L'aluminium, métal non ferreux, est le troisième élément le plus abondant (8.23 %) dans la croûte terrestre. Hans Orsted a été le premier à l'isoler en 1827. Bien qu'il ne soit pas si ancien comparé aux métaux ferreux, il a été un choix populaire dans toutes les industries en raison de sa résistance, de sa corrosion et, surtout, de sa légèreté.
Dans des environnements à enjeux élevés, tels que aérospatial et automobile fabrication, la précision est primordiale. Chaque gramme et chaque dimension précise peuvent avoir un impact sur les performances et l'efficacité globales. L’aluminium doit donc subir des processus d’usinage CNC méticuleux pour répondre à ces normes rigoureuses.
Ce guide détaillé explique le processus d'usinage CNC de l'aluminium, les alliages d'aluminium favorables à l'usinage et les applications clés des pièces en aluminium usinées CNC.
Usinage CNC de l'aluminium : processus et équipements
Usinage CNC en aluminium fait référence à l'utilisation d'équipements informatisés (machines CNC) pour couper et façonner des feuilles d'aluminium avec une extrême précision. Les machines courantes utilisées à cet effet sont :
Fraiseuses CNC
fraisage CNC les machines utilisent un outil de coupe rotatif pour couper, façonner et enlever de la matière d'une pièce à usiner. L'outil a la flexibilité de se déplacer sur plusieurs axes (X, Y et Z) pour obtenir la forme et les dimensions souhaitées. Les CNC 3 à 5 axes sont courantes pour le fraisage de l'aluminium.
De telles machines sont idéales pour créer des surfaces détaillées, des fentes et des formes complexes, celles requises dans l'automobile et l'aérospatiale. Des outils de coupe rotatifs (fraises en bout, fraises à surfacer et fraises à billes) sont utilisés pour les opérations de fraisage.
Centres de tournage CNC
In Tournage CNC, une pièce stationnaire glisse contre une pièce en rotation, façonnant la forme souhaitée. Cette mise en forme est principalement destinée aux pièces en aluminium symétriques et cylindriques telles que les tiges, les arbres et les fixations. Un outil de coupe à point unique est utilisé pour couper la face et réduire le diamètre.
Coupeurs laser CNC
La découpeuse laser CNC utilise un faisceau lumineux (laser) très puissant pour vaporiser la surface métallique et créer une coupe nette. Contrairement aux outils mécaniques, la taille du point du faisceau laser est très fine et permet des coupes nettes très précises. Cependant, l'épaisseur de coupe est limitée.
Outre la découpe, ces outils peuvent marquer et graver l’aluminium. Les applications idéales sont donc les dispositifs de marquage dans l’électronique et d’autres industries.
Coupeurs d'eau
Une découpeuse au jet d’eau utilise un jet d’eau à haute pression, mélangé à des particules abrasives, pour couper les matériaux. Il n'induit pas de contrainte thermique sur le matériau, préservant ainsi les propriétés mécaniques de l'aluminium.
Le jet d’eau est utilisé pour découper des plaques d’aluminium plus épaisses et est privilégié dans les scénarios où la distorsion thermique doit être évitée.
Pourquoi choisir l'aluminium pour les pièces CNC ?
L'aluminium est le métal le plus abondant dans la croûte terrestre. Et il possède toutes les caractéristiques souhaitées qui répondent à la plupart de nos besoins en produits :
Rapport résistance/poids élevé
L'aluminium est connu pour sa légèreté, mais il possède l'un des rapports résistance/poids les plus élevés parmi les matériaux techniques. Cet attribut est précieux dans les applications critiques telles que l'aérospatiale et l'automobile, où vous devez réduire le poids sans compromettre la résistance.
Grande usinabilité
Chaque métal nécessite une certaine forme de découpe et de façonnage à l’aide de machines. Sous cet aspect, l’aluminium se comporte bien. Il est doux et relativement plus facile à usiner car il s'écaille facilement. De plus, cela prend moins de temps, ce qui réduit les coûts d’usinage.
Résistance à la corrosion
Contrairement aux métaux ferreux qui rouillent en raison de la formation d’une couche d’oxyde, de nombreuses qualités d’aluminium sont intrinsèquement résistantes à la corrosion. Cependant, cette tendance varie selon les séries. La série 6061 est appréciée pour sa résistance. En revanche, les alliages d’aluminium contenant du cuivre sont moins résistants à la corrosion.
