Matériaux en aluminium pour l'usinage CNC
L'aluminium est l'un des matériaux les plus usinés aujourd'hui. En effet, les opérations d'usinage CNC de l'aluminium se classent juste après celles de l'acier en termes de fréquence d'exécution. Ceci est principalement dû à son excellente usinabilité.
À l'état pur, l'aluminium est un élément chimique mou, ductile, non magnétique et d'aspect blanc argenté. Cependant, il n'est pas utilisé uniquement sous sa forme pure. L'aluminium est généralement allié à divers éléments tels que le manganèse, le cuivre et le magnésium pour former des centaines d'alliages aux propriétés nettement améliorées.
Cet article explore les procédés, les outils, les paramètres et les défis liés à l'usinage CNC de l'aluminium et de ses alliages. Il aborde également les propriétés de l'aluminium, les alliages les plus couramment utilisés en usinage CNC, ainsi que ses applications dans divers secteurs industriels.
Usinabilité
L'aluminium se forme, se travaille et s'usine facilement grâce à divers procédés. Sa malléabilité et sa facilité d'écaillage permettent une découpe rapide et aisée par les machines-outils. De plus, il est moins coûteux et son usinage requiert moins d'énergie que celui de l'acier. Ces caractéristiques représentent des avantages considérables tant pour l'opérateur que pour le client. Par ailleurs, sa bonne usinabilité limite sa déformation lors de l'usinage, ce qui permet une plus grande précision et, par conséquent, des tolérances plus strictes pour les machines CNC.
Rapport force-poids
L'aluminium a une densité environ trois fois inférieure à celle de l'acier, ce qui le rend relativement léger. Malgré sa légèreté, l'aluminium possède une très haute résistance. Cette combinaison de résistance et de légèreté est décrite par le rapport résistance/poids des matériaux. Ce rapport résistance/poids élevé rend l'aluminium particulièrement adapté à la fabrication de pièces requises dans plusieurs secteurs industriels, tels que l'automobile et l'aérospatiale.
Résistance à la corrosion
L'aluminium est résistant aux rayures et à la corrosion dans les conditions marines et atmosphériques courantes. L'anodisation permet d'améliorer ces propriétés. Il est important de noter que la résistance à la corrosion varie selon les nuances d'aluminium. Cependant, les nuances les plus fréquemment usinées par commande numérique (CNC) présentent la meilleure résistance.
Performances à basses températures
La plupart des matériaux perdent certaines de leurs propriétés souhaitables à des températures inférieures à zéro. Par exemple, l'acier au carbone et le caoutchouc deviennent cassants à basse température. L'aluminium, quant à lui, conserve sa souplesse, sa ductilité et sa résistance même à très basse température.
Conductivité électrique
La conductivité électrique de l'aluminium pur est d'environ 37.7 millions de siemens par mètre à température ambiante. Bien que les alliages d'aluminium puissent présenter une conductivité inférieure à celle de l'aluminium pur, celle-ci reste suffisante pour que leurs composants soient utilisés dans la fabrication de pièces électriques. En revanche, l'aluminium serait un matériau inadapté si la conductivité électrique n'est pas une caractéristique recherchée pour une pièce usinée.
Recyclabilité
L'usinage CNC étant un procédé de fabrication soustractif, il génère une grande quantité de copeaux, qui constituent des déchets. L'aluminium est hautement recyclable, ce qui signifie que son recyclage requiert relativement peu d'énergie, d'efforts et de coûts. Il est donc préférable pour ceux qui souhaitent amortir leurs dépenses ou réduire le gaspillage de matériaux. De plus, l'aluminium est un matériau plus respectueux de l'environnement à usiner.
Potentiel d'anodisation
L'anodisation, un procédé de finition de surface qui accroît la résistance à l'usure et à la corrosion d'un matériau, est facile à mettre en œuvre sur l'aluminium. Ce procédé facilite également la coloration des pièces en aluminium usinées.
Alliages d'aluminium populaires pour l'usinage CNC
D'après notre expérience chez Xometry, les 5 nuances d'aluminium suivantes sont parmi les plus fréquemment utilisées pour l'usinage CNC.
EN AW-2007 / 3.1645 / AlCuMgPb
Désignations alternatives : 3.1645 ; EN 573-3 ; AlCu4PbMgMn.
Cet alliage d'aluminium contient du cuivre comme principal élément d'alliage (4 à 5 %). C'est un alliage à grains courts, durable, léger et très fonctionnel, présentant les mêmes excellentes propriétés mécaniques que l'AW 2030. Il convient également au filetage, au traitement thermique et à l'usinage à grande vitesse. Toutes ces propriétés expliquent l'utilisation répandue de l'EN AW 2007 dans la production de pièces mécaniques, de boulons, de rivets, d'écrous, de vis et de barres filetées. Cependant, cet alliage présente une faible soudabilité et une faible résistance à la corrosion ; il est donc recommandé de procéder à une anodisation de protection après usinage.
