On attirera l’attention sur le fait que cet article s’appuie entièrement sur de la documentation technique du carburier SANDVIK COROMANT qui consigne régulièrement les résultats de son expérience et de celle menée en coopération des plus grands utilisateurs de ses produits. Pour cette raison, les informations réunies ici sont particulièrement fiables et directement exploitables. Bien entendu, les Lecteurs intéressés sont invités à prendre contact avec le carburier pour toutes questions complémentaires pratiques qu’il souhaiterait lui poser.

Cette étude apporte, pour l’usineur confronté à l’usinage de pièces en alliage de titane majoritairement destinées à des opérations de tournage, un ensemble d’informations devant lui permettre d’éviter des expériences décevantes en tentant de faire largement appel à son savoir-faire de l’usinage des aciers. En effet, le titane est un métal exigeant de respecter des règles sévères, notamment en matière d’outils et de paramètres de coupe, sans insister sur l’abondance de l’arrosage.

L'usinage du titane est plus exigeant que ne l'est celui des aciers “classiques” ou de ceux inoxydables. C'est la raison pour laquelle on considère souvent que le tournage du titane est une opération “problématique”. Cela peut se comprendre quand on voit que les débits copeaux sont de l'ordre de seulement 25 pour cent de ceux des aciers usuels et inoxydables les plus courants. Toutefois, si l'opération est correctement planifiée et si un certain nombre de paramètres sont pris sérieusement en considération, on peut améliorer les performances d'usinage et obtenir des gains de productivité non négligeables.


Outils et techniques d'usinage
Le choix de l'outil s’exerce en fonction de 1) la forme de la plaquette (avec les mêmes nuance et géométrie, la forme de plaquette choisie peut jouer sur la durée de vie d'outil en la multipliant jusqu'à huit fois), 2) la microgéométrie et la nuance pour optimiser la durée de vie d'outil en fonction de l'opération, 3) la macro-géométrie qui doit avoir été développée pour permettre une production sans ennui lors de l’usinage. On doit, par ailleurs, faire appel à un réfrigérant sous haute pression (de l’ordre de 200 bars) pour constituer une étape finale d'optimisation capable d’autoriser une augmentation de la vitesse de coupe de 50 pour cent supplémentaires.


Propriétés et groupes de titane
Le titane est un matériau couramment utilisé dans les industries aéronautiques et chimiques, ainsi que dans le domaine médical. Son emploi s'explique principalement par son excellente résistance à la corrosion et son très bon rapport résistance/poids. Sa densité est, en effet, de 60 pour cent de celle des aciers et sa haute résistance s’explique par son module d'élasticité de 55 pour cent de celui des aciers inoxydables. De même, sa résistance à la corrosion est nettement meilleure que celle des aciers inoxydables.

Les alliages de titane peuvent être classés en quatre groupes distincts. 1) Les titanes non alliés qui offrent une excellente résistance à la corrosion mais une faible résistance. Ils sont très répandus dans les applications cryogéniques. 2) Les alliages à structure alpha qui, grâce leurs éléments stabilisateurs alpha, offrent une excellente résistance à l'allongement. Ils sont également très répandus dans les applications cryogéniques. 3) Les alliages à structure Alpha Bêta (alliages a-13) qui comportent des éléments stabilisateurs alpha et bêta. C'est le groupe le plus utilisé dans l'industrie aéronautique. 4) Les alliages à structure bêta qui, grâce à leurs stabilisateurs bêta, présentent une excellente aptitude à la trempe et une forte résistance mais, également, une plus forte densité. Ils sont utilisés dans les applications nécessitant une forte résistance et aussi pour sa bonne forgeabilité. Le type de titane le plus courant est celui alpha bêta, en particulier Ti-6al4V (Ti-64, nuance 5), qui représente plus de 50 pour cent du tonnage de titane produit dans le monde, ce qui a conduit à ce que l’objet de cette étude se réfère à ce groupe.


