Usinage CNC de l'acier inoxydable | Usinabilité, nuances, solutions

L'acier inoxydable est prisé en ingénierie pour sa haute résistance, sa ténacité et son exceptionnelle résistance à la chaleur et à la corrosion. Cependant, ces mêmes propriétés physiques et mécaniques qui le rendent si recherché posent également des défis importants lors de sa fabrication. Du point de vue de l'usinage, l'acier inoxydable est souvent considéré comme un matériau difficile en raison de sa forte tendance à l'écrouissage, des forces de coupe élevées qu'il requiert et de sa faible conductivité thermique.

Aperçu de l'usinabilité

L'usinabilité désigne la facilité avec laquelle un matériau métallique peut être soumis à des opérations de coupe. Une fois les conditions de coupe normales établies, l'usinabilité du métal est évaluée en fonction de la rugosité de surface de la pièce, de la vitesse de coupe et du degré d'usure de l'outil.

L'usinabilité est un phénomène complexe de couche superficielle impliquant le frottement et des déformations élastiques et plastiques à grande vitesse. Par conséquent, la facilité de coupe et la qualité du résultat dépendent de nombreux facteurs :

1. Matériau et géométrie de l'outil.
2. Performances de coupe du matériau de la pièce.
3. Présence et caractéristiques des fluides de coupe pendant l'usinage.
4. Type et conditions de coupe.

Dans des conditions constantes, le métal le plus facile à usiner est celui qui permet une vitesse de coupe maximale, une usure minimale de l'outil et une consommation d'énergie réduite, tout en garantissant la rugosité de surface la plus satisfaisante. Dans la plupart des cas, les critères principaux pour l'usinage sont une vitesse élevée et une longue durée de vie de l'outil ; cependant, dans certaines situations, les exigences en matière de lissage de surface sont plus strictes.

Méthodes de détermination de l'usinabilité

1. Comparer la durée de vie d'un même outil lors de la coupe de différents métaux à une vitesse de coupe donnée.
2. Comparaison de la profondeur de forage dans différents métaux en utilisant la même pression, la même vitesse de rotation et le même temps.
3. Comparaison de l'usinabilité en fonction de l'énergie consommée ou de la chaleur dissipée lors de la découpe d'un certain volume de différents métaux.

Ces méthodes ne tiennent pas compte de la rugosité de surface de la pièce usinée ; elles utilisent uniquement la facilité de coupe pour comparer relativement l'usinabilité des métaux.

L'usinabilité des métaux est une propriété technologique très complexe, liée à d'autres propriétés du métal. Il convient tout d'abord de comprendre les raisons pour lesquelles les métaux sont difficiles à usiner :

1. Lorsque la dureté ou la résistance est trop élevée, l'énergie consommée par la coupe est importante ; lorsque la vitesse augmente, la chaleur générée peut facilement ramollir le tranchant de l'outil, rendant la coupe très difficile.
2. Les métaux tendres à haute plasticité sont sujets à la formation d'arêtes rapportées (BUE) et à l'adhérence au tranchant de l'outil pendant la coupe, ce qui rend la coupe difficile et augmente la rugosité de surface.
3. Les métaux sujets à l'écrouissage sont difficiles à usiner, comme les aciers à haute teneur en carbone et en manganèse, les aciers résistants à l'usure et les aciers inoxydables austénitiques. Les métaux contenant des phases secondaires dures, tels que les carbures et les oxydes, sont également difficiles à usiner car ils usent facilement le tranchant de l'outil.

Deuxièmement, il est important de comprendre la structure qui facilite la coupe des métaux. Les phases secondaires insolubles dans la matrice, si elles possèdent des propriétés lubrifiantes ou augmentent la fragilité du matériau, peuvent améliorer l'usinabilité. Par exemple, le graphite, le plomb et le bismuth peuvent accroître l'effet lubrifiant lors de la coupe ; les sulfures et phosphures fragiles (tels que MnS et Fe₃P dans l'acier) peuvent faciliter la fragmentation des copeaux.