EN AW-5083 / 3.3547 / Al-Mg4,5Mn
Désignations alternatives : 3.3547 ; Alliage 5083 ; EN 573-3 ; UNS A95083 ; ASTMB209 ; AlMg4.5Mn0.7
L'alliage AW 5083 est réputé pour ses excellentes performances en environnements extrêmes. Il contient du magnésium et de faibles traces de chrome et de manganèse. Cet alliage présente une très haute résistance à la corrosion, tant en milieu chimique qu'en milieu marin. Parmi tous les alliages non traitables thermiquement, l'AW 5080 possède la plus haute résistance mécanique, une propriété qu'il conserve même après soudage. Bien que cet alliage ne doive pas être utilisé à des températures supérieures à 65 °C, il excelle dans les applications à basse température.
Grâce à ses nombreuses propriétés avantageuses, l'AW 5080 est utilisé dans de nombreuses applications, notamment les équipements cryogéniques, les applications marines, les équipements sous pression, les applications chimiques, les constructions soudées et les carrosseries de véhicules.
EN AW 5754 / 3.3535 / Al-Mg3
Désignations alternatives : 3.3535; Alliage 5754; EN 573-3; U21NS A95754; ASTM B 209; Al-Mg3.
L'alliage d'aluminium-magnésium AW 5754, à très haute teneur en aluminium, peut être laminé, forgé et extrudé. Il ne subit aucun traitement thermique et peut être écroui pour accroître sa résistance, mais au détriment de sa ductilité. De plus, cet alliage présente une excellente résistance à la corrosion et une haute résistance mécanique. Compte tenu de ces propriétés, l'AW 5754 est l'un des alliages d'aluminium les plus utilisés pour l'usinage CNC. On le retrouve couramment dans les structures soudées, les revêtements de sol, les équipements de pêche, les carrosseries de véhicules, l'industrie agroalimentaire et la fabrication de rivets.
EN AW-6060 / 3.3206 / Al-MgSi
Désignations alternatives : 3.3206 ; OIN 6361 ; UNS A96060 ; ASTM B 221 ; AlMgSi0,5
Il s'agit d'un alliage d'aluminium corroyé contenant du magnésium et du silicium. Il est traitable thermiquement et présente une résistance moyenne, une bonne soudabilité et une bonne formabilité. Il est également très résistant à la corrosion, une propriété qui peut être encore améliorée par anodisation. L'alliage EN AW 6060 est fréquemment utilisé dans la construction, l'industrie agroalimentaire, le matériel médical et l'automobile.
EN AW-7075 / 3.4365 / Al-Zn6MgCu
Désignations alternatives : 3.4365 ; UNS A96082 ; H30 ; Al-Zn6MgCu.
Le zinc est le principal élément d'alliage de cet aluminium. Bien que l'EN AW 7075 présente une usinabilité moyenne, de faibles propriétés de formage à froid et ne soit pas adapté au soudage ni au brasage, il possède un rapport résistance/densité élevé, une excellente résistance aux environnements atmosphériques et marins, et une résistance comparable à celle de certains aciers. Cet alliage est utilisé dans de nombreuses applications, notamment la fabrication de cadres de deltaplanes et de vélos, d'équipements d'escalade, d'armements et d'outillage.
EN AW-6061 / 3.3211 / Al-Mg1SiCu
Désignations alternatives : 3.3211, UNS A96061, A6061, Al-Mg1SiCu.
Cet alliage contient du magnésium et du silicium comme principaux éléments d'alliage, ainsi que des traces de cuivre. Avec une résistance à la traction de 180 MPa, il s'agit d'un alliage à haute résistance, particulièrement adapté aux structures fortement sollicitées telles que les échafaudages, les wagons de chemin de fer, les pièces de machines et les composants aérospatiaux.
EN AW-6082 / 3.2315 / Al-Si1Mg
Désignations alternatives : 3.2315, UNS A96082, A-SGM0,7, Al-Si1Mg.
Généralement obtenu par laminage et extrusion, cet alliage présente une résistance moyenne, une excellente soudabilité et une bonne conductivité thermique. Il offre une résistance élevée à la fissuration par corrosion sous contrainte. Sa résistance à la traction se situe entre 140 et 330 MPa. Il est largement utilisé dans la construction offshore et la fabrication de conteneurs.
Processus d'usinage CNC en aluminium
L'aluminium peut être usiné grâce à plusieurs procédés d'usinage CNC disponibles aujourd'hui. En voici quelques exemples.
