Maîtriser la sélection des matériaux pour le tournage CNC : choisissez les bons matériaux pour votre projet d'usinage CNC

Chaque projet de tournage CNC nécessite le choix du bon matériau, sans doute l'une des décisions les plus cruciales. Les propriétés du produit final, notamment le coût, les performances, la durabilité et la précision, dépendent toutes de cette décision. Il est compréhensible qu'il existe de nombreuses alternatives parmi lesquelles choisir, à commencer par des métaux tels que l'aluminium et l'acier inoxydable, jusqu'aux plastiques techniques tels que le PEEK et le Delrin. Ce blog servira de guide détaillé qui vous aidera à sélectionner le matériau approprié pour l'usinage CNC. Nous établirons les facteurs qui doivent être analysés, par exemple les propriétés mécaniques, l'usinabilité, les exigences d'application et le coût, afin que les objectifs cibles du projet puissent être atteints. Cet article vise à fournir aux débutants et aux machinistes plus expérimentés qui entrent pour la première fois dans le domaine du tournage CNC des conseils pratiques pour faciliter le processus de sélection des matériaux.

Quels sont les matériaux les plus couramment utilisés dans le tournage CNC ?

Les ingénieurs utilisent couramment les matériaux suivants dans le tournage CNC :

• Aluminium : facile à traiter, très résistant à la corrosion et léger, ce qui en fait un matériau adapté à une utilisation dans l'aérospatiale, l'automobile et les produits de consommation.
• Acier : Solide et durable, disponible en différentes qualités, il est souvent utilisé pour les composants industriels et les machines.
• Acier inoxydable : Solide et résistant à la corrosion, il est largement utilisé dans les industries médicales, agroalimentaires et marines.
• Laiton : Hautement usinable et à faible frottement, ce qui en fait un excellent choix pour les pièces de précision ; il est couramment utilisé dans les composants et raccords électriques.
• Plastiques, par exemple POM, Nylon : utilisés dans les applications nécessitant légèreté, résistance chimique et isolation électrique.

Les exigences spécifiques au projet telles que la résistance, le poids, les propriétés thermiques et le coût déterminent la décision d'utiliser un matériau donné.

Matériaux métalliques pour l'usinage CNC : types et applications

La technologie CNC peut être appliquée à la plupart des matériaux métalliques en raison de leurs attributs spécifiques, qui peuvent être utilisés dans des applications spécifiques. Vous trouverez ci-dessous une liste de certains des matériaux métalliques les plus utilisés et de leurs avantages grâce à l'usinage CNC.

1. Aluminium : Ce métal est l'un des plus utilisés en raison de sa capacité à résister à la corrosion, de sa grande usinabilité, de sa faible densité et de sa facilité de mise en forme, autant de caractéristiques utiles pour les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de l'électronique grand public. Aluminium 6061 est une nuance spécialisée largement utilisée, offrant une résistance à la traction de près de 45000 XNUMX psi, ce qui facilite son inclusion dans les pièces structurelles et les boîtiers d'articles usinés.
2. Acier inoxydable : L'acier inoxydable est essentiel en raison de sa résistance et de sa durabilité, ainsi que de sa non-corrosivité et de sa température relativement élevée. Les caractéristiques hygiéniques et résistantes à la corrosion sont souvent requises dans les appareils médicaux, les équipements de transformation des aliments et même les applications marines utilisant l'acier inoxydable de nuance 304 et 316.
3. Acier (doux et acier à outils) : Utilisé dans la construction, l'acier doux et d'autres secteurs industriels, les machines lourdes et l'outillage industriel comme l'acier sont très recherchés. Rentable. Parmi les exemples courants, citons l'acier doux de nuance 1018 utilisé dans les constructions mécaniques ou les aciers à outils A2 et D2 pour leur dureté et leur résistance exceptionnelles à l'usure et pour équiper idéalement les outils de coupe et les moules.
4. Titane : L’aérospatiale, les véhicules haute performance et même les domaines médicaux s’appuient sur le titane car il présente le rapport résistance/poids le plus élevé. Titane Grade 5 ou (Ti-6Al-4V) est un alliage couramment utilisé car il possède une résistance à la traction de plus de 130,000 XNUMX psi. Cet alliage spécifique est populaire dans le soja en raison de sa large utilisation dans les produits biocompatibles.
5. Cuivre et laiton : le cuivre est utilisé dans de nombreux composants, tels que les circuits électriques et les échangeurs de chaleur, en raison de son excellente conductivité thermique et électrique. Le laiton est un autre métal largement utilisé en raison de sa faible résistance au frottement et à la corrosion, ce qui le rend utile pour les vannes, les accessoires décoratifs et les engrenages.
6. Inconel et superalliages : les domaines d'application privilégiés sont l'exploitation minière, l'aéronautique et l'énergie ; ces applications leur permettent de couvrir des conditions extrêmes telles que l'échauffement et la corrosion. Des modèles spécifiques sont utilisés en fonction de l'environnement. L'Incoel 718 est bien connu pour sa capacité à supporter des températures élevées de 1,300 °C (700 XNUMX °F) tout en ayant une forte résistance structurelle.

Plusieurs facteurs influent sur le choix des métaux spécifiques à utiliser, tels que les performances mécaniques du système, ses propriétés thermiques et même son poids. À mesure que les technologies d'usinage CNC deviennent plus avancées et que les défis d'ingénierie modernes deviennent plus complexes, un traitement des métaux plus précis et plus efficace est possible.

Matières plastiques pour le tournage CNC : avantages et limites

L'utilisation de matières plastiques pour le tournage CNC présente ses avantages, mais ces considérations déterminent si le tournage plastique est approprié à chaque application.

