Barres d'acier au carbone
L'usinage de l'acier au carbone exige une bonne compréhension de l'alliage et de son aptitude à l'usinage sur mesure. Il s'agit d'un alliage fer-carbone contenant environ 0.05 % à 2.1 % de carbone en masse. Ses propriétés mécaniques et matérielles dépendent de la teneur en carbone, ce qui influe directement sur son usinabilité.
L'acier au carbone à faible teneur est plus tendre et généralement plus facile à usiner, tandis que les aciers au carbone à haute teneur sont plus difficiles à usiner et nécessitent des outils spécialisés, mais offrent une durabilité et une résistance à l'usure supérieures. Le choix de la teneur en carbone et de l'alliage d'acier influe sur la durée de vie de l'outil et, par conséquent, sur la précision des pièces en acier au carbone usinées CNC. Lire la suite :Acier allié contre acier au carbone
Qu'est-ce que l'acier au carbone?
Barres d'acier coupées
L'acier au carbone est composé de fer et de carbone et se divise en trois grandes catégories selon sa teneur en carbone : l'acier à faible teneur en carbone (moins de 0.3 %), l'acier à teneur moyenne (de 0.3 à 0.6 %) et l'acier à haute teneur en carbone (plus de 0.6 %).
Il ne contient pas d'éléments d'alliage intentionnels tels que le chrome, ce qui le distingue des alliages. Il contient des éléments mineurs comme le manganèse, le soufre, le phosphore et le silicium. La teneur en carbone présente dans l'acier influe directement sur les caractéristiques physiques et mécaniques du matériau, telles que la résistance, la dureté et la ductilité.
L'acier au carbone subit une transformation de phase austénitique en martensite lors d'un traitement thermique. Ce processus permet d'adapter ses propriétés. Les aciers à faible teneur en carbone, comme l'AISI 1018, présentent une bonne soudabilité et une bonne formabilité. Les aciers à haute teneur en carbone, comme l'AISI 1095, offrent une résistance à l'usure et une durabilité supérieures. L'acier au carbone est produit en faisant fondre du minerai de fer et du carbone dans des hauts fourneaux. L'acier en fusion est ensuite coulé et laminé pour obtenir des tôles ou des blocs d'acier au carbone.
L'acier au carbone de faible qualité possède une microstructure composée de ferrite et de perlite, tandis que les aciers au carbone de haute qualité présentent une structure composée de perlite et de cémentite. Cette différence de microstructure influe directement sur les propriétés de l'acier, telles que l'allongement et la résistance.
Propriétés d'usinage de l'acier au carbone
Éprouvette pour essai de traction
L'acier au carbone est utilisé pour l'usinage en raison de ses propriétés mécaniques et thermiques, ce qui rend son usinage adapté à une large gamme de composants industriels. L'acier au carbone usiné présente d'excellents états de surface et une grande durabilité. Voici quelques propriétés de l'acier au carbone qui en font un choix idéal pour l'usinage de pièces :
Dureté
La dureté des aciers au carbone varie de 125 HB à plus de 300 HB. Les matériaux les plus durs se déforment moins lors de l'usinage. Les aciers plus tendres, comme l'AISI 1010, s'usinent à des vitesses de coupe plus élevées, mais produisent des arêtes rapportées, tandis que les aciers plus durs nécessitent des outils spécifiques.
Résistance à la traction
La résistance à la traction des aciers à faible teneur en carbone peut varier de 370 MPa à 1 500 MPa pour les aciers à haute teneur en carbone. Une résistance à la traction plus élevée garantit une meilleure durabilité des pièces, mais complexifie également leur usinage.
Résistance au rendement
La limite d'élasticité est la contrainte à partir de laquelle une déformation plastique se produit. Les aciers au carbone ont une limite d'élasticité comprise entre 250 et 800 MPa. Un écrouissage peut se produire lors de l'usinage si les forces appliquées dépassent cette limite. Dans ce cas, l'usinage nécessite un ajustement de la vitesse d'avance.
Allongement et ductilité
L'acier à faible teneur en carbone présente un allongement à la rupture de 20 % à 40 %, et l'allongement à la rupture des aciers à haute teneur en carbone est même inférieur à 10 %. L'allongement plus important de l'acier à faible teneur en carbone produit des copeaux continus plus longs, tandis que l'acier à haute teneur en carbone, plus cassant, produit des copeaux segmentés.
Conductivité thermique
La conductivité thermique des aciers au carbone est d'environ 50 W/m·K. Leur dissipation thermique est modérée lors de l'usinage et doit être régulée. Une mauvaise gestion de la chaleur peut provoquer une dilatation thermique des matériaux et affecter les tolérances ainsi que la stabilité dimensionnelle.
