alliages de titane sont présentés dans le tableau 1.
Selon les statistiques, le secteur de la construction aéronautique dépend en grande partie d'outils importés, et cette dépendance est encore plus grande pour les matériaux difficiles-à-usiner comme les alliages de titane. Par conséquent, promouvoir le développement et l’application d’outils et de matériaux de revêtement nationaux est un moyen efficace de résoudre fondamentalement le problème de l’usinage des alliages de titane en Chine.
3.2 Usure des outils et solutions
Lors de l'usinage d'alliages de titane à des vitesses de coupe élevées et à de grandes profondeurs de coupe, une usure en cratère (usure en dépouille) se forme sur la face de coupe au point de température de coupe la plus élevée, avec une zone distincte entre le cratère et l'arête de coupe. La largeur et la profondeur du cratère s'étendent progressivement à mesure que l'usure progresse, réduisant la rigidité du tranchant, pouvant conduire à un écaillage si l'outil continue à être utilisé. Des micrographies électroniques de l'usure des inserts sont présentées à la figure 1.
a) Usure en cratère avec phénomène d'écaillage. b) Usure des flancs
c) Bord-construit
Lors de l'usinage d'alliages de titane, un frottement important entre la plaquette et la pièce provoque une usure sur la face de dépouille près de l'arête de coupe, formant une petite zone d'usure avec un angle de dépouille nul, connue sous le nom d'usure en dépouille. De plus, en raison de l'écrouissage des alliages de titane, l'épaisseur de coupe au niveau du nez de l'outil sur le petit tranchant diminue progressivement, provoquant un dérapage du tranchant, ce qui entraîne également une usure importante de la face en relief.
Après l'usure de l'outil, les paramètres de coupe tels que la vitesse de coupe et l'avance peuvent être ajustés en observant la morphologie et la couleur des copeaux, ainsi que la force, le bruit et les vibrations de la machine-outil, afin de contrôler l'usure anormale de la face de coupe. L'utilisation de géométries de plaquettes à angle de coupe positif et la sélection de matériaux ou de revêtements de plaquettes résistants à l'usure peuvent améliorer la durée de vie de l'outil.
Les bords accumulés (BUE) ont tendance à se former lors de l'usinage des alliages de titane. Lorsque le BUE est stable, il peut protéger l’outil en agissant comme un tranchant. Cependant, lorsque le BUE grandit dans une certaine mesure, son sommet s'étend au-delà du tranchant, augmentant ainsi l'angle de coupe réel. L'accumulation et le détachement du BUE affectent directement la précision de l'usinage. Les fragments de BUE adhérant à la surface usinée de l'alliage de titane forment des points durs et des bavures, affectant la qualité de la surface. La perte et la régénération irrégulières du BUE provoquent des fluctuations de la force de coupe, entraînant des vibrations et affectant la durée de vie de l'outil. Les méthodes courantes dans les pratiques de production pour réduire ou éviter la formation de BUE lors de la coupe d'alliages de titane comprennent : l'augmentation de la vitesse de coupe, l'augmentation progressive de la profondeur de coupe jusqu'à l'optimum ; en utilisant des matériaux d'insertion revêtus de PVD- ; utilisant des systèmes de refroidissement à haute-pression, etc.
Dans les opérations de coupe, en raison de la faible plasticité des alliages de titane, la zone de contact entre les copeaux et la face de coupe est petite et l'usure de l'outil se produit principalement sur la face de coupe de l'outil de tournage. Par conséquent, les plaquettes de coupe doivent être sélectionnées avec un petit angle de coupe, généralement compris entre 0 et 5 degrés. Un petit angle de coupe augmente efficacement la zone de contact entre le copeau et la face de coupe, aidant ainsi à dissiper la chaleur concentrée près du bord de coupe. La sélection d'un angle de dépouille de 5 degrés à 10 degrés peut réduire la friction entre l'outil et la pièce. Le choix d'une combinaison de surface de contact en forme de V entre la base de la plaquette et le porte-outil, une conception de structure de serrage robuste, peut améliorer efficacement la rigidité de serrage du porte-outil, éliminer les vibrations de l'outil et améliorer la qualité de surface de la pièce usinée en alliage de titane.