Avantages des matières plastiques pour le tournage CNC

Le principal avantage des matières plastiques réside dans leur faible densité par rapport aux métaux, ce qui est essentiel pour les applications qui privilégient les économies de poids. Par exemple, les plastiques PEEK, PVC et Delrin ont un faible coefficient de frottement diélectrique, ce qui contribue à une bonne usinabilité et à de bonnes performances dans les assemblages de pièces mobiles. De plus, les plastiques sont insensibles à la corrosion et à la plupart des dommages chimiques, ce qui crée des conditions dans lesquelles les métaux peuvent souffrir. Les plastiques isolants spéciaux peuvent même fonctionner dans des environnements à hautes performances, notamment dans les industries médicales ou aérospatiales. Certains plastiques techniques, tels que le PTFE et le PEEK, ont une tolérance aux températures élevées ; le PEEK reste efficace jusqu'à 250 degrés Celsius (482 degrés Fahrenheit).

De plus, les matières plastiques sont considérées comme des alternatives économiques dans le prototypage et la production à petite échelle en raison de leurs coûts de matériaux inférieurs, de leur usinabilité améliorée et de leurs cycles d'usinage plus courts par rapport aux métaux. De plus, leur propriété non conductrice les rend utiles dans les industries électroniques et électriques. En outre, le développement des technologies CNC ces dernières années a multiplié le nombre de matériaux, y compris les plastiques, qui peuvent être utilisés dans ces processus et a également amélioré les tolérances et la précision réalisables, permettant ainsi de cibler des formes complexes avec des exigences strictes.

Inconvénients des matières plastiques pour le tournage CNC

Malgré ces qualités, les matières plastiques présentent certains inconvénients de base. Leur résistance mécanique et leur rigidité sont inférieures à celles des métaux en général, ce qui les rend inadaptées à toute pièce porteuse dans des applications plus exigeantes. Les plastiques sont également plus sensibles aux changements de température et la plupart des matériaux fondent ou subissent une certaine forme de déformation à des températures plus basses que les métaux. Par exemple, alors que le PEEK est privilégié dans les applications à haute température, d'autres plastiques, comme le polypropylène ou le nylon, ont tendance à devenir mous à des températures supérieures à 100 degrés Celsius.

De plus, les dimensions peuvent également changer lors de l'usinage CNC en raison des propriétés de dilatation thermique des plastiques, qui ont tendance à être problématiques. De plus, certains plastiques peuvent s'user trop rapidement en raison d'une utilisation abusive de la machine, ce qui affecte leur durée de vie dans les endroits à forte friction ou à fort choc. De plus, certains plastiques sont particulièrement sensibles aux facteurs externes, notamment aux rayons UV, ce qui nuit encore davantage à leur fiabilité pour une utilisation en extérieur sur une longue période.

Résumé de l'adéquation du matériel

Les processus de fabrication s'appliquent de la même manière aux matières plastiques de faible et de haute densité. Par conséquent, tout ce qui est prévu pour les composants usinés doit être soigneusement étudié, en tenant compte des facteurs mécaniques, thermiques, chimiques et environnementaux et en classant les plastiques en conséquence. D'un autre côté, les ingénieurs innovants ne verront pas les défis posés par les plastiques comme des obstacles, mais verront les propriétés uniques de ces matériaux et les combineront avec les limites pour résoudre les défis posés par la fabrication moderne.

Matériaux exotiques : quand et pourquoi les utiliser en tournage CNC

Le tournage CNC utilise des matériaux exotiques pour des performances ou des exigences opérationnelles plus strictes que les matériaux standard. Le titane, l'Inconel et les composites de carbone font partie des matériaux exotiques choisis pour leurs qualités uniques, telles que le rapport résistance/poids, la corrosion et la résistance thermique. Ils sont largement utilisés dans la construction de pièces dans les secteurs de l'aérospatiale, de la médecine et de l'énergie, où des conditions extrêmes ou un usinage de très haute précision sont nécessaires. Néanmoins, l'usinage de matériaux exotiques est généralement plus difficile en raison de leur dureté ou d'autres caractéristiques uniques, c'est pourquoi des outils, des techniques et une planification spécialisés sont souvent nécessaires pour obtenir des résultats optimaux.

Comment choisir le bon matériau pour mon projet de tournage CNC ?

Facteurs à prendre en compte dans le choix des matériaux d'usinage CNC

Propriétés mécaniques

Dans tout travail de tournage CNC, il est essentiel d'évaluer les propriétés mécaniques telles que la résistance aux chocs, la ténacité et la ductilité du matériau choisi. C'est pourquoi les alliages d'aluminium sont privilégiés pour les pièces aux formes complexes : ils sont légers et résistants à la corrosion. En revanche, le titane présente le meilleur rapport résistance/poids et peut survivre dans des environnements difficiles.

Stabilité thermique

Cette propriété est essentielle pour les pièces découpées à grande vitesse ou qui, en raison de la méthode de traitement, peuvent être soumises à des températures élevées. Certains matériaux, comme l'acier inoxydable et le tungstène, ne changent pas de forme, ce qui permet de conserver les dimensions fonctionnelles et la précision de la pièce pendant et après l'application de la charge thermique. Par exemple, l'acier inoxydable peut résister à des températures supérieures à 1400 XNUMX degrés Celsius, ce qui le rend très recherché dans les industries qui nécessitent une résistance thermique.

Coût et disponibilité

En fonction des exigences spécifiques du matériau, le coût peut varier considérablement. Des matériaux de fabrication peu coûteux tels que l'acier doux ou les plastiques ABS peuvent être utilisés pour les prototypes techniques. Cependant, ils peuvent également être coûteux à long terme par rapport à la fibre de carbone ou aux alliages de haute qualité. En outre, la facilité avec laquelle un matériau particulier peut être obtenu localement affecte les délais et la portée du projet.

Usinabilité

L'une des caractéristiques de conception auxquelles correspond l'usinabilité est la facilité avec laquelle un matériau peut être coupé, percé ou façonné avec une perte minimale de géométrie de l'outil. Par exemple, les valeurs du laiton et de l'aluminium sont très élevées, les cycles de production sont donc plus rapides et les outils sont moins endommagés. En revanche, les types exotiques d'Inconel ou d'acier trempé peuvent devoir être usinés avec des outils de coupe avancés et à des vitesses lentes.

