L’acier inoxydable n’est qu’une des nombreuses classes d’acier. Non seulement il possède résistance et ténacité, mais il offre également une excellente résistance à la corrosion, une bonne usinabilité et des caractéristiques de soudage. Il est considéré comme un matériau d'usinage CNC idéal qui combine durabilité et rentabilité.
Ce guide abordera les différents types d'acier inoxydable et se concentrera sur les nuances les plus couramment utilisées dans l'usinage CNC. Nous présenterons ensuite les avantages et les défis liés à l’utilisation de l’acier inoxydable dans l’usinage CNC et partagerons des conseils pratiques pour surmonter ces défis courants.
Qu'est-ce que l'usinage CNC de l'acier inoxydable ?
L'usinage CNC de l'acier inoxydable est un processus de fabrication qui utilise des outils et des équipements de coupe contrôlés par ordinateur pour façonner avec précision les pièces. en matériaux en acier inoxydable.
Les aciers inoxydables sont une famille d'alliages à base de fer connus pour leur résistance à la corrosion, leur solidité et leur durabilité, et sont largement utilisés dans diverses industries. L'usinage CNC est un processus de fabrication hautement automatisé, précis et flexible, contrôlé par la technologie de commande numérique par ordinateur (CNC). Il englobe un large éventail d'opérations telles que la découpe, le le fraisage, le tournage, perçage, alésage, gravure et même EDM (usinage par électroérosion).
Le processus d'usinage CNC de l'acier inoxydable commence par la création d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) de la pièce souhaitée. Cette conception numérique est ensuite convertie en code lisible par machine à l’aide du logiciel CAM (Computer-Aided Manufacturing). La machine CNC lit le code pour contrôler avec précision le mouvement de l'outil de coupe, la vitesse d'avance, la vitesse de broche et les paramètres de refroidissement, permettant ainsi la découpe et le façonnage automatisés de la pièce en acier inoxydable.
Types d'acier inoxydable
Tout comme il existe différents types d'alliages d'aluminium, l'acier inoxydable est également classé en plusieurs catégories en fonction de sa composition et de sa microstructure. Jetons d’abord un coup d’œil au tableau ci-dessous pour avoir une première compréhension :
Type
Composition
Grades courantes
Propriétés
Applications
Aciers inoxydables austénitiques
▪ 16% à 26% de chrome ▪ 8% à 12% de nickel ▪ 2% à 3% de molybdène ▪ Typiquement moins de 0,10% de carbone
304/304L 316/316L 303 321 347
▪ Excellente résistance à la corrosion ▪ Haute ductilité et ténacité ▪ Excellente soudabilité ▪ Résistance modérée à la fissuration sous contrainte par corrosion ▪ Non magnétique/faiblement magnétique ▪ Non traité thermiquement
▪ Industrie alimentaire et des boissons ▪Industrie chimique et pharmaceutique ▪ Dispositifs médicaux ▪ Systèmes d'échappement automobile ▪ Ustensiles de cuisine et couverts ▪ Composants architecturaux
Acier inoxydable ferritique
▪ 10.5% à 30% de chrome ▪ Généralement sans nickel ▪ 1% à 2% de molybdène ▪ Moins de 0,08% de carbone
430 409 434 439 446
▪ Bonne résistance à la corrosion ▪ Mauvaise ténacité à basse température ▪ Mauvaise soudabilité ▪ Haute résistance à la fissuration sous contrainte par corrosion ▪ Magnétique ▪ Non traité thermiquement ▪ Rentabilité ▪ Résistance à haute température
▪ Systèmes d'échappement automobile, silencieux ▪ Échangeurs de chaleur ▪ Appareils ménagers ▪ Ustensiles de cuisine ▪ Fours industriels et chambres de combustion ▪ Revêtements, toitures
Acier inoxydable martensitique
▪ 12% à 18% de chrome ▪ Généralement sans nickel, parfois 2% à 4% ▪ 0 à 1% de molybdène ▪ 0,1% à 1,2% de carbone
410 416 420 440C
▪ Résistance à la corrosion modérée ▪ Capacité de durcissement ▪ Haute dureté et résistance à l'usure ▪ Typiquement magnétique ▪ Traitement thermique possible
▪ Outils de coupe ▪ Lames ▪ Composants de vannes ▪ Instruments médicaux ▪ Roulements
Acier inoxydable duplex
▪ 18% à 30% de chrome ▪ 1% à 9,5% de nickel ▪ 0,1% à 5% de molybdène ▪ Généralement sans carbone
2205 2507
▪ Excellente résistance à la corrosion ▪ Haute résistance et ductilité ▪ Haute résistance à la fissuration sous contrainte par corrosion ▪ Typiquement magnétique ▪ Traitement thermique possible
▪ Équipements pétroliers et gaziers ▪ Ingénierie chimique et marine ▪ Équipements de transformation alimentaire et contenants ▪ Construction et ponts
Acier inoxydable durci par précipitation
Éléments d'alliage tels que titane, cuivre, phosphore ou aluminium en petites quantités.