Conductivité électrique
Sur le tableau de conductivité des métaux industriels couramment utilisés, l’aluminium pur se situe juste en dessous du cuivre. Selon le SIGC, cuivre la conductivité est comprise entre 58 et 62 millions S/m, tandis que l'aluminium pur est compris entre 35 et 38 millions S/m. Les valeurs du fer, de l’acier au carbone et de l’acier inoxydable sont respectivement de 10, 7 et 1.5. Cependant, les alliages d'aluminium sont moins conducteurs.
Potentiel d'anodisation
L'anodisation de l'aluminium constitue un avantage unique, notamment lorsque durabilité et esthétique sont requises. L'anodisation améliore non seulement la résistance à la corrosion de l'aluminium, mais permet également une coloration, ce qui peut être bénéfique pour les produits de consommation.
Recyclabilité
Selon l'Institut international de l'aluminium, 75 % de l'aluminium produit est encore utilisé aujourd'hui. De plus, environ 30 millions de tonnes d'aluminium sont recyclées chaque année, réduisant ainsi le besoin de production d'aluminium vierge. Ce taux de recyclage élevé souligne le rôle de l'aluminium comme matériau durable.
Série commune en aluminium pour l'usinage CNC
Conformément au système international de désignation des alliages, tous les éléments en alliage métallique sont représentés par 4 chiffres qui définissent le métal de base et les alliages présents. Un alphabet après le nom de la série représente le processus de traitement de surface.
Généralement, l'aluminium se décline en 7 séries différentes, allant de 1000 7000 à 8000 XNUMX. Il commence par de l'aluminium standard pur, puis passe aux alliages. Un grade XNUMX avec des éléments de terres rares est également disponible mais moins courant.
Série 1xxx – Aluminium pur
Cette série est la plus pure, comprenant 99 % ou plus d’aluminium. Il possède toutes les caractéristiques inhérentes à l’aluminium ; excellente résistance à la corrosion et conductivité électrique et thermique élevée. C’est pourquoi ses applications courantes sont les réservoirs et canalisations de produits chimiques.
La résistance à la traction de ces alliages se situe entre 69 et 186 MPa. Les alliages de la série 1xxx peuvent être soudés mais ne peuvent pas être traités thermiquement.
Série 2xxx – Alliages Al-Cuivre
L'ajout de cuivre améliore l'aspect d'usinage et la résistance à la traction, la portant jusqu'à 420 MPa. Il est principalement utilisé dans l’aérospatiale, où sa haute résistance à différentes températures est cruciale, même s’il nécessite souvent des revêtements pour une meilleure résistance à la corrosion.
Série 3xxx – Alliages Al-Manganèse
Cette série améliore la résistance mécanique grâce à l'ajout de manganèse. Ils ont une résistance à la traction modérée entre 110 et 290 MPa et peuvent également être traités à chaud. Les applications courantes sont les emballages alimentaires, les ustensiles de cuisine et les applications en tôle.
Série 4xxx – Alliage Al-Silicium
La série 4000 se caractérise par l'inclusion de silicium, qui abaisse les points de fusion et améliore la fluidité à l'état fondu, ce qui la rend mieux adaptée aux applications de coulée. Ses principales applications sont le revêtement, les mastics de soudage et les extrusions architecturales.
Série 5xxx – Alliage Al-Magnésium
Le magnésium, principal élément d'alliage, confère à cette série une résistance élevée et une excellente résistance à la corrosion. Les alliages sont assez résistants aux alcalis et facilement soudables, ce qui les rend parfaits pour les applications marines. Le membre de la série, l'alliage 5083, se distingue par sa résistance à l'eau de mer et à l'exposition aux produits chimiques.
Série 6xxx – Alliage Al-Magnésium-Silicium
Cette série est connue pour sa formabilité, sa soudabilité et sa résistance à la corrosion. Ils peuvent subir n'importe quel traitement thermique pour obtenir les caractéristiques souhaitées. L'alliage 6061 est un nom assez populaire (également rentable), utilisé pour les vélos électriques, les bateaux et les cadres de camions.