Résistance à la corrosion et à l'usure

Pour les composants fonctionnant dans des environnements très agressifs, la résistance à la corrosion devient un paramètre décisif lors du choix d'une gamme de matériaux adaptés à l'usinage CNC. Les métaux, les composites polymères, l'acier inoxydable, le titane et certains plastiques offrent une excellente résistance à la corrosion et aux produits chimiques. De même, l'acier à outils et la céramique sont plus adaptés aux applications où les frottements mécaniques répétés constituent un problème.

Exigences de la demande 

Le choix des matériaux est déterminé de manière appropriée, car l'utilisation finale de la pièce fabriquée par CNC a déjà été spécifiée. Les composants aéronautiques nécessitent des matériaux légers et très résistants, tels que le titane et l'aluminium. D'un autre côté, l'acier composite plastique pourrait être plus rentable pour l'industrie automobile. Les dispositifs médicaux doivent souvent être fabriqués à partir de matériaux robustes, légers et biocompatibles tels que le PEEK, le titane et d'autres matériaux fractionnés pour répondre à des règles de sécurité et de réglementation strictes.

Impact Environnemental

L'objectif de durabilité dans le choix des matériaux gagne en importance. Certains matériaux, comme l'aluminium ou les polymères dits « verts », sont retraités, ce qui a un impact moins négatif sur l'environnement. Parfois, on s'attend à ce que des matériaux spécifiques soient choisis pour leur production et leur élimination plus respectueuses de l'environnement au niveau de l'entreprise et de la communauté.

Un examen détaillé de ces facteurs permet de choisir des matériaux qui satisferont aux objectifs de performance, de budget et d'exploitation et qui seront fiables et utiles dans la structure examinée pendant une longue période. Aujourd'hui, grâce aux progrès de l'ingénierie des matériaux et des outils d'usinage CNC, une large gamme de matériaux pour des applications hautement spécialisées et diverses est accessible aux fabricants.

Équilibrer les propriétés des matériaux avec les exigences d'usinage

Lors de la sélection des matériaux pour un processus d'usinage ou de fabrication donné, je prends en compte les aspects mécaniques et fonctionnels ainsi que les capacités du processus d'usinage. Des facteurs tels que la dureté, la ductilité, la conductivité thermique et l'usinabilité d'un matériau donnent un aperçu de son comportement pendant l'usinage et dans l'application finale. Grâce à l'analyse de la fabricabilité, je trouve le juste équilibre entre performance et rentabilité.

Considérations de coût dans le choix des matériaux pour le tournage CNC

Selon les indicateurs sélectionnés pour les opérations de tournage CNC, les coûts sont l'un des facteurs prédominants en ce qui concerne les budgets des projets et les objectifs de qualité et de performance. De nombreuses variables fondamentales, telles que la disponibilité, la complexité du traitement et les propriétés physiques des matériaux, définissent le prix du marché des matières premières. Par exemple, les métaux courants, comme l'aluminium ou l'acier doux, ont tendance à être moins chers et, par conséquent, sont plus adaptés aux prototypes et aux séries de production en série. Les alliages avancés, cependant, comme le titane ou l'acier inoxydable, peuvent être beaucoup plus chers en raison de leur résistance élevée à la corrosion et à la corrosion, mais sont également très difficiles à usiner.

Le coût des matériaux doit, d'une part, inclure les matériaux eux-mêmes et, d'autre part, les frais généraux contrôlables tels que les déchets. Comme c'est le cas lors du tournage mécanique de haute précision, des chutes de matériaux, en particulier des métaux plus problématiques ou des formes compliquées, seront produites. D'autre part, les matériaux ayant des taux d'usinage plus faciles, tels que l'aluminium 6061 et le laiton 80-20 à usinage libre, ont tendance à réduire à la fois le temps nécessaire à l'usinage et le taux d'usure des outils, ce qui réduit également ces dépenses.

En outre, l’étude des chaînes d’approvisionnement en matériaux dans la région peut contribuer à réduire les coûts. Par exemple, les dépenses peuvent être moindres et les délais d’exécution plus courts lorsque les matériaux sont à proximité. Cependant, d’autres industries, comme l’aérospatiale ou les appareils médicaux, ont généralement besoin de matériaux comme les alliages à base de nickel, qui sont trop chers en raison de leur faible durabilité et de leurs faibles performances.

Les études les plus récentes indiquent que les coûts peuvent être réduits en utilisant de l'aluminium 7075-T6, qui coûte environ 3.50 $ la livre, au lieu de nuances de titane comme le 6A1-4V, qui coûte 20 $ la livre. Tous ces paramètres doivent être ajustés en fonction des besoins opérationnels et du résultat final, en veillant à ce que le processus de sélection des matériaux soit rentable sans sacrifier les objectifs et l'exécution du projet.

Quels sont les avantages et les inconvénients des différents matériaux pour le tournage CNC ?

Comparaison des matériaux métalliques, plastiques et composites

Tournage CNC : principes et activités communes

Les métaux que nous avons analysés ci-dessus présentent un avantage certain : leur rapport résistance/poids permet des performances plus robustes dans des environnements exigeants, et une machine CNC avec des alliages métalliques nécessite généralement des processus gourmands en énergie et donc coûteux, difficiles à justifier sur le plan économique. Il ne fait aucun doute que ces problèmes affectent le plus négativement la productivité et la durabilité économique.

Les matières plastiques

Les plastiques peuvent être très utiles pour les composants non conducteurs ou résistants à la corrosion qui obligent les entreprises à utiliser des matériaux légers. Les plastiques de qualité CNC comme l'acétal et le PEEK ont une excellente usinabilité et des caractéristiques poids/résistance adaptées. Par exemple, le Delrin a une résistance à la traction de près de 10000 14000 psi, ce qui le rend adapté aux engrenages et aux bagues. Le PEEK a une résistance à la traction de 500 XNUMX psi et peut supporter des températures allant jusqu'à XNUMX degrés Fahrenheit. Cette propriété le rend idéal pour les appareils aérospatiaux et médicaux. Normalement, le coût des matériaux et de l'usinage du plastique est moins cher que celui des métaux et est plus favorable. Cependant, les faiblesses en termes de résistance et de rigidité de composants structurels spécifiques peuvent constituer un obstacle.