3.3 Sélection des appareils
Lors du positionnement et du serrage de pièces en alliage de titane, l'interaction entre la force de serrage du dispositif et la force d'appui sur la pièce peut provoquer une déformation sous contrainte à l'état libre. La résistance à la force de coupe lors de l'usinage des alliages de titane est importante, le système de traitement doit donc avoir une rigidité suffisante. La structure de positionnement et les dimensions de la pièce doivent être analysées, en sélectionnant des points de référence stables et fiables, et en ajoutant des supports auxiliaires ou en utilisant une sur-contrainte si nécessaire pour augmenter la rigidité de la pièce. Étant donné que les alliages de titane sont sujets à la déformation, la force de serrage ne doit pas être excessive ; une clé dynamométrique peut être utilisée si nécessaire pour assurer une force de serrage stable. De plus, lorsque vous utilisez des dispositifs pour positionner et serrer des pièces en alliage de titane, assurez-vous d'un bon ajustement entre la surface de positionnement du dispositif et la surface de positionnement de la pièce, et équilibrez la force de serrage du dispositif avec la force de support de la pièce. Pour les surfaces de serrage relativement grandes, une méthode de serrage distribuée doit être utilisée autant que possible pour éviter la déformation causée par une pression concentrée. Les points de serrage des pinces de fixation doivent être aussi proches que possible de la surface usinée de la pièce pour réduire les vibrations générées lors de la coupe de l'alliage de titane.
L'utilisation de luminaires, d'outils de mesure ou de divers outils temporaires contenant du plomb, du zinc, du cuivre, de l'étain, du cadmium ou des métaux à bas -point de fusion-est strictement interdite pour l'usinage des alliages de titane. L'équipement, les accessoires et les outils utilisés pour l'alliage de titane doivent être maintenus propres et non contaminés. Les pièces en alliage de titane doivent être nettoyées rapidement après l'usinage, et les résidus de plomb, de zinc, de cuivre, d'étain, de cadmium, de métaux à bas point de fusion--, etc., ne sont pas autorisés sur les surfaces en alliage de titane. Des conteneurs de transfert spéciaux doivent être utilisés lors du déplacement et de la manipulation de pièces en alliage de titane afin d'éviter de les mélanger et de les stocker avec des pièces d'autres matériaux. Lors de l'inspection et du nettoyage de surfaces en alliage de titane finement usinées, portez des gants propres pour éviter la contamination par l'huile et les empreintes digitales, qui pourraient provoquer des fissures par corrosion sous contrainte et affecter les performances de service de la pièce en alliage de titane.
3.4 Paramètres de coupe
Les principaux paramètres de coupe des alliages de titane sont la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe, la vitesse de coupe étant le principal facteur affectant son usinabilité. Des tests comparatifs entre la coupe à vitesse de rotation constante et la coupe à vitesse de surface constante de pièces en alliage de titane indiquent que la coupe à vitesse de rotation constante est moins performante que la coupe à vitesse de surface constante. Lorsque la vitesse de coupe vc=60 m/min, l'avance f=0.127 mm/tr et la profondeur de coupe ap=0.05–0,1 mm pour les alliages de titane, une couche durcie est rarement trouvée sur la surface de l'alliage de titane.
Étant donné que la couche durcie apparaît principalement sur la surface de la pièce après la finition, la profondeur de coupe lors de la finition ne doit pas être trop grande, sinon elle générera une chaleur de coupe importante. L'accumulation de chaleur de coupe peut provoquer des modifications dans la structure métallographique de la surface de l'alliage de titane, générant facilement une couche durcie sur la surface de la pièce. Une profondeur de coupe trop faible peut provoquer un frottement et une extrusion sur la surface de la pièce, conduisant à un écrouissage. Ainsi, lors de l'usinage de pièces en alliage de titane, la profondeur de coupe pour la finition doit être supérieure à la taille du diamant de l'outil (préparation des bords).
Le choix de la vitesse d'alimentation pour les alliages de titane doit être modéré. Si l'avance est trop faible, l'outil coupe dans la couche durcie pendant l'usinage, ce qui entraîne une usure plus rapide. La vitesse d'avance peut être sélectionnée en fonction de différents rayons de nez d'outil. La finition sélectionne généralement une vitesse d'avance plus petite, car une vitesse d'avance élevée augmente les forces de coupe, provoquant un échauffement de l'outil et une flexion ou un écaillage. Le tableau 2 présente les paramètres courants pour couper les alliages de titane avec différents types et matériaux d'outils.