Moyens d'améliorer l'usinabilité

1. Ramollir les métaux durs (trempe ou recuit).
2. Durcir les métaux trop mous (écrouissage à froid, affinage du grain, normalisation).
3. Réduire les secondes phases dures (améliorer la qualité de la fusion, réduire les inclusions).
4. Améliorer la distribution des secondes phases dures (recuit ou normalisation).
5. Ajouter des éléments de seconde phase qui améliorent les performances de coupe (Pb, Bi, graphite, MnS, Fe3P, etc.).

La méthode finale (5) permet de produire des alliages présentant une excellente usinabilité, adaptés aux machines-outils automatiques, qui sont donc appelés aciers et alliages de décolletage.

Certaines propriétés physiques et mécaniques influant sur l'usinabilité sont insensibles à la microstructure et sont donc difficiles à modifier par une amélioration de celle-ci. Parmi ces propriétés figurent le coefficient de dilatation thermique, la conductivité thermique et le module d'élasticité du métal de la matrice.

Aperçu de la découpe de l'acier inoxydable

Les performances d'usinage des différents types d'acier inoxydable varient considérablement. De manière générale, l'usinabilité de l'acier inoxydable est inférieure à celle des autres aciers. Par exemple, comparé à l'acier au carbone, l'acier inoxydable austénitique présente la plus faible usinabilité. Ceci est dû à son fort écrouissage et à sa faible conductivité thermique. C'est pourquoi l'utilisation de fluides de coupe à base d'eau est indispensable lors de l'usinage afin de limiter les déformations thermiques. En particulier, un traitement thermique post-soudage insuffisant entraîne inévitablement des déformations, même avec une précision de coupe optimale. L'usinabilité d'autres types d'acier inoxydable, tels que les aciers martensitiques et ferritiques, est comparable à celle de l'acier au carbone, à condition de ne pas les usiner après trempe. Cependant, pour les aciers martensitiques et ferritiques, plus la teneur en carbone est élevée, plus l'usinabilité est mauvaise. Les aciers inoxydables à durcissement structural présentent des performances d'usinage différentes en raison des différences de structure et de méthodes de traitement, mais généralement, à l'état recuit, leur usinabilité est fondamentalement la même que celle des aciers inoxydables martensitiques et austénitiques de la même série et de la même résistance.

Les aciers inoxydables sont largement utilisés en raison de leur excellente résistance à la chaleur et à la corrosion, ainsi que de leur haute résistance mécanique et mécanique. Dans de nombreuses applications, l'usinabilité d'un métal détermine sa capacité à en usiner un autre. Tous les aciers inoxydables, toutes nuances confondues, sont usinables. L'usinabilité des aciers inoxydables, à l'instar de leurs propriétés physiques et mécaniques, présente une grande variabilité.

De manière générale, l'acier inoxydable désigne les alliages à base de fer contenant plus de 11.5 % de chrome. Pour obtenir la résistance à la corrosion et/ou les propriétés mécaniques requises, on peut y ajouter des éléments tels que le carbone, le nickel, le manganèse, le silicium, l'aluminium, le titane, le niobium et d'autres éléments d'alliage.

Types d'acier inoxydable selon l'usinabilité

La classification basée sur la microstructure et les conditions de traitement thermique est la méthode la plus courante. Elle divise tous les aciers inoxydables en trois catégories : trempables (martensitiques), non trempables (ferritiques) et austénitiques. Chaque catégorie comprend des nuances à usinage facile.