Composites

Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) et les composites en fibre de verre sont des matériaux composites privilégiés pour les applications hautes performances en raison de leur excellent rapport résistance/poids. Le PRFC a une résistance à la traction de plus de 150000 5 psi tout en étant XNUMX fois plus léger que l'acier. Ces matériaux peuvent être utilisés sans effort dans les secteurs de l'aviation, du sport automobile et des énergies renouvelables. Malgré les avantages des composites, ils sont coûteux à produire et nécessitent des spécialistes pour développer des outils, ce qui peut augmenter les coûts d'usinage. De plus, leur capacité à travailler dans différentes directions s'accompagne d'une multitude de problèmes de conception et d'usinage.

Une analyse approfondie des propriétés des matériaux, telles que la résistance à la traction, la densité, le coût et l'usinabilité, permet aux ingénieurs de décider du choix du tournage CNC pour un projet donné.

Défis spécifiques aux matériaux dans le processus d'usinage CNC

1. Alliages d'aluminium

Les alliages d'aluminium sont les matériaux les plus appréciés pour les processus d'usinage CNC. Leur préférence est due à leur faible densité, à leur grande résistance à l'oxydation et à leurs excellentes propriétés d'usinage. Le point de fusion des alliages d'aluminium est assez bas, ce qui pose un problème lors de l'usinage, car la chaleur créée pendant le processus de coupe peut faire fondre les bords de l'outil de coupe, ce qui entraîne l'adhérence du matériau à l'outil au lieu d'être coupé ou de se souder par copeaux. Cela peut créer encore plus de problèmes sous la forme d'une usure accrue de l'outil et de problèmes de qualité de surface. Les recherches indiquent que ce problème peut être résolu dans une certaine mesure en optimisant les vitesses de coupe et en utilisant des outils de coupe revêtus de carbure. De plus, comme l'aluminium a une conductivité thermique élevée, un refroidissement efficace et des processus d'usinage productifs sont des caractéristiques importantes d'une performance fiable et solide lors de l'usinage des alliages à base d'aluminium.

2. Acier inoxydable

En raison de leurs caractéristiques mécaniques étonnantes, la plupart des attributs de l'acier inoxydable subissent des adversités dans le processus d'usinage CNC. Ces attributs incluent une forte usinabilité, mais les merveilleuses caractéristiques de fabrication des aciers inoxydables rendent cela contre-intuitif, car des forces de coupe importantes sont nécessaires et les performances des outils sont généralement insuffisantes. En outre, l'acier inoxydable possède un phénomène d'endurance, ce qui signifie qu'au fur et à mesure que le processus d'usinage de coupe progresse, l'acier inoxydable devient plus résistant au niveau de la surface. De plus, les recherches indiquent que des vitesses d'avance mal optimisées, combinées à l'application correcte des fluides de coupe, offrent à l'opérateur une facilité d'utilisation et augmentent la durée de vie de l'outil tout en maintenant des tolérances appropriées.

3. Alliages de titane

Doté d'une résistance et d'une stabilité thermique supérieures, le titane est largement utilisé dans les secteurs aérospatial et médical. Cependant, sa conductivité mécanique et thermique et sa tendance à revenir en arrière après la coupe rendent l'usinage beaucoup plus difficile. La surchauffe des outils est causée par la faible conductivité thermique du titane, ce qui nécessite des systèmes de refroidissement plus puissants et des vitesses de coupe plus lentes. Les recherches suggèrent que ces problèmes peuvent être résolus en appliquant des revêtements TiAlN avancés tout en utilisant des outils tranchants avec des angles de coupe faibles.

4. Matériaux composites

Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont des composites largement utilisés dans les industries spatiale et automobile en raison de leur excellent rapport résistance/poids. Ces matériaux sont beaucoup plus abrasifs que d'autres en raison des fibres intégrées et, par conséquent, l'usinage CNC devient un défi avec un potentiel élevé d'usure prématurée. De plus, les structures composites à usiner ont différentes couches qui rendent difficile l'obtention d'une finition plus fine. La mise en œuvre d'outils PCD (diamant polycristallin) avec usinage à grande vitesse s'est avérée minimiser l'usure et améliorer la précision de coupe, améliorant ainsi le processus global.

5. Métaux durs 

L'Inconel et les aciers trempés supportent certaines des conditions les plus difficiles, comme dans les aubes de turbine ou les composants automobiles, où la polyvalence et les températures extrêmes sont des catalyseurs. Ces métaux sont bien connus pour être parmi les plus difficiles à usiner en raison de leur capacité à résister à la déformation. Par conséquent, l'usinage CNC sur ces types de métaux a tendance à exercer une quantité importante de contraintes mécaniques sur l'outil et la machine. Les recherches soulignent l'utilité des outils de coupe en céramique ou en CBN (nitrure de bore cubique) et la réforme efficace des paramètres de coupe.

Les ingénieurs optimisent en permanence les processus d'usinage des métaux durs et mettent en œuvre des avancées en science des matériaux pour relever le défi de l'amélioration de l'efficacité et de la qualité finale des produits. Ces solutions « simples » à des problèmes aussi complexes peuvent aider à surveiller avec précision les paramètres d'usinage, la stratégie de parcours d'outil et même les techniques de refroidissement nécessaires.

Sélection des matériaux pour une performance et une longévité optimales

Pour des performances et une durée de vie optimales, le choix judicieux des matériaux nécessite de comprendre l'environnement de fonctionnement de l'application, les conditions de charge et la durée de service prévue. Parmi les considérations les plus évidentes figurent les propriétés mécaniques d'un matériau, telles que la résistance, la ductilité, la résistance à l'usure et à la corrosion, à la chaleur et à la fatigue. Les matériaux économiques et respectueux de l'environnement doivent également faire l'objet d'une attention telle que le coût soit équilibré par les performances. Pour effectuer des sélections aussi précises et compétentes que possible pour les mises en œuvre de projets, il convient de toujours consulter les fiches techniques des matériaux, les documents normatifs et les conseils des spécialistes.

Comment le choix des matériaux impacte-t-il les processus de tournage CNC ?

