L'aluminium est l'élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre et le métal non ferreux le plus largement utilisé dans l'industrie manufacturière moderne. Il apparaît dans les produits du quotidien tels que les films ménagers et les canettes de boissons, ainsi que dans des applications exigeantes telles que les structures d'engins spatiaux et les composants de sous-marins. Cependant, dans l'usinage CNC, la pièce à usiner n'est presque jamais en aluminium pur : presque chaque pièce usinée est produite à partir d'un alliage corroyé et d'un état de trempe spécifiques, choisis pour un équilibre entre résistance, résistance à la corrosion, usinabilité, stabilité dimensionnelle et coût.
Propriétés clés qui influencent l'usinage
L'aluminium combine une ductilité et une plasticité élevées avec une faible densité, une bonne conductivité électrique et thermique et une résistance fiable à la corrosion. Lorsqu'une surface fraîchement découpée est exposée à l'air, un film d'oxyde fin et étroitement adhérent se forme spontanément et protège le métal sous-jacent ; le même film peut être délibérément épaissi par anodisation lorsqu'une surface plus dure et plus résistante à l'usure est requise. Les caractéristiques ci-dessous déterminent le comportement du matériau sur un centre d'usinage.
Densité:environ 2,70 g/cm3 pour les alliages courants (2,70 pour le 6061, 2,81 pour le 7075), soit environ un tiers de celui de l'acier au carbone.
Point de fusion:environ 660 degrés C pour l'aluminium pur, bien en dessous des 1 450 degrés C environ pour l'acier au carbone, un service à haute température n'est donc pas approprié.
Conductivité thermique :environ 200 à 235 W/(mK) pour les alliages corroyés, contre environ 50 W/(mK) pour l'acier au carbone ; la chaleur quitte rapidement la zone de coupe mais circule également dans le montage et le châssis de la machine.
Module d'élasticité :environ 69 GPa, de sorte que les parois minces et les outils minces fléchissent facilement et bénéficient de nervures ou d'un engagement radial réduit.
Dilatation thermique :environ 23 x 10-6 par K, soit environ le double de celui de l'acier, ce qui rend le contrôle de la température essentiel lorsque les tolérances sont serrées.
Recyclabilité :la refusion de l'aluminium recyclé permet d'économiser jusqu'à 95 pour cent de l'énergie nécessaire à la production de métal primaire.
Les mêmes caractéristiques définissent les limites du matériau. L'aluminium est plus tendre que l'acier et n'est pas le premier choix pour les pièces qui doivent résister à des chocs violents ou à des charges extrêmes. Sa dilatation thermique élevée et son faible point de fusion signifient qu'une chaleur de coupe excessive provoque une distorsion et rend difficile le maintien de tolérances étroites, tandis que sa faible rigidité favorise le broutage lorsque les sections non supportées sont usinées de manière agressive.
La série des huit alliages forgés
L'aluminium corroyé est divisé en huit séries selon le principal élément d'alliage. Chaque série comporte un ensemble caractéristique de propriétés, et le choix de la série détermine généralement davantage la pièce usinée que toute autre décision.