Acier inoxydable trempable

Ce groupe est constitué d'aciers de la série 400 qui peuvent être trempés par traitement thermiqueLes aciers inoxydables à usinage facile comprennent les nuances 416, 420F et 440F. Les nuances présentant une usinabilité générale incluent les nuances 403, 410, 420, 431, 440A, 440B et 440C. Ce sont tous des aciers martensitiques, magnétiques à l'état recuit, et leur résistance mécanique peut être améliorée par trempe et revenu. L'acier 416 est le plus facile à usiner, tandis que l'acier 440C est le plus difficile à usiner en raison de sa forte teneur en carbone qui provoque une usure importante des outils.

Acier inoxydable non trempable

Ce groupe comprend les aciers de la série 400 qui ne peuvent être durcis de manière significative par traitement thermique. Ils sont ferritiques et magnétiques à l'état recuit. Parmi les nuances à usinage facile, on trouve le 430F ; celles présentant une usinabilité générale incluent les 405, 430 et 446.

Acier inoxydable austénitique

Il s'agit des aciers Cr-Ni de la série 300, récemment étendue à certains aciers Cr-Ni-Mn de la série 200. Austénitiques à l'état recuit, ils sont pratiquement non magnétiques et ne peuvent être durcis par traitement thermique. Cependant, la plupart présentent un fort écrouissage, bien supérieur à celui des aciers ferritiques et martensitiques. Parmi les nuances à usinage facile, on trouve les 303 et 303Se. Les nuances standard incluent les 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347, etc. Les aciers austénitiques sont beaucoup plus difficiles à usiner que la plupart des aciers martensitiques ou ferritiques. Collants à l'état recuit, ils produisent des copeaux fibreux, sauf si des techniques spécifiques sont utilisées. Un fort écrouissage contribue également à la difficulté de coupe.

Propriétés de l'usinage CNC de l'acier inoxydable

L'usinabilité de l'acier inoxydable est bien inférieure à celle de l'acier mi-dur. Si l'acier 1045 présente une usinabilité de 100 %, celle de l'acier austénitique 321 est de 40 %, celle de l'acier ferritique 10Cr28 de 48 % et celle de l'acier martensitique 420 de 55 %. Les aciers austénitiques et austénitiques-ferritiques sont les moins usinables. Leurs caractéristiques comprennent :

Durcissement sévère

Ce phénomène est particulièrement marqué dans les aciers austénitiques et austénitiques-ferritiques. Après trempe, la résistance peut atteindre 1470 à 1960 MPa. La limite d'élasticité passe de 30 à 45 % à l'état recuit à 85 à 95 % après trempe. L'épaisseur de la couche trempée peut atteindre un tiers de la profondeur de coupe, voire plus, avec une dureté 1.4 à 2.2 fois supérieure à la dureté initiale. Ceci est dû à une plasticité élevée, à la distorsion du réseau cristallin et à la transformation de l'austénite en martensite sous contrainte.

Forces de coupe importantes

La grande plasticité, notamment au niveau de l'austénite, avec un allongement 1.5 fois supérieur à celui de l'acier 1045, accroît la force de coupe. L'écrouissage et la haute résistance thermique augmentent encore la résistance et rendent le bris des copeaux difficile. La force de coupe unitaire de l'acier 06Cr18Ni11Ti est de 2 450 MPa, soit 25 % de plus que celle de l'acier 1045.

Température de coupe élevée

La déformation plastique importante et le frottement génèrent une chaleur considérable. Conjuguée à une faible conductivité thermique (de 1/4 à 1/2 de celle de l'acier 1045), cette chaleur se concentre dans la zone de coupe. Dans les mêmes conditions, la température de l'acier 321 est supérieure d'environ 200 °C à celle de l'acier 1045.

Puces difficiles à casser

La grande plasticité et la ténacité du matériau entraînent la formation de copeaux continus susceptibles de rayer la surface. Sa forte affinité pour d'autres métaux provoque l'adhérence et la formation d'arêtes rapportées, ce qui accentue l'usure de l'outil et l'arrachement de la surface.

Usure des outils

L'affinité provoque une usure par adhérence et diffusion, entraînant la formation de cratères sur la face de l'outil et des micro-écaillages. Les particules de carbure dur présentes dans l'acier sont également responsables de l'usure abrasive.