Effets du choix des matériaux sur les outils de coupe et les pièces de machines

Le choix du matériau a un effet significatif sur l'usure de l'outil, l'efficacité du processus d'usinage et la durée de vie opérationnelle des pièces de la machine pendant les opérations de tournage CNC. L'augmentation de la ténacité des matériaux usinables, par exemple en utilisant de l'acier inoxydable ou du titane, augmente le taux d'usure de l'outil de coupe, ce qui est dû à des résistances de coupe plus élevées de l'outil. D'autre part, les matériaux usinables tels que l'aluminium, qui sont plus tendres que les outils de coupe, ont tendance à s'user moins mais peuvent nécessiter des revêtements supplémentaires sur les outils à des fins d'adhérence. Certains matériaux peuvent être très abrasifs et provoquer l'usure des pièces usinables et des outils, ce qui, s'il n'est pas contrôlé, peut endommager la machine. Il faut s'assurer que les matériaux sélectionnés pour la pièce peuvent être usinés par la machine disponible et que les outils de coupe peuvent résister aux matériaux de la pièce. Ces mesures permettent d'atteindre les performances souhaitées à un coût raisonnable.

Réglage des paramètres d'usinage CNC pour différents matériaux

Lors de l'usinage de matériaux différents, il est essentiel de modifier des paramètres tels que la profondeur de coupe, l'avance, la vitesse de coupe et l'application du liquide de refroidissement pour permettre une coupe précise tout en contrôlant l'usure de l'outil. Par exemple, les matériaux plus exigeants comme le titane ou l'acier inoxydable doivent être coupés à des vitesses plus faibles pour éviter la surchauffe et prolonger la durée de vie de l'outil. Pour les alliages de titane, des vitesses de coupe de 30 à 50 mètres par minute (m/min) sont la norme ; l'acier inoxydable a une tolérance plus élevée de 60 à 120 m/min selon la nuance et l'outillage.

En revanche, les matériaux plus tendres comme l'aluminium peuvent être découpés à des vitesses beaucoup plus élevées, parfois jusqu'à 600-1,000 0.08 m/min si des outils en carbure sont utilisés. Comme pour la vitesse de coupe, la vitesse d'avance doit également être contrôlée, les matériaux plus rigides nécessitant des vitesses d'avance plus lentes pour conserver leurs dimensions et leur état de surface. Pour l'acier inoxydable, les vitesses d'avance entre 0.3 et 0.1 millimètres par tour (mm/tr) sont standard, tandis que l'aluminium peut être découpé à des vitesses de 0.5 à XNUMX mm/tr.

Une autre variable cruciale est la profondeur de coupe. Les matériaux plus rigides nécessitent des profondeurs de coupe plus fines pour éviter d'endommager l'outil de coupe. Par exemple, les passes d'ébauche sur l'acier peuvent nécessiter une profondeur de 2 à 5 mm, tandis que des profondeurs plus importantes sont facilement acceptées par l'aluminium et les plastiques.

En usinage, le liquide de refroidissement joue un rôle essentiel dans la gestion thermique. Pour les alliages plus complexes ou résistants à la chaleur, des systèmes de refroidissement par inondation ou à haute pression sont utilisés dans la CNC pour dissiper la chaleur et augmenter la durée de vie de l'outil. Pour les matériaux non ferreux comme l'aluminium, les liquides de refroidissement par brouillard ou par air peuvent réduire l'adhérence des copeaux et préserver le revêtement de l'outil.

L'utilisation de matériaux et de réglages appropriés permet d'obtenir une grande précision dans l'usinage tout en garantissant des cycles plus productifs, en réduisant les coûts de remplacement des outils et l'efficacité globale de l'usinage CNC.

Techniques de finition spécifiques aux matériaux dans le tournage CNC

La qualité globale des finitions dans le tournage CNC est grandement affectée par le matériau utilisé et la technique de finition appropriée. En effet, les différents matériaux ont des caractéristiques distinctes qui déterminent le type de coupe, les outils et les procédures de finition utilisés. Vous trouverez ci-dessous quelques techniques de finition spécifiques aux matériaux :

Techniques de finition de l'acier

En raison de la résistance et de la dureté de l'acier, son usinage économique fait souvent appel à des outils de coupe durables en carbure ou en céramique. Pour la finition des aciers alliés, diverses méthodes peuvent être employées, notamment des abrasifs à grains fins et des composés de polissage pour lisser la surface. De plus, le rodage ou le meulage peuvent être utilisés principalement pour les applications nécessitant une tolérance serrée. Certaines études montrent que le broutage et d'autres défauts de surface sont moins fréquents lorsque des vitesses de coupe faibles et des vitesses d'avance élevées sont utilisées. En effet, une fidélité et une précision dimensionnelle supérieures sont obtenues.

Techniques de finition de l'aluminium

Étant un métal relativement tendre, l'aluminium est parfois sujet à des problèmes tels que des rayures de surface et la formation de copeaux pendant l'usinage. Il est essentiel de sélectionner des outils de coupe correctement conçus avec des lames polies pour réduire la formation de bords accumulés. Les outils revêtus de carbone de type diamant sont plus lubrifiants, ce qui améliore la finition de surface des bords. Le micro-ponçage, ou le tonnelage vibratoire, est effectué pour la finition, donnant des valeurs Ra aussi basses que 0.2 µm, ce qui convient aux composants aérospatiaux et automobiles.

Techniques de finition du titane

En raison de la faible conductivité thermique du titane par rapport à son rapport résistance/poids élevé, il est difficile à graver et à couper. Il est généralement recommandé pour une meilleure surface pour les opérations à passes multiples, bien que des coupes légères et des vitesses faibles pendant la coupe soient également assez efficaces. Les carbures revêtus sont de bons outils car ils peuvent résister à la chaleur produite pendant la coupe. En tant qu'étape de post-finition, les techniques de grenaillage ou d'électropolissage améliorent encore la finition en éliminant les petites surfaces indésirables et en augmentant la résistance à l'oxydation.