Tournage CNC
Lors des opérations de tournage CNC, la pièce tourne tandis que l'outil de coupe reste immobile sur son axe. Selon la machine, c'est soit la pièce, soit l'outil de coupe qui effectue un mouvement d'avance par rapport à l'autre afin d'enlever de la matière.
Fraisage CNC
Les opérations de fraisage CNC sont les plus couramment utilisées pour l'usinage de pièces en aluminium. Elles consistent en la rotation d'un outil de coupe multipoints autour de son axe, tandis que la pièce reste immobile sur son propre axe. L'usinage, et par conséquent l'enlèvement de matière, est réalisé par le mouvement d'avance de la pièce, de l'outil de coupe, ou des deux combinés. Ce mouvement peut s'effectuer selon plusieurs axes.
Empochage
Également appelée fraisage de poches, l'usinage de poches est une forme de fraisage CNC dans laquelle une poche creuse est usinée dans une pièce.
Face à
Le surfaçage en usinage consiste à créer une zone de section transversale plane sur la surface d'une pièce, soit par tournage frontal, soit par fraisage frontal.
Perçage CNC
Le perçage CNC est le procédé de réalisation d'un trou dans une pièce. Lors de cette opération, un outil de coupe rotatif multipoints d'une dimension spécifique se déplace en ligne droite perpendiculairement à la surface à percer, créant ainsi un trou.
Outils pour l'usinage de l'aluminium
Plusieurs facteurs influencent le choix d'un outil pour l'usinage CNC de l'aluminium.
Conception d'outils
Plusieurs aspects de la géométrie d'un outil influent sur son efficacité d'usinage de l'aluminium. Parmi eux, le nombre de goujures. Pour faciliter l'évacuation des copeaux à haute vitesse, les outils de coupe pour l'usinage CNC de l'aluminium doivent comporter 2 à 3 goujures. Un nombre de goujures plus élevé réduit la profondeur des rigoles, ce qui peut entraîner le blocage des gros copeaux produits par les alliages d'aluminium. Lorsque les efforts de coupe sont faibles et que l'évacuation des copeaux est cruciale, il est conseillé d'utiliser un outil à 2 goujures. Pour un compromis optimal entre évacuation des copeaux et robustesse de l'outil, il est recommandé d'utiliser un outil à 3 goujures.
Angle d'hélice
L'angle d'hélice est l'angle formé par l'axe de coupe et la tangente à l'arête de coupe. C'est une caractéristique importante des outils de coupe. Un angle d'hélice élevé permet une évacuation plus rapide des copeaux, mais augmente la friction et la chaleur pendant la coupe. Ceci peut entraîner le soudage des copeaux à la surface de l'outil lors de l'usinage CNC à grande vitesse de l'aluminium. À l'inverse, un angle d'hélice faible génère moins de chaleur, mais l'évacuation des copeaux peut s'avérer moins efficace. Pour l'usinage de l'aluminium, un angle d'hélice de 35° ou 40° convient à l'ébauche, tandis qu'un angle de 45° est optimal pour la finition.
Angle de dégagement
L'angle de dépouille est un autre facteur important pour le bon fonctionnement d'un outil. Un angle trop important entraînerait un enfoncement de l'outil dans la pièce et des vibrations. À l'inverse, un angle trop faible provoquerait des frottements entre l'outil et la pièce. Les angles de dépouille compris entre 6° et 10° sont optimaux pour l'usinage CNC de l'aluminium.
Matériel d'outil
Le carbure est le matériau de prédilection pour les outils de coupe utilisés dans l'usinage CNC de l'aluminium. L'aluminium étant un métal tendre, la qualité essentielle d'un outil de coupe pour ce matériau n'est pas sa dureté, mais sa capacité à conserver un tranchant exceptionnel. Cette capacité est présente dans les outils en carbure et dépend de deux facteurs : la taille des grains de carbure et le rapport liant/carbone. Si une taille de grain plus importante confère au matériau une dureté plus élevée, une taille de grain plus fine garantit un matériau plus résistant aux chocs et plus tenace, propriété recherchée. L'obtention d'une structure à grains fins et d'une résistance optimale nécessite l'ajout de cobalt.
Cependant, le cobalt réagit avec l'aluminium à haute température, formant une arête rapportée en aluminium sur la surface de l'outil. L'essentiel est d'utiliser un outil en carbure contenant la quantité adéquate de cobalt (2 à 20 %) afin de minimiser cette réaction, tout en conservant la résistance requise. Les outils en carbure supportent généralement mieux que les outils en acier les vitesses élevées associées à l'usinage CNC de l'aluminium.
Outre le matériau de l'outil, son revêtement est un facteur important de son efficacité de coupe. Le nitrure de zirconium (ZrN), le diborure de titane (TiB2) et les revêtements de type diamant sont des exemples de revêtements adaptés aux outils utilisés pour l'usinage CNC de l'aluminium.