Série 7xxx – Alliage Al-Zinc
La plus solide de la gamme, cette série est principalement alliée au zinc et est privilégiée dans l'aérospatiale et les articles de sport pour son rapport résistance/poids et sa résistance aux contraintes exceptionnels. Les alliages peuvent être soudés mais une extrême prudence est requise.
Alliages d'aluminium populaires pour l'usinage CNC
| Alliages d'aluminium | Résistance à la traction (MPa) **(Valeurs approximatives) | Applications courantes |
| Aluminium 2007 | 270-400 | Pièces de machines, boulons, rivets, écrous, vis, barres filetées. |
| Aluminium 2024 | 250- 400 | Composants structurels aérospatiaux. |
| Aluminium 5052 | 170-305 | Environnements marins, réservoirs de carburant automobile, panneaux de signalisation. |
| Aluminium 5083 | 270-345 | Équipements cryogéniques, applications marines, équipements sous pression, applications chimiques, constructions soudées. |
| Aluminium 5754 | 190-240 | Structures soudées, revêtements de sol, matériel de pêche, carrosseries de véhicules, agroalimentaire, rivets. |
| Aluminium 6060 | 190 | Construction, agroalimentaire, équipement médical, ingénierie automobile. |
| Aluminium 6061 | 180 – 270 | Structures fortement chargées, échafaudages, wagons, pièces de machines, applications générales. |
| Aluminium 6063 | 180 | Applications architecturales, cadres de fenêtres, cadres de portes, toits |
| Aluminium 6082 | 290 | Construction offshore, conteneurs |
| Aluminium 7075 | 500-572 | Cadres de vélo, équipement d'escalade, armes, fabrication d'outils de moulage, applications d'ingénierie avancées |
** Ce ne sont que des valeurs approximatives. Les valeurs exactes dépendent du processus de traitement ; Consultez le fabricant pour des valeurs précises.
Considérations clés lors de l'usinage CNC de l'aluminium
Lors de l’utilisation de l’aluminium, ces quelques détails techniques doivent être gardés à l’esprit :
Matériel d'outil
L'aluminium est mou, il nécessite donc un outil de coupe dur comme le carbure. Dans les outils en carbure, la structure des grains est également primordiale. Et c'est la présence de cobalt qui permet d'obtenir cette structure fine. Cependant, le cobalt, lorsqu'il réagit avec l'aluminium, provoque une accumulation de gomme sur l'outil. Ainsi, un rapport optimal de 2 à 20 % dans l’outil carbure est préféré.
En plus de cela, le revêtement compte également. Fraises avec diamant, diborure de titane (TiB2) et nitrure de zirconium (ZrN).
Conception et orientation des outils
Les fraises en bout ont des cannelures – leur nombre détermine la facilité de l'opération d'usinage. La recommandation est de 2 à 3 flûtes ; deux cannelures offrent un dégagement optimal des copeaux, tandis que trois cannelures équilibrent le dégagement des copeaux avec la résistance de l'outil.
L'angle d'hélice et l'angle de dépouille sont également critiques : un angle d'hélice de 35° ou 40° est efficace pour l'ébauche, et un angle de 45° est préférable pour la finition. Les angles de dépouille doivent être compris entre 6° et 10°.
Avance et vitesse
La vitesse de coupe fait référence à la vitesse de rotation de l’outil de coupe. Il doit être choisi en fonction du type d’alliage d’aluminium. En général, une vitesse de coupe plus élevée est recommandée pour éviter les arêtes rapportées et réduire la génération de chaleur.
L'avance est la vitesse d'avancement de l'outil. Ces tarifs diffèrent en fonction de la finition requise ; les coupes grossières peuvent utiliser une avance de 0.15 à 2.00 mm/tour tandis que les coupes de finition peuvent utiliser 0.05 à 0.20 mm/tour.
Liquide de coupe
Couper l'aluminium à sec est désastreux en raison de la formation de bords accumulés. Utilisez des huiles minérales non diluées et évitez tout liquide contenant du soufre actif ou du chlore car ils peuvent tacher l'aluminium.
Pièces en aluminium : techniques de finition
Une surface métallique est sujette à la rouille ou à la corrosion si elle n’est pas finie. De même, l’aluminium subit certaines techniques de finition qui servent uniquement à des fins de protection mais ajoutent également un élément esthétique.