Méthodes de finition des plastiques

En tant que matériaux non métalliques, des mesures spécifiques concernant les vitesses de coupe et le tranchant des outils doivent être utilisées afin d'éviter la fusion et la déformation de la pièce. La méthode de finition préférée des plastiques de qualité optique est le tournage diamanté à pointe unique, avec des finitions de surface de Ra inférieures à 0.1 µm. Le polissage – avec certains composés spéciaux – est un autre moyen possible d'améliorer la clarté et la douceur lors de l'utilisation de machines CNC pour la sculpture sur plastique dans l'électronique et les biens de consommation.

Administration des outils Revêtement

Les avancées dans le domaine des revêtements d'outils hautes performances CVD TiAlN ont montré un grand potentiel en améliorant la finition des outils de toute une gamme de matériaux. De plus, une gestion efficace de l'application du liquide de refroidissement pendant les processus de finition peut améliorer les facteurs de distorsion thermique jusqu'à 30 %, ce qui se traduit par une meilleure qualité de finition de surface et une réduction de l'usure des outils.

Cela peut être réalisé en appliquant des techniques de finition spécifiques aux matériaux et des technologies d'aide avancées, qui permettent aux fabricants de produire de telles pièces sans limites de quantité et à moindre coût. Une finition appropriée permet non seulement de répondre aux exigences de surface, mais également d'améliorer considérablement les qualités fonctionnelles des composants usinés.

Quelles sont les dernières tendances en matière de matériaux pour le tournage CNC ?

Matériaux émergents dans l'usinage CNC : propriétés et applications

Alliages de titane

• Caractéristiques : Les utilisations de l'alliage de titane incluent la prédominance des attributs de résistance à la corrosion, le point de fusion élevé et le rapport résistance/poids, ce qui les rend idéaux pour les utilisations nécessitant des conditions environnementales extrêmes.
• Utilisation : En raison de son excellente biocompatibilité, on l'utilise dans les outils chirurgicaux, les implants orthopédiques et les alliages de titane sont largement utilisés dans les composants aérospatiaux et les pièces automobiles.

Données clé:

• Résistance à la traction: 1,400 MPa
• Densité: 4.5 g / cm³
• CFRP (plastiques renforcés de fibres de carbone)
• Caractéristiques : Le CFRP a une structure légère, une résistance élevée à la traction, une résistance à la fatigue et à la dégradation chimique, et des performances élevées par rapport aux autres matériaux.
• Utilisation : Les équipements sportifs et les accessoires structurels des automobiles et des avions hautes performances sont les principales utilisations du PRFC.

Données clé:

• Rapport résistance à la traction/poids : 10 fois plus élevé
• Densité : ~1.6 g/cm³
• Superalliages à base de nickel
• Caractéristiques : Il peut résister à des températures élevées sans éraflures ni craquements. D'autres caractéristiques incluent une résistance à l'oxydation et une excellente déformation sous charge, ce qui est idéal pour les environnements thermiques extrêmes.
• Utilisation : Appliqué dans les pales de turbines, de moteurs et d'avions à réaction ainsi que dans les dispositifs d'ingénierie des procédés chimiques.

Données clé:

• Plage de fusion : 1350°C à 1400°C
• Densité : 8.4 – 9.0 g/cm³
• Le PEEK, le PTFE et d'autres plastiques techniques présentent une résistance mécanique élevée avec une stabilité thermique et des facteurs de croissance remarquables, ce qui rend le plastique technique attrayant.
• D'autres applications incluent les pièces électriques, les appareils médicaux et les machines légères. Dans les secteurs de l'aérospatiale et des semi-conducteurs, le PEEK est particulièrement prisé.

Données clé: 

• Température de fonctionnement (PEEK) : 260 degrés Celsius
• Densité (PTFE) : 2.2 g/cm³

Aciers à outils 

• Propriétés : Ces aciers possèdent une ténacité exceptionnelle, une résistance à l'usure et à la déchirure et des niveaux de résistance élevés même lorsqu'ils sont déformés. Dans des conditions difficiles, ces aciers conservent leurs attributs de performance, ce qui les rend idéaux pour l'usinage à haute contrainte.
• Applications : Idéal pour les outils de coupe, les matrices et les moules d'usinage CNC.

Données clé: 

• Dureté (HRC) : 68 ou plus
• Résistance à la traction: 2000 MPa
• Alliages d'aluminium
• Propriétés : Les alliages d'aluminium sont assez légers tout en possédant une excellente conductivité thermique et une grande résistance à la corrosion. Ils sont également peu coûteux et faciles à usiner, ce qui les rend très utiles pour le travail CNC.
• Applications : Commun dans les marchés de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'électronique grand public.

Données clé: 

• Densité: 2,7 g / cm³
• Résistance à la traction (alliage 6061) : 310 MPa

Ces matériaux émergents permettent aux tissus de satisfaire à des normes opérationnelles spécifiques tout en essayant de suivre le progrès technologique. Chaque matériau offre des avantages uniques adaptés à des applications particulières. Les conceptions impliquant un conducteur CNC pour fonctionner de manière exceptionnellement simple et fiable peuvent utiliser ces matériaux spécifiques.

Les progrès de la science des matériaux impactent le tournage CNC

L'amélioration de la science des matériaux a considérablement influencé les opérations de tournage CNC, permettant la production de composants précis, durables et performants. À l'ère moderne, une plus grande attention est portée aux nouveaux matériaux et aux processus d'usinage correspondants pour satisfaire aux besoins industriels plus stricts.

Les superalliages modernes Inconel et Hastelloy, par exemple, représentent une avancée technologique. Ces matériaux sont indispensables pour les industries aérospatiale et énergétique en raison de leur incroyable résistance à la chaleur et à la corrosion. Prenons par exemple les pales de turbines aérospatiales modernes. L'alliage Inconel 718 est assez courant. Non seulement il résiste aux températures extrêmes, mais il présente également une résistance à la traction de plus de 1000 700 MPa à XNUMX °C. Les matériaux d'outillage tels que le diamant polycristallin (PCD) et le nitrure de bore cubique (CBN) ont également contribué à moderniser l'usinage des matériaux résistants.