3.5 Système de refroidissement
La nécessité d'un fluide de coupe pour la coupe des alliages de titane est une faible formation de buée. Des outils de refroidissement à haute -pression doivent être sélectionnés pour l'usinage des alliages de titane, 配合机床高压泵,冷却压力可达(60-150) × 10⁵ Pa (environ 60-150 bar). L'utilisation d'outils de refroidissement à haute pression-pour usiner des alliages de titane peut augmenter la vitesse de coupe de 2 à 3 fois, prolonger la durée de vie de l'outil et améliorer la morphologie des copeaux en alliage de titane. Lors de l'application d'un fluide de coupe lors de l'usinage d'un alliage de titane, la force de coupe est réduite de 5 à 15 % par rapport à la coupe à sec d'un alliage de titane, la force radiale est réduite de 10 à 15 %, la température de coupe est réduite de 5 à 10 % et la morphologie de surface de l'alliage de titane usiné est meilleure avec une adhérence moins massive, ce qui favorise l'obtention d'une qualité de surface supérieure.
L'émulsion chimique Trim E206 actuellement utilisée, mélangée à 8 % de concentré et à 92 % d'eau pure, avec une concentration de 7 à 9 %, permet d'obtenir de bons résultats d'usinage dans le traitement des matériaux en alliage de titane et peut être utilisée dans les opérations de tournage, de fraisage et de meulage. Trim E206 contient des additifs spéciaux qui contrôlent efficacement la formation de bords accumulés. Le liquide de coupe contient de minuscules molécules émulsionnées, améliorant la stabilité du liquide de coupe et réduisant l'entraînement-pendant l'usinage, facilitant ainsi l'entrée du liquide de coupe dans la zone de coupe. De plus, le Trim E206 présente une forte résistance à la contamination par l'huile et les résidus du liquide de coupe sont facilement solubles dans l'eau et le fluide de travail, contribuant ainsi à maintenir la propreté de l'équipement et des surfaces des pièces usinées.
4. Intégrité de la surface en alliage de titane
4.1 Inspection de la microstructure des pièces forgées en alliage de titane
L'inspection de la microstructure de l'alliage de titane consiste à examiner la surface d'une pièce gravée en alliage de titane au microscope électronique pour observer les caractéristiques morphologiques, la distribution, etc. de la microstructure du matériau, utilisée pour vérifier si la structure métallographique de l'alliage de titane est conforme aux normes et spécifications de dessin pertinentes. Les étapes de l'inspection de la microstructure des pièces forgées en alliage de titane sont les suivantes : usinage grossier de la pièce forgée → polissage de surface → gravure de surface → nettoyage → séchage → inspection microscopique. L'inspection microscopique de l'alliage de titane Ti6Al4V est illustrée à la figure 2.
a) Polissage de la surface b) Gravure de la surface
c) Rinçage à l'eau d) Examen microscopique
Le but de l'usinage grossier de la pièce forgée est de retirer complètement le boîtier. La surface de l'alliage de titane est polie à l'aide de papier de verre à l'alumine avec des grains compris entre 400# et 800#, et la rugosité de la surface doit atteindre Ra=0.025 μm ou des exigences de qualité supérieure. La gravure utilise le réactif de Kroll, préparé sous forme de solution aqueuse à 2 % HF et 4 % HNO₃. Une quantité appropriée de réactif de Kroll est appliquée sur la surface polie de l'alliage de titane jusqu'à l'obtention de la structure transparente souhaitée, puis rincée à l'eau et séchée. Un microscope électronique portatif est utilisé pour inspecter la surface de l'alliage de titane. La structure doit contenir 10 à 50 % de primaires. La morphologie microstructurale de l'alliage de titane Ti6Al4V illustrée à la figure 3 représente une structure métallographique qualifiée.
a) Primaire dans -matrice transformée b) Discontinu aux joints de grains
c) Lamellaire en grains
4.2 Inspection de la corrosion par anodisation bleue pour les alliages de titane
Lors de l'usinage d'un alliage de titane, lorsque l'usure des flancs de l'outil se produit, la résistance aux chocs de l'outil diminue progressivement, entraînant un écrouissage sur la surface usinée de l'alliage de titane en raison de l'extrusion et de la surchauffe. La méthode de corrosion par anodisation bleue est couramment utilisée pour détecter le durcissement et d’autres défauts. La surface d'une pièce en alliage de titane après corrosion par anodisation bleue est illustrée à la figure 4. Après la dissolution post-traitement de la pièce en alliage de titane anodisé, la couleur d'un film d'oxyde qualifié doit être d'un bleu clair uniforme (voir Figure 4a). Après inspection de la corrosion, les pièces en alliage de titane trempées-présentent une surface bleu foncé (voir Figure 4b) ou des zones localisées plus sombres (voir Figure 4c), avec une répartition inégale des couleurs sur différentes zones.
a) Bleu clair uniforme b) Bleu foncé c) Bleu foncé localisé
Après la corrosion par anodisation bleue, pour les pièces présentant un écrouissage, des méthodes telles que l'ajustement du matériau de l'outil de coupe, du revêtement et des angles de coupe pour l'usinage de l'alliage de titane, l'optimisation des trajectoires d'outils et des paramètres de coupe, peuvent être utilisées pour contrôler et éliminer l'écrouissage.