Usinage du titane
On précisera que le titane utilisé dans l'industrie aéronautique est principalement de condition forgé et les pièces sont très souvent usinées par tournage, compte tenu de leur forme et de leur taille. Il n'est pas rare que 50 à 80 pour cent de la matière de départ soient enlevés par usinage ébauche pour obtenir la pièce finie. La séquence d'usinage se divise en trois étapes, chacune imposant des contraintes différentes à l'outil et à la qualité de surface pouvant être obtenue. Voici les caractéristiques de chacune de ces étapes:

✔ L’ébauche va jusqu’à une profondeur de coupe de 10 mm. C'est à ce stade qu'il faut enlever la “peau d'éléphant” très dure. Cette opération a généralement lieu à la forge, sous la forme d'ébauches de pièces à l'état recuit ou trempé avec des nuances de carbure non revêtues, des profondeurs de passes importantes et de faibles vitesses de coupe. Les formes sont simples et l’on utilise des porte-outils de tournage général standard. Un prélèvement sous forme d'un anneau est effectué à ce stade sur toutes les pièces critiques pour analyse de la matière.

✔ La semi-finition implique des profondeurs de passes comprises entre 0,5 et 4 mm. La matière à usiner se trouve principalement à l'état traité en solution qui est son état définitif et l'usinage implique le profilage de la pièce à des profondeurs de coupe variables avec des tolérances moyennes. Du fait de la forme complexe des pièces, de nombreuses opérations d'usinage de poches et de profilage peuvent être impliquées qui nécessitent des porte-outils et, quelquefois, des plaquettes spéciales, en particulier pour les gorges.

✔ La finition a lieu à des profondeurs de passes entre 0,2 et 0,5 mm. C'est à ce stade qu'on enlève le moins de matière mais que les exigences sont les plus élevées en ce qui concerne l'état de surface. Les dernières passes avant obtention de la forme définitive sont sujettes à des prescriptions très strictes concernant la qualité de la surface usinée. Les outils, les trajectoires d'outils et les conditions de coupe sont, parfois, limitées par le donneur d'ordres pour toutes les pièces critiques.








Tableaux 1 - Critères décrivant le rapport existant entre l’usinabilité des alliages de titane et l’outil qui sera utilisé pour les usiner.






Etat de la matière première sortant d’une opération de forgeage se prêtant mal à l’usinage
La croûte de fonderie que l'on trouve sur les pièces issues de la forge est extrêmement difficile à usiner. Elle est appelée “peau d'éléphant” du fait de sa couleur et de sa texture. L'enlèvement de cette croûte est la partie la plus difficile de toute opération d'usinage initiale: elle impose à la fois à la géométrie et à la nuance de l'outil de coupe des exigences particulièrement élevées. Les alliages de titane sont, en général, usinés à l'état recuit ou mis en solution et vieilli, leur dureté pouvant varier entre 300 et 440 Brinell. La mise en solution et le vieillissement aident à augmenter la résistance d'ensemble de la pièce finie et, simultanément, relaxent les contraintes internes.

De nombreuses pièces usinées en titane et dans ses alliages exigent un état de surface absolument irréprochable que l’on mesure à la fois au niveau de la couche superficielle et des couches inférieures (zone de déformation et contraintes résiduelles). Si une chaleur excessive est générée par des vitesses de coupe trop élevées ou par des outils émoussés, des couches blanches de différentes duretés peuvent survenir en surface. Les conditions de coupe pour les opérations de finition, aussi bien avec des arêtes neuves qu’avec des arêtes usagées, provoquent des contraintes résiduelles et une profondeur de déformation dans les tolérances.


Effet survenant entre l’usinabilité et les outils de coupe
Le rapport entre l’usinabilité de la matière et les outils de coupe est mis en évidence par les deux tableaux de la page ci contre. Les nuances qui répondent le mieux à ces critères sont les carbures à grains fins non revêtus avec différentes teneurs en cobalt en fonction de la ténacité requise. Généralement on ne trouve aucun avantage direct à utiliser des nuances revêtues, que le revêtement soit appliqué par procédé CVD ou par procédé PVD car, dans tous les cas, l'usure en cratère chimique enlève le revêtement.