Coefficient de dilatation linéaire élevé

Environ 1.5 fois plus que l'acier au carbone. La chaleur de sous-coupe provoque une déformation thermique des pièces, rendant difficile le contrôle de la précision dimensionnelle.

Parmi les différents équipements d'usinage, les tours automatiques sont très efficaces pour transformer des barres d'acier inoxydable en d'innombrables composants.

Considérations relatives à l'usinage de l'acier inoxydable :

1. Les outils doivent être robustes, performants et présenter une capacité de surcharge élevée. Il est préférable de ne pas dépasser 75 % de la capacité nominale de la machine.
2. Les pièces et les outils doivent être solidement fixés. Le porte-à-faux de l'outil doit être minimal ; utilisez un support supplémentaire si nécessaire.
3. Gardez vos outils affûtés en permanence (HSS ou carbure). Affûtez-les régulièrement ; n’attendez pas que ce soit nécessaire.
4. Utilisez des lubrifiants haute performance, comme la graisse de pétrole chlorée. Elle est efficace pour les opérations de coupe importantes à faible vitesse d'avance. Pour la finition à grande vitesse, diluez-la avec du kérosène afin de maintenir une température basse.
5. Soyez vigilant lors de l'usinage des aciers austénitiques au chrome-nickel. Utilisez une coupe forcée et évitez les pauses pour prévenir l'écrouissage et le glissement.

Comparé à l'acier au carbone :

1. La résistance de l'acier inoxydable recuit est généralement plus élevée.
2. L'écart entre la limite d'élasticité et la résistance à la traction est plus important.
3. Les taux de durcissement par le travail sont plus élevés.
4. Les nuances à haute teneur en carbone (440A/B/C) contiennent des carbures d'alliage libres qui durcissent la matrice et sont abrasifs, augmentant ainsi l'usure.

Procédés d'usinage CNC en acier inoxydable

Les procédés de fabrication pour l'usinage de l'acier inoxydable comprennent le tournage CNC, le fraisage, la rectification, le perçage, etc.

Tournage CNC

Généralement considérée comme une coupe à un seul point, cette opération nécessite des outils à angle de dépouille positif. Les aciers martensitiques (420, 440) requièrent un angle de dépouille négatif pour limiter l'usure. Les aciers austénitiques (200/300) ont tendance à s'écrouir ; il est donc important de maintenir une avance forcée et d'éviter les arrêts brusques. L'utilisation de tours de forte puissance et de grande rigidité structurelle est recommandée. Sur les tours à tourelle, l'utilisation d'outils à plaquettes carbure est préconisée.

• Avance d'ébauche : 0.229–0.406 mm.
• Avance de finition : 0.076–0.254 mm.
• Vitesse (types Chrome) : 61–152 m/min.
• Vitesse (types Cr-Ni) : 61–122 m/min.
• Utilisez des mélanges d'huiles solubles concentrées.

Fraisage CNC

L'adhérence et la fusion importantes entraînent l'adhérence des copeaux aux dents. En fraisage en opposition, les dents glissent sur des surfaces trempées, ce qui accélère le durcissement. Les vibrations et les chocs sont élevés.

• Outils : Utiliser HSS (W-Mo ou à haute teneur en vanadium) ou carbure (YG8, YW2, 813, 798, etc.).
• Géométrie : Utiliser des angles d’hélice importants (20°–45°). Les fraises en bout sont préférables avec un β de 35 afin d’éviter l’affaiblissement des dents.
• Méthode : Utiliser le fraisage en avalant pour garantir que les dents sortent du métal en douceur et que les copeaux soient éjectés par la force centrifuge.
• Refroidissement : Le refroidissement par pulvérisation est le plus efficace ; sinon, assurez-vous d'un débit complet d'émulsion à 10 %.
• Vitesse : Commencez à environ 24 m/min pour le carbure et à environ 9 m/min pour l'acier rapide.