Les matériaux composites, comme les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC), représentent une autre avancée majeure. Bien que les PRFC présentent un rapport résistance/poids exceptionnel, ils posent des problèmes dans le tournage CNC car ils sont très abrasifs. Les progrès des outils de coupe, notamment les outils revêtus de diamant et les vitesses d'avance optimisées, ont permis d'améliorer considérablement l'efficacité d'usinage et la qualité de surface de ces composites. Les PRFC sont désormais largement utilisés pour les composants automobiles en raison de leur légèreté et de leur meilleur rendement énergétique.

De plus, les métaux traditionnels bénéficient de nouveaux traitements de surface et de nouveaux revêtements qui élargissent leur utilisation. Par exemple, les alliages de titane, autrefois utilisés dans les avions et désormais associés à des revêtements nanométriques nouvellement structurés, présentent une meilleure résistance à l'usure et sont plus usinables. Le titane de grade 5 (Ti-6Al-4V) en est un exemple, souvent utilisé pour les implants médicaux et les composants des engins spatiaux. Ces alliages métalliques ont une densité de 4.43 g/cm³ et une résistance à la traction allant jusqu'à 950 MPa ; ainsi, des pièces en aluminium à la fois légères et solides peuvent être facilement usinées.

Des composites à matrice métallique (MMC) ont également été développés, intégrant des matériaux métalliques à des renforts en céramique pour obtenir des composites solides et thermiquement stables. Par exemple, les MMC en aluminium renforcés au carbure de silicium offrent une résistance à la traction de 300 à 600 MPa et des caractéristiques thermiques améliorées, ce qui les rend idéaux pour les pièces de moteurs et de systèmes qui perdent de la chaleur.

Ces nouveaux matériaux, associés à de nouvelles méthodes d'outillage et d'outils CNC, sont différents de ce qui était auparavant possible avec les tours CNC. Les matériaux difficiles peuvent désormais être travaillés avec une plus grande précision, une plus grande productivité et une usure moindre des outils, offrant ainsi des composants de meilleure qualité pour des applications avancées.

Comment puis-je optimiser l'utilisation des matériaux dans les projets de tournage CNC ?

Stratégies de réduction du gaspillage de matériaux dans l'usinage CNC

Optimisation de la conception des pièces

Concentrez-vous sur la conception de pièces plus efficaces en termes de géométrie et de complexité des fonctionnalités. Appliquez les techniques de conception pour la fabrication (DFM) pour utiliser le moins de matière possible sans compromettre l'objectif de la conception.

Planification efficace des parcours d'outils

Utilisez les technologies de construction CAO/FAO modernes pour créer des parcours d'outils qui exploitent au mieux les matériaux disponibles et produisent le moins de rebuts. Il peut s'agir de techniques d'imbrication et de stratégies de coupe adaptatives qui peuvent réduire considérablement les déchets.

Sélection de la bonne taille de matériau

Utilisez des matières premières dont la taille est plus proche de celle de la pièce finie pour garantir que moins de matière est gaspillée pendant les processus d'usinage.

Recyclage et réutilisation des déchets

Les chutes et les matériaux restants doivent être collectés et recyclés pour des projets futurs chaque fois que cela est raisonnable. Cela permet de minimiser les déchets et de réduire les dépenses globales en matériaux.

Utilisation de pratiques d'usinage de précision

Réglez correctement toutes les machines et tous les outils pour obtenir les coupes correctes, car cela améliorera les chances d'obtenir la coupe appropriée et réduira le gaspillage de matériaux.

L’application de ces techniques améliore la gestion des coûts des fabricants et contribue à atteindre la durabilité tout en maintenant des normes de production élevées.

Considérations sur le recyclage et la durabilité dans le choix des matériaux

Choisissez plutôt des matériaux recyclables et renouvelables, et ceux qui ont déjà été transformés. L’aluminium et l’acier sont des matériaux remoulés populaires et bien adaptés à la fabrication durable. Dans la mesure du possible, des matériaux biodégradables, plus précisément certains polymères et fibres naturelles, doivent être utilisés. Examinez et étudiez les analyses du cycle de vie de la production de matériaux pour comprendre l’impact environnemental et travaillez avec des fournisseurs engagés dans des pratiques durables telles que la certification des matériaux et l’approvisionnement éthique. Cela minimise les préoccupations écologiques tout en répondant aux besoins de fabrication.

Choix de matériaux rentables pour différents volumes de production

Les projets de finition avec de faibles volumes de production nécessitent des matériaux d'usinage CNC économiques qui ne nécessitent pas d'investissement initial important. Il s'agit par exemple de matériaux fabriqués ou de taille standard qui génèrent moins de déchets lors de l'usinage et coûtent moins cher.

Pour des volumes de production moyens, privilégiez des matériaux avec un rapport coût/performance moyen, comme les plastiques techniques ou les alliages ayant une durabilité suffisante mais qui ne coûtent pas trop cher.

Les volumes de production élevés bénéficient grandement des économies d'échelle, car ils permettent de compenser les dépenses liées à l'utilisation de matériaux haute performance ou formulés sur mesure. Une grande quantité de matériaux, par exemple des composites avancés ou des métaux spécialisés, peut être achetée à un prix raisonnable, ce qui réduit le coût de chaque unité et garantit que les besoins de production et de qualité sont satisfaits.

Foire Aux Questions (FAQ)

Q : Quels sont les matériaux les plus couramment utilisés dans l’usinage CNC ?

R : Les matériaux CNC les plus courants comprennent à la fois des variétés métalliques et plastiques. L'aluminium, l'acier inoxydable, l'acier au carbone, le laiton et le titane sont quelques-uns des métaux généralement choisis pour ce processus. L'ABS, le polycarbonate, le nylon et l'acétal sont quelques-uns des matériaux plastiques préférés pour l'usinage CNC. Ces substances ont diverses propriétés, ce qui les rend adaptées à différents projets d'usinage CNC.

Q : Comment puis-je choisir le bon matériau d'usinage CNC pour mon projet ?

R : Pour choisir les bons matériaux pour une machine CNC, il faut tenir compte de facteurs tels que l'utilisation prévue de la pièce, la résistance requise, les restrictions de poids, la résistance à la corrosion et le budget. Comprenez l'usinabilité du matériau, car il est plus facile d'usiner des matériaux que d'autres types. Demandez l'avis de professionnels de prestataires de services proposant l'usinage CNC pour choisir ce qui convient aux besoins particuliers de votre projet en ce qui concerne la composition du matériau.