Développement des mécanismes d'usure qui affaiblissent l’outil de coupe
La température générée lors de l'usinage du titane est particulièrement élevée, principalement du fait de sa haute résistance propre alliée à sa faible conductivité thermique. La chaleur qui se développe est concentrée car les copeaux fortement contraints présentent une faible longueur de contact avec la face de coupe de l'outil. On soulignera pour expliquer cette situation que cette longueur de contact est seulement égale à 50 pour cent de celle rencontrée dans des conditions similaires d’usinage dans les aciers.

Le phénomène d'usure spécifique aux alliages de titane est appelé “usure chimique en cratère”. Le phénomène s’explique par l’affinité chimique survenant au cours de l’usinage entre le titane et le carbure entrant dans la constitution de l'outil de coupe. Cette réaction chimique qui affaiblit l’outil, en fin de compte, a pour effet d’endommager le carbure. La réaction enregistrée est proportionnelle à la température dans la zone de coupe. Des revêtements effectués sur le titane sont, de la même manière, soumis à ce phénomène d'usure en cratère chimique avec pour effet un écaillage quasi immédiat. Afin de donner une idée précise, le tableau 2 cidessus indique les mécanismes d’usure types assortis des conditions de coupe et des caractéristiques de la nuance utilisée.

Tableau 2 - Mécanismes d’usure types en usinage des alliages de titane


Choix de l'angle d'attaque et ses conséquences
Choix de la forme de plaquette - L'angle d'attaque (κr), l'avance (fn) et l'épaisseur des copeaux (h), choisis pour l'usinage des alliages de titane sont des facteurs clés pour l'obtention de bonnes performances et d'une productivité élevée. Les schémas d'usure en usinage du titane indiqués sur le tableau 2, usure en cratère et déformation plastique, sont inévitables quel que soit l'angle d'attaque de la plaquette mais la vitesse à laquelle se développe cette usure, ainsi que la productivité globale, varient considérablement en fonction de la chaleur générée. Pour maîtriser le développement de cette chaleur et conserver des performances élevées, on doit trouver un équilibre entre vitesse de coupe, épaisseur des copeaux et profondeur de passe. Passé certaines limites, la chaleur générée entraîne une forte baisse de la durée de vie d'outil.

Comme le montre le tableau 3, en réduisant l'angle d'attaque, l'épaisseur des copeaux peut être réduite et la longueur de l'arête de coupe augmentée, ce qui permet de diminuer la chaleur générée localement et, ainsi, de réduire l'usure. Le tableau fait ressortir comment le choix de la plaquette et du porte-plaquette influe sur l'épaisseur des copeaux et sur la longueur de contact tout en conservant la même profondeur de coupe. Le graphique sous ce tableau illustre les résultats d'essais de durée de vie d'outil avec une vitesse de coupe, une avance et une profondeur de passe constantes, ainsi qu'avec la même nuance. En changeant uniquement la forme de la plaquette et, par conséquent, l'angle d'attaque et la longueur de contact, les résultats peuvent varier avec un facteur pouvant aller jusqu'à 8 comme le font ressortir les trois vues ci-dessous.


Même lorsque la présence de rayons sur une pièce en limite l'accessibilité, pour les longues passes, il est toujours avantageux d'utiliser des plaquettes rondes ou carrées du fait des vitesses de coupe et des avances plus élevées qu'elles autorisent. Les coins peuvent toujours être usinés lors d'une seconde opération. L'état de surface généré dépend directement du rapport entre la taille du rayon de bec et l'avance. Pour obtenir un état de surface défini, un petit rayon de bec nécessiterait une avance plus faible qu'un grand rayon de bec, ce qui, en pratique, se traduirait par une faible productivité. C'est pourquoi, pour obtenir une productivité optimale, le rayon de bec doit être aussi grand que possible, ce que permettent les plaquettes rondes. Autrement dit, le choix de la forme de la plaquette en tournage du titane est capital pour la productivité de l'opération et constitue la première étape. En ébauche, pour obtenir de bonnes perfor mances et une bonne productivité, le choix, si possible, est celui de plaquettes rondes ou carrées. La plaquette carrée (fig. 1) convient pour les grandes profondeurs de coupe en ébauche du fait d'un kr constant et d'une capacité ap élevée. La plaquette ronde (fig. 2) convient pour les petites profondeurs de coupe en semi-finition où la surépaisseur d'usinage est réduite avec une très bonne accessibilité en profilage et en usinage de poches et une capacité de prendre de fortes avances.