Densité et module
La densité de l'acier au carbone est d'environ 7.85 g/cm³, et son module de Young est de 200 GPa, ce qui lui confère une rigidité suffisante pour permettre une déformation dans les grandes pièces. Le tableau suivant récapitule les propriétés typiques des nuances d'acier au carbone courantes :
| Niveau | La teneur en carbone (%) | Dureté (HB) | Résistance à la traction (MPa) | Limite d'élasticité (MPa) | Allongement (%) | Conductivité thermique (W/m·K) |
| AISI 1018 | 0.14-0.20 | 126-197 | 440 | 370 | 15 | 51.9 |
| AISI 1045 | 0.43-0.50 | 163-229 | 585 | 505 | 12 | 50.7 |
| AISI 1095 | 0.90-1.03 | 248-352 | 965 | 745 | 9 | 48.0 |
| AISI 1144 | 0.40-0.48 | 217-255 | 745 | 620 | 10 | 49.5 |
| AISI 1215 | 0.09 max | 167-229 | 540 | 415 | 10 | 51.0 |
Types d'outils capables de couper l'acier au carbone
Fraises d'usinage
Le choix des outils est crucial pour l'usinage de l'acier au carbone. Choisir l'outil adéquat permet d'accroître la précision et l'efficacité, tout en optimisant des paramètres tels que la génération de chaleur et l'écrouissage. Voici quelques outils courants :
- Outils en acier rapide (HSS)Les outils HSS sont composés de tungstène, de molybdène et de vanadium, ce qui améliore leur ténacité et permet des coupes plus nettes. Ils sont généralement utilisés pour l'usinage de matériaux de faible à moyenne épaisseur. aciers à moyen carbone avec des vitesses allant jusqu'à 30 m/min. Elles ne conviennent pas aux procédés à forte teneur en carbone car elles s'usent extrêmement vite en raison de la génération de chaleur.
- Outils en carbureCes outils sont à base de carbure de tungstène et revêtus de TiN ou de TiAlN pour une meilleure résistance à l'usure, essentielle pour l'usinage à grande vitesse (100-200 m/min) de tous les aciers au carbone. Ils permettent d'obtenir un meilleur état de surface et de réduire la déformation.
- Outils en céramiqueLes outils en céramique présentent une dureté très élevée, de l'ordre de 2000 HV, et permettent d'atteindre des vitesses de coupe jusqu'à 300 m/min. Ils sont généralement composés d'alumine et de composites de nitrure, matériaux très performants pour l'usinage. aciers à haute teneur en carbone (pour la découpe à sec) car elles sont capables de gérer la génération de chaleur.
- Plaquettes en carbure revêtuesCes plaquettes sont revêtues d'un traitement CVD ou PVD similaire au TiCN, ce qui multiplie leur durée de vie par 2 ou 3 en conditions abrasives. Elles sont couramment utilisées pour le tournage et le fraisage des aciers à moyen carbone.
- Outils en nitrure de bore cubique (CBN)Le CBN est le deuxième matériau le plus dur après le diamant, ce qui le rend idéal pour le tournage dur des aciers au carbone traités thermiquement (45-65 HRC). Il nécessite un minimum de liquide de refroidissement et permet une vitesse d'usinage allant jusqu'à 200 m/min.
- Fraises en carbure monoblocLes fraises en carbure sont utilisées pour les coupes profondes et possèdent une conception d'hélice différente qui minimise les vibrations.
- Fraises indexablesElles sont équipées de plaquettes en carbure permettant un remplacement rapide et une grande polyvalence pour le fraisage frontal des plaques en acier au carbone.
- Forets à pointes en carbureConçue pour le perçage, elle intègre des trous de refroidissement pour évacuer les copeaux et refroidir la zone de coupe dans l'acier au carbone.
- Tarauds et matricesLes tarauds et filières sont généralement fabriqués en acier rapide et en carbure pour le filetage. Ils sont revêtus d'un traitement anti-grippage pour les aciers ductiles à faible teneur en carbone.
Usinage CNC de l'acier au carbone
L'usinage de l'acier au carbone utilise des systèmes CNC qui enlèvent de la matière d'un bloc de métal massif pour former une pièce. Le programme CNC optimise les trajectoires d'outil, garantissant ainsi précision et régularité. L'usinage CNC utilise des outils en carbure pour enlever de la matière et un liquide de refroidissement pour réguler la température et évacuer les copeaux. Le processus CNC varie selon le type d'acier au carbone, et les machinistes utilisent différents paramètres de coupe pour un usinage efficace de ce type d'acier.
- Paramètres typiques (outils en carbure, acier à carbone moyen comme l'AISI 1045)Les vitesses de coupe sont de 100 à 200 m/min (328 à 656 SFM) avec une avance de 0.1 à 0.3 mm/dent et une profondeur de passe de 1 à 5 mm. Un arrosage abondant est utilisé pour réguler la température pendant l'usinage.