Rectification CNC

La haute ténacité et la résistance à la chaleur font que les grains à angle de coupe négatif peinent à cisailler les copeaux. L'énergie est élevée, les températures atteignent 1000 à 1500 °C et les copeaux encrassent la meule. La faible conductivité thermique peut provoquer des brûlures superficielles ou un recuit (profondeur de 0.01 à 0.02 mm). La dilatation entraîne des déformations, notamment sur les pièces à parois minces. La plupart des aciers inoxydables sont amagnétiques, ce qui nécessite un bridage mécanique susceptible de provoquer des vibrations ou des distorsions. Évitez le meulage irrégulier et la surchauffe localisée.

Perçage CNC

On utilise généralement des forets hélicoïdaux. Pour l'acier trempé, il est préférable d'utiliser des forets en carbure ou en acier rapide extra-dur. Les couples de serrage sont élevés, les copeaux adhèrent et durcissent. Il est conseillé de réaliser des rainures d'évacuation des copeaux et d'amincir l'âme pour réduire l'effort axial.

• Démoulage/Durcissement : Saupoudrer de poudre de craie le bord ou le trou pour faciliter l’amorce de la coupe.
• Gabarits de perçage : Utilisez des bagues courtes ; maintenez un écart d’un diamètre de foret pour l’évacuation des copeaux.
• Vitesse : 12 à 38 m/min selon la pente et la profondeur.
• Avance : 0.051–0.508 mm/tr. Minimiser les pauses pour réduire le durcissement.

Taraudage CNC

Les aciers à coupe facile sont similaires à l'acier au carbone. Un angle de coupe de 15° est préférable. Utilisez des tarauds à profil mince pour les trous profonds afin de réduire la pression. Utilisez des tarauds HSS avec filetage rectifié avec précision et goujures polies. Les tarauds à goujures hélicoïdales offrent une meilleure maîtrise des copeaux. Veillez à ce que le filetage ne dépasse pas 75 % de la profondeur (65 % est souvent préférable) afin d'éviter la rupture. Pour une haute précision, percez légèrement en dessous du diamètre nominal (0.152 à 0.305 mm) puis alésez avant de tarauder. Évitez d'affûter les tarauds à la main.

• Vitesse : 3–11 m/min.
• Lubrification : huiles à base de soufre pour les filetages grossiers ; huile diluée au kérosène pour les filetages fins ; poudre de plomb blanc pour les taraudages intensifs.

Nettoyage et passivation après usinage

Pour garantir la résistance à la corrosion, éliminez toute saleté et tache. Une surface propre permet la formation d'un film passif.

Dégraissage : Doit être complet et minutieux afin d'éliminer tous les lubrifiants et huiles.

Bain d'acide nitrique : généralement à une concentration de 20 % à 49 °C pendant au moins 30 minutes. Il dissout les particules de fer et nettoie les zones corrodées.

Réglage : Pour les séries 300 et 400 à haute teneur en chrome, utiliser une concentration de 20 à 40 % à une température de 54 à 71 °C pendant 30 à 60 minutes. Des températures plus basses sont utilisées pour les séries 400 à faible teneur en chrome. Rincer à l’eau chaude et sécher immédiatement.

Finitions de surface pour l'usinage CNC de l'acier inoxydable

Contrairement à une idée répandue, l'acier inoxydable n'est pas totalement à l'abri de la rouille ; il y est simplement relativement résistant. Une très fine pellicule d'oxyde riche en chrome forme une barrière protectrice à sa surface. Cependant, cette couche peut être altérée par des facteurs environnementaux et des procédés de fabrication, tels que les rayures, un nettoyage inadéquat, la contamination par de l'acier au carbone ou le soudage. Ces types de pollution peuvent endommager considérablement la couche protectrice.