Pour les pièces à parois minces, il convient de prendre en compte les efforts de coupe. Les plaquettes rondes et carrées génèrent, en effet, des efforts de coupe radiaux élevés pouvant entraîner une flexion de la pièce. En ce cas, il faut adopter un angle d'attaque (kr) de 90°, un petit rayon, par exemple 0,4 ou 0,8 mm, une géométrie positive, par exemple de 23° et des avances faibles, par exemple de 0,15 mm/t, l'avance ayant un effet plus important sur les efforts de coupe radiaux que la vitesse de coupe.


Plaquettes rondes et mise en œuvre
Les plaquettes rondes ont un angle d'attaque variable à l’inverse des plaquettes standard de type SNMG ayant un angle d'attaque constant, le plus petit étant de 45° quelle que soit la profondeur de coupe. L'angle d'attaque d'une plaquette ronde se situe dans la plage 0 à 90° en fonction du rapport profondeur de coupe/diamètre. La profondeur de coupe maximale ne doit pas dépasser 25 pour cent du diamètre de la plaquette si l’on ne veut pas risquer de faire naître des vibrations.

Une difficulté rencontrée avec les plaquettes rondes en cas de plongée ou de profilage dans les coins est ce que l’on appelle l’enfermement (fig. 3). Une grande surface de la plaquette est alors en contact au même moment, entraînant des pressions de coupe élevées. Il est alors nécessaire de réduire l'avance. Toutefois, si elle est trop réduite, il s'ensuit des vibrations. Pour réduire ce risque, le diamètre de la plaquette doit être aussi petit que possible en fonction du rayon à usiner. Il est donc recommandé: 1) de ne jamais plonger directement et d’usiner en pente ou de profiler autour du rayon à la profondeur de coupe voulue, 2) de viser un rayon de profilage qui ne soit pas inférieur au diamètre de la plaquette. C’est possible, soit en augmentant le rayon, soit en réduisant le diamètre de la plaquette. Après ébauche du dégagement à la profondeur voulue, les raccordements peuvent alors être usinés à la taille de rayon souhaitée.

Fig. 3 - Situations dites d’enfermement d’une plaquette ronde en cas d’une opération de plongée ou de profilage dans des coins et solutions alternatives proposées pour y remédier. De gauche à droite, A plaquette trop grande pour le rayon à usiner, B taille du rayon de la pièce augmentée pour s’accommoder du rayon de la plaquette, C diminution de la taille de la plaquette pour convenir au rayon à usiner.


Fig. 4 - Schémas expliquant la manière d’opérer pour des opérations de profilage et d’usinage de gorges avec une plaquette ronde: A profilage une face dans le rayon, B profilage deux faces dans un grand rayon, C profilage deux faces dans un petit rayon, D usinage d’une large gorge, E usinage d’une gorge étroite.


Recommandation de programmation
Du fait du risque d'enfermement au niveau des rayons, l'avance doit être réduit proportionnellement à l'augmentation de la profondeur de coupe. Plus la différence entre le rayon et le diamètre de la plaquette sera important, moins l'avance devra être réduite. Toutefois, un bon point de départ consiste à réduire l'avance de 50 pour cent en usinage de rayon/plongée comparée à celle utilisée pour des passes en chariotage.