| Série | Élément d'alliage principal | Notes typiques | Comportement en usinage |
|---|---|---|---|
| 1000 | Aucun, pureté de 99,00 pour cent ou plus | 1050, 1060, 1100 | Le plus doux et le plus ductile ; meilleure conductivité ; chips gommeuses et mauvaise casse des chips |
| 2000 | Cuivre, environ 3 à 5 pour cent | 2024, 2A16 | Haute résistance et dureté ; les variantes de coupe libre contiennent du plomb et du bismuth ; résistance à la corrosion limitée |
| 3000 | Manganèse, environ 1,0 à 1,5 pour cent | 3003, 3004, 3A21 | Bonne maniabilité et résistance à la rouille ; ne peut pas être traité thermiquement |
| 4000 | Silicium, généralement 4,5 à 6,0 pour cent | 4A01, 4043, 4047 | Point de fusion bas ; utilisé pour le fil d'apport, le revêtement et les pièces résistantes à l'usure |
| 5000 | Magnésium | 5052, 5005, 5083, 5A05 | Écrouissage uniquement ; 5052 contient environ 2,2 à 2,8 pour cent de Mg et 5083 environ 4,0 à 4,9 pour cent de Mg ; solide, résistant et facile à former |
| 6000 | Magnésium et silicium | 6061, 6063, 6082 | Le choix par défaut pour les composants usinés ; durcissable par précipitation avec un bon état de surface |
| 7000 | Zinc, avec cuivre et magnésium | 7075, 7050 | Résistance maximale après durcissement par précipitation ; utilisation aérospatiale; résistance à la corrosion inférieure |
| 8000 | D'autres éléments comme le fer et le lithium | 8011, 8176 | Attrapez toutes les séries ; 8176 contient environ 0,6 pour cent de Fe et 0,1 pour cent de Si et est utilisé pour les fils conducteurs |
Les alliages des séries 3000, 4000 et 5000 ne peuvent pas être renforcés par traitement thermique : ils ne gagnent en résistance que par réduction à froid, c'est-à-dire par écrouissage. La série 1000 est la moins chère et la plus conductrice, les séries 2000 et 7000 offrent la résistance la plus élevée et la série 6000 offre le meilleur compromis entre résistance, résistance à la corrosion, soudabilité et comportement à l'usinage.
Désignations de trempe et traitement thermique
La désignation de trempe suit le numéro d’alliage et décrit l’état métallurgique de la matière. Pour les pièces usinées, les états spécifiés le plus souvent sont O pour les matériaux recuits, H pour les états écrouis tels que H14, H22 et H24, et T pour les états traités thermiquement. Le groupe T est divisé : T4 couvre le traitement thermique en solution suivi d'un vieillissement naturel, T5 couvre le refroidissement issu d'un processus de mise en forme à température élevée suivi d'un vieillissement artificiel, et T6 couvre le traitement thermique en solution suivi d'un vieillissement artificiel. 6061-T6 et 7075-T6 sont les deux états les plus fréquemment cités pour les composants de précision.
Le traitement thermique n'est pas un paramètre d'usinage, mais il modifie presque tous les paramètres d'usinage. Le traitement en solution suivi d'un vieillissement artificiel augmente la limite d'élasticité et la dureté, modifie la formation de copeaux et les forces de coupe et augmente le risque de distorsion. Lorsqu'une pièce est produite à partir d'un stock T6, des passes de finition légères et une barre de détente sont recommandées, afin que les contraintes résiduelles libérées par l'enlèvement de matière ne tirent pas la pièce hors tolérance après l'ouverture du luminaire.
Sélection d'un alliage pour une pièce usinée spécifique
Pièces structurelles à usage général :Le 6061-T6 offre une bonne résistance, une excellente résistance à la corrosion, une soudabilité et un aspect anodisé propre.
Résistance maximale dans les sections minces :Le 7075-T6 offre la plus haute résistance parmi les nuances courantes, le 7050 étant préféré là où les sections lourdes doivent être trempées sans distorsion excessive.
Usinage de vis en grand volume :Les nuances de coupe libre 2011 et 2024 brisent les copeaux proprement et tolèrent des vitesses d'avance élevées, au détriment de la résistance à la corrosion.
Matériel électrique et thermique :1050, 1060 et 1100 exploitent la conductivité la plus élevée et le coût des matières premières le plus bas.
Applications marines et sous pression :Les modèles 5052 et 5083 résistent aux attaques de l'eau salée et sont préférés partout où la résistance à la corrosion l'emporte sur la résistance.
Extrusions et boîtiers architecturaux :Le 6063 donne une surface d'anodisation lisse avec une résistance modérée.