4.3 Finition de surface des alliages de titane
Pour éliminer les défauts de surface des disques de compresseur, des moyeux, des roues, des arbres et des entretoises de rotor en alliage de titane, et améliorer la durée de vie des pièces, après avoir terminé toutes les opérations d'usinage mécanique sur la pièce en alliage de titane, la finition manuelle des disques à lamelles peut être utilisée pour la finition de surface. La finition du disque à lamelles nécessite l'utilisation des outils de finition illustrés à la figure 5 : un outil pneumatique rotatif (vitesse 18 000 tr/min), un mandrin de polissage et un tissu abrasif en alumine ou en carbure de silicium (spécifications 10 mm × 20 mm, grain 120#).
a) Outil pneumatique rotatif b) Mandrin de polissage c) Tissu abrasif
La finition des rainures internes d'une pièce en alliage de titane est illustrée à la figure 6. Pour obtenir de bons résultats de finition, les méthodes suivantes peuvent être utilisées :
Pliez le tissu abrasif en alumine dans le sens de la longueur et insérez-le fermement dans la fente de serrage à l'extrémité avant du mandrin de polissage. Serrez-le dans le sens opposé au sens de rotation du mandrin. Changez pour un nouveau chiffon abrasif après avoir fini chaque surface de la pièce (voir Figure 6a).
Le tissu abrasif rotatif doit effectuer un mouvement de va-et-vient sur la surface en alliage de titane pendant un ou deux cycles, chaque cycle durant 10 à 30 secondes, avec une vitesse de mouvement alternatif d'environ 1,57 mm/s (voir Figure 6b).
Lors de la finition de différentes surfaces de la pièce en alliage de titane, changez le tissu abrasif entre les cycles. Lors de la finition manuelle, utiliser une clé d'arrêt appropriée ou un dispositif de butée de profondeur mécanique pour contrôler le passage du tissu abrasif rotatif. a) Installation du tissu abrasif b) Polissage rotatif
5. Conclusion
L'alliage de titane est un matériau typiquement difficile-à-usiner. En raison des forces de coupe élevées, des températures de coupe élevées et de l'usure importante des outils pendant l'usinage, la sélection de matériaux d'outils et de géométries de plaquettes raisonnables constitue le principal défi de l'usinage des alliages de titane. Les outils en carbure contenant du Ti-ont de bonnes performances d'usure anti-diffusion. Pendant la coupe, une couche d'adhérence stable en alliage de titane se forme sur la surface de l'outil, ce qui peut inhiber l'usure. Avec le développement d'outils domestiques, l'efficacité d'usinage des alliages de titane s'est progressivement améliorée, réduisant ainsi les coûts d'usinage et jouant un rôle positif dans la réalisation de la localisation globale des moteurs. Dans la pratique de production, l'usinage des alliages de titane doit être basé sur les conditions existantes de l'entreprise en termes de technologie, d'équipement, de gestion et de coût. Des dispositifs de positionnement raisonnables doivent être sélectionnés et les paramètres de coupe doivent être optimisés à l'aide de la plate-forme de données d'information de l'entreprise, en s'éloignant progressivement du concept d'usinage étendu consistant à sélectionner des paramètres basés uniquement sur l'expérience et l'analogie.
En effectuant des inspections de microstructure sur des pièces forgées en alliage de titane, la structure métallographique d'un alliage de titane grossièrement usiné peut être comparée et évaluée. L'usinage de finition peut éliminer efficacement les défauts d'usinage et de matériau sur la surface de l'alliage de titane, améliorant ainsi la durée de vie de la pièce. L'inspection de la corrosion par anodisation bleue peut identifier efficacement les défauts tels que l'écrouissage qui se produisent lors de l'usinage des alliages de titane. Le contrôle efficace de l'intégrité de la surface de l'alliage de titane usiné est d'une grande importance pour stabiliser la qualité d'usinage de l'alliage de titane et améliorer la durée de vie des pièces en alliage de titane.
Cet article a été publié dansTravail des métaux (travail à froid), numéro 7, 2021, pages 1 à 5, rédigé par Huang Qiang d'AECC Xi'an Aero-Engine Ltd., initialement intitulé "Méthodes d'usinage et technologie de contrôle de l'intégrité de surface pour les alliages de titane aérospatiaux".