Géométrie des outils de coupe
Du fait des efforts de coupe élevés à proximité de l'arête de coupe, il est recommandé l'emploi d'avances plus faibles que dans les autres matières à usiner. Une faible avance, combinée à la faible longueur de contact du copeau sur la face de coupe, signifie que la micro-géométrie doit être positive pour réduire la génération de chaleur. La micro-géométrie choisie doit être optimisée en fonction de l'épaisseur des copeaux et de la profondeur de coupe. Un chanfrein primaire peut être bénéfique pour offrir une meilleure protection comparé à un simple arrondi d'arête dans les applications sous fortes avances. Toutefois, le chanfrein doit être plus étroit que celui rencontré habituellement sur les géométries destinées aux aciers de façon à ce que la coupe reste positive. L'arrondi d'arête sur la plaquette a une influence sur la durée de vie d'outil. Il offre une protection à l'arête dans les opéra tions de semi-finition et d'ébauche mais, en finition, l'arrondi génère une chaleur supérieure à celle générée par une arête vive rectifiée. En finition, une arête rectifiée offre un avantage en terme de vitesse de coupe exploitable. L'angle d'attaque est faible en raison de la profondeur de coupe limitée. L'avance est, aussi, limitée compte tenu des exigences d'état de surface, ce qui aboutit une très faible épaisseur de copeaux. Ce copeau mince signifie que l'arête doit être aussi vive que possible pour réduire la génération de chaleur. Cette réduction de la chaleur générée autorise des vitesses de coupe plus élevées tout en conservant une bonne durée de vie d'outil. Lorsque l'on utilise des plaquettes rectifiées, l'épaisseur optimale des copeaux (hex) se situe entre 0,1 et 0,15 mm, donc l'avance doit être équilibrée en fonction du rayon de bec choisi et de la profondeur de coupe. Lorsque la profondeur de coupe est supérieure au rayon de bec, c'est la forme de la plaquette qui détermine l'angle d'attaque. En finition, compte tenu du fait que la profondeur de coupe est inférieure au rayon de bec, la forme de la plaquette ne joue pas. Le facteur important est, alors, la relation entre la profondeur de coupe et le rayon de bec. Quand ce rapport varie, l'angle d'attaque varie également et, par là même, l'épaisseur de copeaux maximale. La plage de  profondeur de coupe en finition se situe généralement entre 0,25 et 0,5 mm. A cet égard, les graphiques des figures 5 et 6 donnent des précisions intéressantes sur l'épaisseur des copeaux obtenues selon différents rayons de bec des plaquettes utilisées sous des avances comprises entre 0,15 et 0,35 m/t.

Fig. 5 - Epaisseur de copeau en fonction de la profondeur de passe et du diamètre de la plaquette de coupe ronde
Nota : Ce principe s'applique également aux plaquettes standard lorsque la profondeur de coupe est inférieure au rayon de bec.


Fig. 6 - Avec une plaquette ronde, l’épaisseur du copeau est variable en fonction de l’angle d’attaque. Si le copeau est trop mince, il est possible d’obtenir le copeau de l’épaisseur voulue simplement en augmentant l’avance en conséquence.


Epaisseur des copeaux
Avec les plaquettes rondes, l'épaisseur des copeaux est variable (fig. 5) et dépend de l'angle d'attaque. Lorsque le rapport ap/iC est faible, il est possible d'augmenter l'avance pour obtenir l'épaisseur des copeaux voulue en sachant que l'épaisseur des copeaux recommandée (hex) pour le tournage correct du titane est de 0,35 mm.

Fig. 7 - Exemple illustrant la différence entre la tenue d’une plaquette brute de frittage (à gauche) et une autre rectifiée (à droite), toutes deux de type CNMG. La tenue de la première a été de 30 mn, celle de la seconde de 50 mn. Le test a été pratiqué dans un titane Ti-6Al-4V avec comme paramètres de coupe une vitesse de 120 m/mn, une profondeur de coupe de 0,25 mm et une avance de 0,15 mm/t.