17-4 PH 15-5 PH
▪ Très variable (réglé pour des résultats spécifiques) ▪ Haute résistance ▪ Bonne ténacité et ductilité ▪ Bonne résistance à la corrosion ▪ Traitement thermique possible
▪ Composants structurels d'avions ▪ Militaire et défense ▪ Instruments chirurgicaux et implants orthopédiques ▪ Pièces automobiles haute performance ▪ Systèmes hydrauliques, arbres et engrenages
Acier inoxydable austénitique
L'acier inoxydable austénitique est le type le plus courant, la série 300, comme le 304 et le 316, étant ses principaux représentants. Sa teneur élevée en chrome et en nickel offre une excellente résistance à la corrosion, une soudabilité et une facilité de stérilisation. Cependant, ces nuances sont plus difficiles à usiner en raison de leur ténacité et de leur tendance à l'écrouissage, qui augmentent l'usure des outils et la génération de chaleur. Parmi la série 300, la nuance 303 fait exception, car l'inclusion de soufre ou de sélénium améliore son usinabilité.
Acier inoxydable ferritique
L'acier inoxydable ferritique, membre de la famille AISI 400, peut avoir une résistance à la corrosion inférieure à celle de l'acier inoxydable austénitique dans certains environnements fortement acides ou riches en chlorures. Cependant, sa résistance supérieure à la fissuration par corrosion sous contrainte dans des conditions riches en chlorures le rend bien adapté aux applications marines. De plus, l’acier inoxydable ferritique nécessite généralement un traitement thermique minimal pour obtenir les propriétés souhaitées, simplifiant ainsi le traitement et la fabrication.
Acier inoxydable martensitique
L'acier inoxydable martensitique offre une résistance et une dureté élevées en raison de sa teneur plus élevée en carbone, bien qu'il présente une résistance à la corrosion inférieure à celle des autres types d'acier inoxydable. L’une de ses caractéristiques remarquables est la capacité d’améliorer encore ces propriétés grâce à la trempe (refroidissement rapide). Ce type d'acier inoxydable est couramment utilisé dans les applications à haute durabilité telles que les couverts, les instruments chirurgicaux et les outils. Les nuances comme 410 et 420 sont fréquemment choisies pour leur excellente usinabilité et leurs performances fiables dans des conditions exigeantes. Parmi les aciers inoxydables, le 416 est le plus simple à usiner en raison de sa conception ciblant spécifiquement l'usinabilité. Ceci sera discuté plus en détail dans la section suivante.
Acier inoxydable duplex
L'acier inoxydable duplex tire son nom de sa microstructure, qui contient à la fois des phases austénite et ferrite. Cette combinaison lui confère les avantages des deux types d’acier inoxydable, notamment une excellente résistance à la corrosion dans les environnements chlorés et acides, une résistance élevée, une bonne ductilité et une forte résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. Cependant, en raison de sa composition d'alliage spécialisée et de son processus de fabrication, l'acier inoxydable duplex a généralement des coûts de production plus élevés et peut présenter une usinabilité plus faible, ce qui nécessite un contrôle d'usinage plus minutieux.
Acier inoxydable durcissant par précipitation
Contrairement aux autres aciers inoxydables, qui tirent leur résistance du renforcement par solution solide (comme dans les aciers inoxydables austénitiques) ou du travail à froid (comme dans les aciers inoxydables ferritiques), les aciers inoxydables à durcissement par précipitation acquièrent leur résistance grâce à la formation de composés intermétalliques tels que le cuivre, l'aluminium, ou du titane lors du traitement thermique. Après avoir subi un traitement thermique de durcissement par précipitation, les aciers inoxydables PH peuvent atteindre des niveaux de résistance comparables à ceux des aciers de construction à haute résistance, avec des limites d'élasticité généralement 3 à 4 fois supérieures à celles des aciers inoxydables austénitiques.
Meilleures nuances d'acier inoxydable pour l'usinage CNC
Voici quelques-unes des meilleures nuances d’acier inoxydable couramment choisies pour l’usinage CNC :
Acier inoxydable 303
L'acier inoxydable 303, également appelé acier inoxydable à usinage libre, est la nuance la plus usinable de la famille des austénitiques. Enrichi de soufre et de phosphore, il offre une usinabilité et des performances de coupe améliorées. Ces ajouts permettent des vitesses de coupe et des avances stables lors de l'usinage à grande vitesse. Le 303 est largement privilégié dans l'usinage CNC pour répondre à des exigences de précision strictes dans des pièces complexes telles que des composants mécaniques de précision, des roulements, des vannes, des boulons et des écrous. Bien que sa résistance à la corrosion ne soit pas aussi forte que celle du 304 ou du 316, l'acier inoxydable 303 offre néanmoins une résistance à la corrosion suffisante pour de nombreuses applications générales. Il convient parfaitement aux environnements intérieurs et aux composants où une résistance extrême à la corrosion n'est pas requise.