Fraisage CNC de l'acier au carbone
pièce en acier au carbone usinée CNC
Le fraisage CNC est un procédé soustractif programmé par ordinateur qui utilise des fraises à plusieurs pointes pour réaliser différentes caractéristiques telles que des contours et des rainures. Ce procédé permet également une ébauche pour enlever la majeure partie de la matière et donner forme à la pièce, suivie de passes de finition pour en affiner la précision dimensionnelle. Le fraisage en avalant est privilégié car il permet d'obtenir de meilleurs résultats que le fraisage conventionnel.
Tournage CNC de l'acier au carbone
Usinage de tour CNC
Le tournage CNC consiste à faire tourner une pièce par rapport à un outil de coupe fixe afin d'obtenir une forme cylindrique. Ce procédé permet de réaliser diverses caractéristiques telles que des alésages et des filetages.
L'utilisation d'un angle de dépouille positif sur les outils de coupe permet un contrôle efficace des copeaux, essentiel pour les opérations de finition. Le processus de coupe commence par un ébauche, suivie d'une seconde opération d'usinage de finition afin de garantir la conformité des pièces aux spécifications.
Usinage CNC sur axe 4
Usinage CNC sur 4 axes
L'usinage CNC 4 axes combine un axe de rotation (généralement l'axe A) avec les axes linéaires standard X, Y et Z. Cela permet de faire pivoter la pièce pour accéder à plusieurs faces sans avoir à la repositionner. Cette machine est spécialement conçue pour produire des composants en acier au carbone présentant des formes complexes telles que des cames à lobes, des rainures hélicoïdales et des pièces à profil enveloppant.
Usinage CNC multi-axes
L'usinage CNC multiaxes (5 axes ou plus) est un procédé moderne permettant de déplacer simultanément les pièces le long de 3 axes linéaires et de 2 axes de rotation. Cette caractéristique réduit le nombre de réglages et permet de réaliser des géométries complexes en une seule opération. L'usinage CNC multi-axes permet de réaliser des contre-dépouilles et des angles composés ainsi qu'une surface courbe, avec une grande précision.
Fabrication de pièces de grande taille
Une grande partie de la fabrication sur machines CNC consiste à réaliser des pièces de plus de 1 à 2 mètres de diamètre. Ces pièces de grande taille sont usinées à l'aide de systèmes à portique et de machines à grande course. Les pièces sont maintenues à l'aide de dispositifs de fixation robustes, et toute déformation due aux contraintes est compensée par des applications de relaxation des contraintes afin de contrer les déformations ou l'enlèvement inégal de matière.
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Défis liés à l'usinage de l'acier au carbone
Pièce en acier fini
L'usinage de l'acier au carbone, comme celui de tout autre matériau, présente des défis et des difficultés spécifiques qu'il convient de surmonter. Ces obstacles sont franchis grâce à l'optimisation des paramètres. Voici quelques-uns des obstacles les plus courants :
Usure des outils
L'usure des outils est un problème courant lors de l'usinage. Elle est généralement causée par des particules de carbone abrasives qui accélèrent l'usure en dépouille et en cratère, notamment dans les aciers à haute teneur en carbone, plus difficiles à usiner. Pour remédier à ce problème, les carbures sont revêtus afin d'améliorer leur durabilité, mais ils nécessitent une surveillance pour prévenir les défaillances et garantir un usinage réussi.
Production de chaleur
La chaleur générée lors de l'usinage peut atteindre 800 °C, ce qui peut provoquer une dilatation thermique et une déformation de la pièce. La température est régulée par l'utilisation de fluides de coupe et par la réduction des vitesses de rotation.
Durcissement au travail
L'écrouissage se produit lorsque le matériau dépasse sa limite d'élasticité. La déformation qui en résulte provoque un durcissement de la surface, ce qui nécessite une force de coupe plus importante. Une vitesse d'avance plus faible et un outil de coupe plus affûté permettent de réduire l'écrouissage, de conserver des surfaces souples et d'obtenir des résultats précis.
Contrôle des copeaux
Les aciers à faible teneur en carbone, plus ductiles, produisent des copeaux plus longs susceptibles de s'enchevêtrer. Les brise-copeaux et le liquide de refroidissement haute pression facilitent leur évacuation et garantissent un processus sans danger.
Problèmes de finition de surface
Les vibrations et les forces inégales entraînent des états de surface médiocres et des valeurs Ra élevées. L'utilisation d'outils rigides, correctement montés, ainsi qu'un réglage équilibré et une fixation adaptée à la forme et à la géométrie de la pièce permettent de réduire ce problème.
stabilité dimensionnelle
L'augmentation et le refroidissement répétés du matériau induisent des contraintes et des déformations. Le recuit est idéal pour réduire ces contraintes et stabiliser le matériau avant usinage.