Par conséquent, des mesures efficaces doivent être prises lors de la fabrication de produits en acier inoxydable. Le meilleur moyen de prévenir la corrosion est un traitement de surface approprié. Les procédés courants comprennent le brossage, le polissage miroir, le sablage et les revêtements anti-traces de doigts, chacun offrant des effets esthétiques et des avantages fonctionnels uniques.

Polissage de miroir

Le traitement miroir consiste essentiellement à polir la surface de l'acier inoxydable par des procédés physiques ou chimiques. Le polissage peut être appliqué à l'ensemble de la surface ou à des zones localisées. Les degrés de finition miroir sont classés comme suit : polissage standard, 6K (miroir standard), 8K (rectification fine) et 10K (rectification ultra-fine). Une finition miroir confère une esthétique haut de gamme, minimaliste, moderne et futuriste.

Sablage

Il s'agit d'un procédé de traitement de surface courant dans l'usinage de l'acier inoxydable. Il utilise de l'air comprimé pour projeter des matériaux abrasifs à grande vitesse sur la surface de la pièce, modifiant ainsi sa texture. Sablage Ce procédé est principalement utilisé pour l'ingénierie et l'optimisation des processus, notamment pour améliorer l'adhérence des pièces collées, ébavurer les surfaces usinées, décontaminer et obtenir une finition mate. Il est nettement supérieur au ponçage manuel, offrant une structure de surface uniforme, un aspect discret et durable, et une productivité élevée. Si le ponçage manuel peut créer une surface rugueuse, il est trop lent, et le nettoyage chimique laisse souvent une surface trop lisse pour une adhérence optimale du revêtement.

Traitement chimique

Ce procédé fait appel à une combinaison de méthodes chimiques et électrochimiques pour générer une couche de composé stable sur la surface de l'acier inoxydable. Electroplating est un excellent exemple de traitement chimique. Cette méthode repose principalement sur l'utilisation de solutions acides et anodiques, seules ou mélangées, pour le détartrage. Des films protecteurs sont ensuite générés par traitement au chromate, au phosphate ou oxyde noirCe procédé est principalement utilisé pour créer des motifs complexes ou pour répondre à des exigences spécifiques en matière de design vintage ou contemporain.

Coloration

Les procédés de coloration de surface permettent d'obtenir diverses teintes pour l'acier inoxydable, ce qui lui confère un aspect plus éclatant. Au-delà de l'attrait visuel, la coloration améliore efficacement la résistance à l'usure et à la corrosion du produit. Parmi les méthodes de coloration courantes, on trouve la coloration chimique, la coloration par oxydation électrochimique, la coloration par dépôt d'oxydes ioniques, la coloration par oxydation à haute température et la coloration par pyrolyse en phase gazeuse.

Brossage

Le brossage des métaux est une méthode décorative très courante. Il permet de réaliser divers motifs, tels que des lignes droites, des motifs filetés, ondulés, aléatoires et rotatifs. Les surfaces brossées se caractérisent par un toucher agréable, un lustre délicat et une grande résistance à l'usure. Ce traitement est largement utilisé dans les appareils électroniques, l'électroménager et les équipements mécaniques.

Revêtement par pulvérisation

Le revêtement par pulvérisation de l'acier inoxydable diffère sensiblement des procédés de coloration mentionnés précédemment. Selon les matériaux utilisés, certaines peintures peuvent endommager la couche d'oxyde de l'acier inoxydable. Cependant, certains revêtements par pulvérisation permettent d'obtenir différentes couleurs par des procédés simples, et différents types de revêtements peuvent être utilisés pour modifier le toucher de la surface de l'acier inoxydable.

Tolérances et capacités d'usinage CNC Getzshape

Getzshape propose des services d'usinage CNC sur mesure de haute qualité, de fabrication de tôlerie, d'usinage par électroérosion, de fonderie sous pression et bien plus encore. Nos capacités d'usinage CNC pour l'acier inoxydable sont détaillées ci-dessous.