Pratique d'usinage et contrôle des processus
L'aluminium est découpé à des vitesses de surface élevées, fréquemment de 200 à 600 m/min avec des outils en carbure 6061-T6, à l'aide de cannelures polies, d'angles de coupe généreux et soit d'un liquide de refroidissement par inondation, soit d'un brouillard d'air à haute pression. Les principaux risques sont l'accumulation de bords sur les états les plus doux, l'accumulation de copeaux dans les poches profondes et la distorsion thermique dans les parois minces. Des outils tranchants en carbure non revêtus ou revêtus de diamant poli, un fraisage en montée avec un léger engagement radial et des longueurs de goujures courtes améliorent tous la stabilité.
Des tolérances générales de plus ou moins 0,05 mm sont réalisables sur des pièces de taille moyenne, et plus ou moins 0,01 mm est réaliste lorsque la géométrie est rigide et thermiquement stable. Les finitions de surface allant de Ra 3,2 micromètres à Ra 0,8 micromètres sont courantes, et l'anodisation, le revêtement de conversion au chromate ou le marquage laser sont des opérations ultérieures courantes. Lorsqu'un dessin fait appel à un système de tolérance générale, la norme ISO 2768 en classe m ou f est généralement référencée, et la vérification mécanique de la pièce finie suit généralement la norme ASTM E8/E8M pour les tests de tension ou la norme ASTM E384 pour la dureté par microindentation.
Foire aux questions
Q : Quel alliage d'aluminium convient le mieux aux pièces usinées CNC ?
Le 6061-T6 convient à la majorité des composants car il équilibre la résistance, la résistance à la corrosion, la soudabilité et le coût. Spécifiez le 7075-T6 uniquement lorsqu'une résistance plus élevée justifie un prix plus élevé et une résistance à la corrosion réduite, et le 5083 ou 5052 lorsque l'exposition à l'eau salée domine la conception.
Q : Les alliages d’aluminium peuvent-ils être traités thermiquement après usinage ?
Seuls les alliages à durcissement par précipitation des séries 2000, 6000 et 7000 répondent au traitement thermique. Les alliages des séries 1000, 3000, 4000 et 5000 sont renforcés par écrouissage, donc tout traitement thermique ne fera que les ramollir.
Q : Pourquoi l'aluminium se déforme-t-il pendant l'usinage ?
Trois effets se combinent : le faible point de fusion limite la chaleur que le matériau peut absorber, le coefficient de dilatation thermique est environ deux fois supérieur à celui de l'acier et les contraintes résiduelles bloquées dans le matériau laminé ou extrudé sont libérées au fur et à mesure que le matériau est retiré. Un matériau sans contrainte, un enlèvement de matière symétrique et un liquide de refroidissement généreux réduisent tous le problème.
Q : Comment l’état affecte-t-il l’usinabilité ?
Les états plus doux tels que O et H14 forment de longs copeaux gommeux qui s'accumulent sur le tranchant, tandis que les états T6 et T651 produisent des copeaux courts et bien brisés et permettent des vitesses de coupe plus élevées avec une meilleure finition de surface sur les pièces tenues de manière rigide.
Q : Quelles tolérances sont réalistes pour les pièces usinées en aluminium ?
Une tolérance générale de plus ou moins 0,05 mm est normale, plus ou moins 0,02 mm est réalisable avec le contrôle de la température, et plus ou moins 0,01 mm nécessite un montage stable, un outillage adapté et une inspection dans un environnement contrôlé.
Q : Comment les pièces en aluminium doivent-elles être protégées après l'usinage ?
L'anodisation crée une couche d'oxyde dur pour l'usure et l'apparence, le revêtement de conversion au chromate maintient la conductivité tout en ajoutant une protection contre la corrosion, et un simple emballage scellé avec protection en phase vapeur est suffisant pour les pièces qui seront peintes ou assemblées rapidement.