Jet de sablefaire respecter
Le sablage consiste à projeter de fines particules de sable à grande vitesse sur la surface de l'aluminium à l'aide d'air comprimé. Ce processus nettoie la surface en éliminant toutes impuretés ou résidus et crée une texture uniforme et mate. Il est utile pour préparer le métal en vue d'une finition ultérieure ou pour obtenir un aspect de surface spécifique.
Anodisation
L'anodisation est un processus électrochimique qui épaissit la couche d'oxyde naturelle à la surface des pièces en aluminium. La couche ajoutée améliore la résistance à la corrosion, augmente la dureté de la surface et permet la teinture de l'aluminium.
Revêtement poudre
Le revêtement en poudre applique une poudre sèche sur l'aluminium. Il est ensuite durci à chaud pour former une fine couche. Ce revêtement est résistant, protecteur et disponible dans de nombreuses couleurs. La finition de surface est de haute qualité et meilleure que la peinture standard.
Les défis de l'usinage de l'aluminium
Bien que l’aluminium soit tendre et léger, son usinage présente des défis uniques :
Accumulation de gomme
L'aluminium a un point de fusion bas (660°C) – la chaleur de friction générée lors de la coupe ou du meulage peut ramollir le métal et adhérer à l'outil de coupe, créant ainsi un effet de « gommage ». Pour atténuer cela, il est conseillé d'utiliser des fraises en carbure dur accompagnées d'une lubrification continue par brouillard d'éthanol.
Des coûts plus élevés Des risques plus élevés
L'aluminium est plus cher que de nombreux autres métaux courants, de sorte que les coûts associés au remplacement/à la réparation des pièces endommagées sont nettement plus élevés.
Risque de contamination
Lorsqu'il est exposé à l'atmosphère, l'aluminium forme une couche d'oxyde qui peut être nocive si elle n'est pas éliminée avant le soudage ou l'usinage. Cette couche d'oxyde peut entraîner des imperfections et de la porosité dans le produit final.
Estimations des coûts pour l'usinage CNC de l'aluminium
Le coût est un facteur critique dans l’usinage, en particulier pour la production à grande échelle. Voici les principaux coûts impliqués dans le cycle de vie d’un produit en aluminium :
- Coût des matières premières: Le prix de l'aluminium varie en fonction de l'épaisseur, de la qualité et de la taille du matériau. Pour une estimation approximative, considérons l’alliage d’aluminium 6061 courant. Son prix est de 12 $ et 15 $ la livre.
- Coût d'usinage: Les coûts d'exploitation des machines diffèrent en fonction de leurs capacités. Pour une machine CNC 3 axes, le prix se situe entre 25 et 30 dollars de l'heure. Pour les machines CNC 5 axes plus avancées, le coût se situe entre 40 et 50 dollars de l'heure.
- Coût de l'outil: L'outil en carbure utilisé dans l'usinage de l'aluminium coûte environ 2 à 5 $ par pièce.
Applications des pièces en aluminium de machines CNC
L'aluminium est l'un des métaux les plus utilisés dans l'industrie en raison de ses caractéristiques avantageuses et de sa facilité d'usinage. Le tableau 1 répertorie les applications de l'aluminium dans les principaux secteurs quotidiens.
| Secteur | Applications spécifiques | Catégories d'aluminium |
| Automobile | Composants du moteur (pistons, cylindres) | 4032, 2618 |
| Transmission et structure | 6061, 7075 | |
| Industrie aerospatiale | Châssis structurels d'avions | 2024, 7075 |
| Composants d'engrenage | 7075, 2024 | |
| Fixations et ferrures | 7075, 6061 | |
| Vitrines et Écrans Numériques | Dissipateurs thermiques pour la gestion thermique | 6063, 1100 |
| Boîtiers pour appareils électroniques | 5052, 6061 | |
| Composants pour connecteurs et interrupteurs | 6061, 2024 | |
| Nourriture et emballage | Composants de machines pour la transformation des aliments | 6061, 5052 |
| Pièces de machines d'emballage | 6061, 5052 | |
| Moules pour emballage alimentaire | 3003, 6061 |
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