Avances et vitesses
La vitesse de coupe correspond à la vitesse de rotation de l'outil de coupe. L'aluminium supporte des vitesses de coupe très élevées ; par conséquent, la vitesse de coupe des alliages d'aluminium dépend des limites de la machine utilisée. Lors de l'usinage CNC de l'aluminium, il est conseillé d'utiliser une vitesse aussi élevée que possible afin de réduire le risque de formation d'arêtes rapportées, de gagner du temps, de minimiser l'échauffement de la pièce, d'améliorer le concassage et la finition. La vitesse exacte varie en fonction de l'alliage d'aluminium et du diamètre de l'outil.
L'avance correspond à la distance parcourue par la pièce ou l'outil par tour de ce dernier. L'avance utilisée dépend de la finition souhaitée, de la résistance et de la rigidité de la pièce. L'ébauche nécessite une avance de 0.15 à 2.03 mm/tr, tandis que la finition requiert une avance de 0.05 à 0.15 mm/tr.
Liquide de coupe
Malgré son usinabilité, il ne faut jamais usiner l'aluminium à sec, car cela favorise la formation d'arêtes rapportées. Les fluides de coupe appropriés pour l'usinage CNC de l'aluminium sont les émulsions d'huile soluble et les huiles minérales. Évitez les fluides de coupe contenant du chlore ou du soufre actif, car ces éléments tachent l'aluminium.
Procédés post-usinage
Après l'usinage d'une pièce en aluminium, plusieurs procédés permettent d'améliorer ses caractéristiques physiques, mécaniques et esthétiques. Voici les procédés les plus courants.
microbillage et sablage
Le microbillage est un procédé de finition esthétique. Il consiste à projeter de fines billes de verre sur une pièce usinée à l'aide d'un pistolet à air comprimé, ce qui permet d'enlever efficacement de la matière et d'obtenir une surface lisse. Il confère à l'aluminium un aspect satiné ou mat. Les principaux paramètres du microbillage sont la taille des billes de verre et la pression d'air. Ce procédé est à privilégier lorsque les tolérances dimensionnelles de la pièce ne sont pas critiques.
Les autres procédés de finition comprennent le polissage et la peinture.
Revêtement
Ce procédé consiste à recouvrir une pièce en aluminium d'un autre matériau, comme du zinc, du nickel ou du chrome. Il vise à améliorer les processus de fabrication des pièces et peut être réalisé par des procédés électrochimiques.
Anodisation
L'anodisation est un procédé électrochimique qui consiste à immerger une pièce en aluminium dans une solution d'acide sulfurique diluée, puis à appliquer une tension électrique entre la cathode et l'anode. Ce procédé transforme les surfaces exposées de la pièce en un revêtement d'oxyde d'aluminium dur et électriquement inerte. La densité et l'épaisseur du revêtement dépendent de la consistance de la solution, de la durée d'anodisation et de l'intensité du courant électrique. L'anodisation peut également être utilisée pour colorer une pièce.
Revêtement poudre
Le procédé de revêtement en poudre consiste à recouvrir une pièce de poudre polymère colorée à l'aide d'un pistolet de pulvérisation électrostatique. La pièce est ensuite laissée à cuire à une température de 200 °C. Le revêtement en poudre améliore la résistance mécanique et la tenue à l'usure, à la corrosion et aux chocs.
Traitement thermique
Les pièces fabriquées à partir d'alliages d'aluminium traitables thermiquement peuvent subir un traitement thermique afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques.
Applications des pièces en aluminium usinées CNC dans l'industrie
Comme indiqué précédemment, les alliages d'aluminium possèdent de nombreuses propriétés intéressantes. Par conséquent, les pièces en aluminium usinées CNC sont indispensables dans plusieurs secteurs industriels, notamment :
- Industrie aerospatiale: en raison de son rapport résistance/poids élevé, plusieurs accessoires d'aéronefs sont fabriqués en aluminium usiné ;
- Automobile: à l'instar de l'industrie aérospatiale, plusieurs pièces telles que les arbres et autres composants de l'industrie automobile sont fabriquées en aluminium ;
- Électricité: grâce à leur conductivité électrique élevée, les pièces en aluminium usinées CNC sont souvent utilisées comme composants électroniques dans les appareils électriques ;
- Alimentaire / Pharmaceutique: parce qu’elles ne réagissent pas avec la plupart des substances organiques, les pièces en aluminium jouent un rôle important dans les industries alimentaires et pharmaceutiques ;
- Sports L'aluminium est souvent utilisé pour fabriquer des équipements sportifs tels que des battes de baseball et des sifflets de sport ;
- CryogénieLa capacité de l'aluminium à conserver ses propriétés mécaniques à des températures inférieures à zéro rend les pièces en aluminium intéressantes pour les applications cryogéniques.