Q : Quels sont les types de plastiques généralement utilisés dans l’usinage CNC ?

R : L'ABS, le polycarbonate, le nylon, l'acétal (Delrin), le PEEK et l'UHMW sont des matières plastiques couramment utilisées dans l'usinage CNC. Elles présentent des caractéristiques différentes telles que la résistance, la flexibilité ou la résistance chimique. Si vous avez besoin d'un prototype fabriqué à partir de pièces en plastique, optez pour l'ABS. Si vous avez besoin de solidité et de résistance à l'usure, choisissez le nylon. Le polycarbonate peut être utilisé lorsque la clarté optique et la résistance aux chocs sont nécessaires. Par conséquent, il est largement utilisé dans diverses applications de fraisage et de tournage CNC, où l'on traite du plastique par usinage CNC.

Q : Pourquoi utiliser l’acier au carbone dans l’usinage CNC ?

R : En raison de sa résistance, de sa durabilité et de sa rentabilité, l'acier au carbone est souvent un choix populaire pour ce type de processus d'usinage et, à ce titre, il est considéré comme l'une des options préférées pour les métaux tendres. Il est couramment utilisé dans les pièces à haute résistance à la traction et à dureté. L'acier au carbone peut être durci par traitement thermique, ce qui lui confère des propriétés souhaitables. Même s'il n'offre pas la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable, il est idéal pour les situations où l'on a besoin d'un matériau solide, car la plupart des machines-outils et des équipements industriels en sont fabriqués.

Q : Quel effet le choix des matériaux a-t-il sur le processus d’usinage CNC ?

R : L'usinage CNC est grandement affecté par le choix du matériau. Différents matériaux nécessitent des outils, des vitesses de coupe et des vitesses d'avance spécifiques. Par exemple, les matériaux plus durs nécessitent des vitesses de coupe plus lentes et un outillage plus résistant, tandis que les matériaux plus tendres peuvent être usinés plus rapidement. De plus, les propriétés du matériau affectent également les tolérances qui peuvent être atteintes et les finitions de surface qui peuvent être obtenues. Le bon choix de matériau CNC améliorera la qualité globale des pièces tout en maximisant l'efficacité de l'usinage et en prolongeant la durée de vie de l'outil.

Q : Quels facteurs dois-je prendre en compte lors du choix du métal et du plastique pour mon projet d’usinage CNC ?

R : Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors du choix entre les métaux et les plastiques pour votre projet d'usinage CNC, notamment les exigences de résistance, les limites de poids, les conditions environnementales et le coût, entre autres. Les métaux ont généralement une résistance et une résistance à la chaleur supérieures à celles des plastiques ; ils sont donc plus adaptés aux composants structurels ou aux applications à fortes contraintes. Les plastiques sont légers et moins résistants à la corrosion, tout en étant généralement moins chers. En fonction de facteurs tels que les propriétés mécaniques, la résistance chimique souhaitée ou les objectifs esthétiques, choisissez le métal ou le plastique comme meilleure source de fabrication possible pour vos besoins en machines CNC afin d'atteindre parfaitement vos objectifs.

Sources de référence

1. « Comparaison du taux d'enlèvement de matière de l'alliage d'aluminium AA6082 entre un nouvel outil revêtu d'AlTiN et un outil en carbure non revêtu dans le tournage CNC » par Venkata Ganga Babu Cheekatla et D. Vinodh (2022)

Principales conclusions :

• Cette étude vise à considérer les taux d’enlèvement de matière (MRR) pour l’alliage d’aluminium 6082 usiné avec différents outils de revêtement.
• Les résultats montrent que l'outil revêtu d'AlTiN surpasse l'outil en carbure non revêtu en ce qui concerne le MRR, c'est-à-dire 0.19745 gm/s contre 0.16110 gm/s, respectivement, ce qui indique une bonne amélioration des performances grâce au revêtement sur le processus d'usinage.

Méthodologie:

• Les deux outils ont été utilisés pour effectuer des opérations de tournage sur l'alliage d'aluminium AA6082. Des mesures MRR ont été effectuées et des analyses statistiques ont été menées pour déterminer si les différences observées étaient significatives.

2. Titre de l'article : « Optimisation expérimentale des paramètres de tournage de haute précision des matériaux AL6061 pour l'industrie automobile basée sur l'analyse relationnelle grise » Par J. Puoza et al. (2023).

Principales conclusions

• Cette recherche présente une étude d'optimisation des paramètres de tournage de l'alliage d'aluminium AL6061, l'un des matériaux les plus couramment utilisés dans l'industrie automobile. Il est apprécié pour ses propriétés mécaniques et son usinabilité favorables.
• Il a été démontré que des vitesses de coupe et des taux d’avance optimaux ont été atteints, ce qui a entraîné une erreur dimensionnelle minimale et une microdureté de surface améliorée.

Méthodologie

• Les auteurs ont mené leur étude en utilisant une approche de conception composite centrale (CCD) pour découvrir comment différents paramètres d'usinage affectaient les performances de l'AL6061 pendant le processus de tournage en utilisant la méthodologie de surface de réponse (RSM).

3. Titre : Rahul Sharma et al. (2021). « Optimisation des paramètres du processus d'usinage de l'alliage d'aluminium AA6262 T6 pour le tournage CNC grâce à l'analyse relationnelle grise »

Principales conclusions :

• Cet article vise à optimiser les paramètres d’usinage de l’alliage d’aluminium AA6262 T6, qui est hautement usinable et résistant.
• Ces résultats révèlent que l’optimisation de la vitesse d’avance, de la vitesse de coupe et de la profondeur de coupe peut considérablement améliorer la rugosité de la surface et le taux d’enlèvement de matière.

Méthodologie:

• Les chercheurs ont utilisé l'analyse relationnelle Grey (GRA) pour optimiser les paramètres de tournage en menant des expériences impliquant des plaquettes en carbure non revêtues dans des conditions de coupe à sec.

4. Fournisseur leader de services de tournage CNC en Chine