Epaisseur maximale des copeaux en tournage finition
Lorsque l’on utilise des plaquettes rectifiées, l’épaisseur optimale des copeaux hex se situe entre 0,1 et 0,15 mm, ce qui signifie que l’avance doit être équilibrée en fonction du rayon de bec choisi et de la profondeur de coupe. Lorsque cette dernière est supérieure au rayon de bec, c’est la forme de la plaquette qui détermine l’angle d’attaque. En finition, compte tenu du fait que la profondeur de coupe est inférieure au rayon de bec, la forme de la plaquette ne joue aucun rôle. Le facteur important est, alors, la relation existant entre la profondeur de coupe et le rayon de bec. Quand ce rapport varie, l’angle d’attaque varie également et, par là même, l’épaisseur maximale de copeau. La plage de profondeur de coupe en finition se situe, généralement, entre 0,25 et 0,5 mm. Les graphiques de la figure 8 mettent en évidence l’épaisseur des copeaux obtenue avec différentes avances comprises entre 0,15 et 0,35 mm/t. Il est bon de préciser que les avances peuvent, éventuellement, être augmentées mais que cela a pour conséquence automatique de réduire la longueur de coupe. Autre point à souligner, l’influence de la condition de la plaquette sur sa durée de vie. A cet égard, la figure 7 permet de se rendre compte visuellement de la manière dont se comportent deux plaquettes CNMG, en opération de finition, l’une à l’état brute de frittage, l’autre rectifiée. Enfin, information importante à ne pas sous-estimer, la qualité de l’état de surface poussée dépend de l’avance pratiquée pour l’opération d’usinage, qu’il s’agisse d’une plaquette standard ou ronde. Le tableau 9 est un document représentatif de cette question.

Fig. 8 - Epaisseur optimale des copeaux en finition avec plaquette ronde, selon son rayon, pour des profondeurs de passe respectives de 0,25 et 0,5 mm.


Optimisation des paramètres d'usinage
Des essais ont été conduits par les chercheurs de SANDVIK COROMANT afin de déterminer quelles pouvaient être les performances optimales en tournage ébauche et finition des alliages de titane.

Dans les deux cas, bien entendu, des plaquettes ont été choisies pour être les mieux adaptées afin de couvrir les domaines d'applications les plus courants rencontrés en usinage du titane. Un exemple d’essai réalisé en tournage ébauche pour trouver la meilleure avance pour une plaquette SNMG a utilisé un débit de copeaux (Q) ainsi qu'une profondeur de coupe (ap de 3 mm) constants, tandis que la vitesse de coupe (va) et l'avance (fn) variaient en fonction de Q = vc x fn x ap. Les résultats ont montré que le meilleur débit de copeaux était obtenu avec la combinaison d’une faible vitesse de coupe avec une forte avance de 0,4 mm/t et un angle d'attaque de 45°. Des essais similaires ont été réalisés pour chaque forme de plaquette afin de confirmer l'avance optimale. Avec ces paramètres fixes, d'autres essais ont permis de mesurer la durée de vie d'outil en faisant varier la vitesse de coupe. On a constaté qu'en utilisant des plaquettes de type RCMT ou SNMG, on obtient une longueur de coupe plus importante sous des vitesses élevées qu'avec une plaquette CNMG qui nécessite aussi une faible avance.

Fig. 9 - Ce tableau a pour but de fournir une indication précise du niveau d’état de surface moyen susceptible d’être obtenu en tournage du titane en fonction de l’avance, et cela avec une plaquette standard ou une plaquette ronde.

Pour déterminer les performances optimales en tournage finition, comme pour les essais d’ébauche les plaquettes ont été choisies pour être les mieux adaptées afin de couvrir les domaines d'applications les plus courants rencontrés en usinage du titane. L'état de surface étant le facteur critique en tournage finition c'est lui qui détermine l'avance maximale. On a pu constater qu'en finition, les plaquettes CNGP et RCMT présentent des longueurs de coupe très proches, bien que la plaquette ronde permette une avance plus élevée et donc une meilleure productivité. C’est le résultat de l'angle d'attaque réduit résultant d'une plus faible profondeur de passe au rayon, l'épaisseur de copeau restant alors quasiment la même, le diagramme de la figure 10 mettant en évidence les résultats enregistrés.

Fig. 10 - Résultats de travaux de recherche pour déterminer la performance optimale en tournage finition selon la plaquette utilisée.

On a été, aussi, en mesure de comparer les différences de durée de vie d'outil obtenues avec des profondeurs de coupe de 0,25 et de 0,5 mm. Avec une plaquette CNGP et une vitesse de coupe de 70 m/mn, le temps d’usinage a pu être réduit de 50 pour cent le faisant passer de 72 à 36 minutes. Cette donnée servira, ici, de conclusion.