Pièces courantes en acier au carbone usinées CNC de précision
- Boulons et attachesComposants filetés en acier AISI 1045, offrant une résistance à la traction élevée pour les assemblages structuraux.
- ArbresUsiné à partir d'acier AISI 1018, assurant une résistance à la torsion dans les transmissions.
- Engrenage: Fraisées à partir d'aciers à teneur moyenne en carbone, traitées thermiquement pour une résistance à l'usure dans les transmissions
- Goupilles et chevillesRectifié avec précision pour l'alignement dans les machines.
- Supports: Formée pour le montage, utilisant la ductilité pour le pliage après usinage.
- ValvesUsiné pour le contrôle des fluides, avec des tolérances serrées pour l'étanchéité.
- BridesTourné pour les raccords de tuyauterie, assurant ainsi la planéité.
- BushingsAlésage prévu pour les applications de roulements, réduisant ainsi la friction.
- Ressorts: Enroulé à partir de fil à haute teneur en carbone, offrant de l'élasticité.
- Couteaux et lamesAffûté à partir d'acier AISI 1095 pour outils de coupe.
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Applications de l'acier au carbone
Industrie automobile
L'industrie automobile utilise l'acier au carbone pour fabriquer diverses pièces, allant des châssis aux blocs-moteurs en passant par les composants de suspension. Ceci s'explique principalement par l'excellente durabilité et les propriétés mécaniques de l'acier au carbone.
Secteur de la construction
L'acier au carbone est utilisé pour fabriquer les barres d'armature des poutres de construction, assurant ainsi une grande intégrité structurelle aux bâtiments et aux ponts. Les tuyaux de forte section sont fabriqués en acier au carbone car ce matériau est capable de résister à des pressions extrêmement élevées.
Machines et équipements
Les engrenages, arbres et châssis de machines utilisés dans les principales industries sont fabriqués en acier au carbone. L'usinabilité de ce matériau permet la fabrication de pièces sur mesure pour les gabarits et les structures spécifiques.
PETROLE ET GAZ
Les tuyaux et vannes utilisés dans le secteur pétrolier et gazier doivent résister à des pressions élevées et à un environnement extrême. L'acier au carbone offre d'excellentes performances dans ces conditions et est donc largement utilisé dans l'industrie.
Industrie aerospatiale
L'industrie aérospatiale ne l'utilise que pour les fixations et les structures non critiques ou les pièces secondaires qui nécessitent les propriétés spécifiques de l'acier au carbone pour leur fonctionnement.
Biens de consommation
L'acier Carnon est utilisé dans une large gamme d'appareils et d'outils, tels que les mixeurs et les couteaux de cuisine, car il offre une grande durabilité à faible coût.
Usinage de métaux sur mesure
Boda fournit service de l'acier Nous proposons des alliages métalliques pour l'acier au carbone, l'acier allié et l'acier inoxydable. Nous maintenons un stock d'alliages métalliques accompagnés de certificats de matériaux et d'une transparence totale quant à leur fabrication. Les tolérances d'usinage CNC standard pour les pièces en acier au carbone sont généralement de ±0.025 mm, selon la complexité géométrique. Notre équipe d'ingénieurs propose également des services de conseil et d'assistance au choix des matériaux.
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Conclusion
L'usinage de l'acier au carbone est l'une des techniques de fabrication les plus répandues dans divers secteurs, de l'automobile au nautisme. Comparé à d'autres métaux, il présente des avantages en termes de coût et de disponibilité. titane contre acierFiable et performant, ce matériau est plébiscité par les fabricants. Il allie les propriétés des matériaux à des procédés de pointe pour produire des composants fiables qui font référence dans le secteur.
QFP
L'acier au carbone est-il usinable ?
Oui, l'acier au carbone est usinable. De nombreuses techniques d'usinage sont utilisées pour fabriquer des pièces et des composants.
L'acier au carbone est-il facile à fabriquer ?
Oui, il est facile à fabriquer, et l'acier au carbone est considéré comme le meilleur acier pour l'usinageLes procédés de fabrication modernes ont rendu sa fabrication relativement facile, et elle se fait principalement par moulage ou forgeage, selon la qualité de l'acier.
Peut-on usiner de l'acier au carbone par CNC ?
Oui, on peut usiner l'acier au carbone par commande numérique, et les pièces en acier au carbone usinées avec précision par commande numérique sont très prisées dans le secteur automobile.
L'acier au carbone est-il bon pour la coupe ?
L'acier au carbone est couramment utilisé pour fabriquer des outils de coupe, notamment les aciers à haute teneur en carbone qui conservent leur tranchant grâce à une dureté accrue. nuances d'acier allié peuvent également être sélectionnés pour des applications de résistance à la chaleur et à l'usure.