Acier inoxydable 304
L'acier inoxydable 304 est le plus polyvalent et le plus largement utilisé dans les outils d'usinage. Doté d'une excellente résistance à la corrosion, il fonctionne de manière fiable dans divers environnements, de la transformation alimentaire à la fabrication de produits chimiques. Bien que moins usinable que la nuance 303, l’acier inoxydable 304 allie une bonne usinabilité à la capacité de répondre à des exigences de forme complexe et de haute précision. Il offre également une excellente soudabilité et prend en charge les méthodes courantes telles que le soudage à l'arc et le soudage au fil d'apport, ce qui garantit une polyvalence pour divers besoins de connexion.
Acier inoxydable 316
Après la nuance 304, la nuance 316 est le deuxième acier inoxydable le plus utilisé et le plus polyvalent. Il contient généralement environ 2 à 3 % de molybdène (Mo), ce qui lui confère une résistance supérieure au 304 aux piqûres et à la corrosion caverneuse dans des environnements exigeants comme l'eau de mer et les produits chimiques agressifs. Par conséquent, il est particulièrement courant dans les industries très exigeantes comme l'ingénierie maritime. et les dispositifs médicaux. De plus, il offre une excellente formabilité et soudabilité. Lorsqu’il est combiné à l’usinage CNC, il peut produire des composants complexes de haute précision.
Acier inoxydable 416
Comme mentionné précédemment, l’acier inoxydable 416 est l’acier inoxydable le plus facile à usiner, principalement en raison de sa forte teneur en soufre. Le soufre forme des inclusions de sulfure dans l'acier, qui agissent comme des « brise-copeaux » pour aider les outils de coupe à pénétrer en douceur et à éliminer efficacement les copeaux, réduisant ainsi les forces de coupe et l'usure des outils. De plus, le 416 a une moindre tendance à l'écrouissage, permettant une coupe plus douce et plus cohérente tout en minimisant la contrainte sur les outils. Après traitement thermique, il atteint une dureté élevée et une bonne résistance à l'usure, garantissant la fiabilité des composants nécessitant un fonctionnement continu et à volume élevé, tels que les roulements et les vannes.
Acier inoxydable 17-4PH
L'acier inoxydable 17-4 PH allie haute résistance et résistance à la corrosion. Grâce au durcissement par précipitation, il atteint des propriétés mécaniques comparables à celles de l'acier allié à haute résistance tout en conservant la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable. Son processus de traitement thermique permet un ajustement flexible de la résistance : le matériau peut d'abord être usiné CNC dans un état recuit en solution usinable, puis vieilli pour atteindre la dureté souhaitée. Avec des normes de matériaux bien établies et une vaste expérience industrielle, le 17-4 PH est largement utilisé dans les industries de l'aérospatiale, de la défense, du pétrole et du gaz et des équipements chimiques. Il s'agit d'un choix courant pour les composants à haute résistance et haute fiabilité dans la production à grande échelle.
Avantages de l'acier inoxydable dans l'usinage CNC
Quelle que soit la qualité de l'acier inoxydable, sa grande popularité pour l'usinage vient principalement d'un équilibre unique de propriétés. Vous trouverez ci-dessous un résumé concis des principaux avantages :
Apparence
L'acier inoxydable usiné CNC offre naturellement un aspect brillant et attrayant qui peut être amélioré par polissage, brossage ou passivation. Lorsqu'elles sont correctement finies, les pièces en acier inoxydable acquièrent un look élégant et moderne, parfait pour les appareils de cuisine, les éléments architecturaux et divers produits de consommation.
Résistance à la corrosion
L'alliage d'acier inoxydable présente une excellente résistance à la corrosion et est parfait pour les applications exposées à l'humidité, aux produits chimiques ou à l'eau salée. Cela est dû en grande partie à leur teneur en chrome (au moins 10,5 %), qui forme une couche d'oxyde protectrice qui empêche la rouille et l'oxydation.
Haute résistance
Les aciers inoxydables sont relativement durs, avec une résistance mécanique élevée qui peut être encore augmentée grâce à des traitements thermiques. Cette résistance permet d'usiner des composants à parois minces ou porteurs que des matériaux plus fragiles ne peuvent pas supporter. Il permet également aux pièces en acier inoxydable de conserver leur précision dimensionnelle et leur intégrité structurelle, même dans des environnements soumis à de fortes contraintes.
Conçu pour une usinabilité améliorée
Comme mentionné précédemment, les nuances 303 et 416 sont spécifiquement conçues pour une usinabilité améliorée en incorporant des éléments comme le soufre, agissant comme lubrifiants lors de la coupe. Ces nuances sont dérivées d'alliages d'acier inoxydable couramment utilisés et modifiées pour améliorer la rupture des copeaux, réduire l'usure des outils et améliorer l'efficacité de coupe.
Ces modifications sont rendues possibles par la flexibilité inhérente à l’alliage de l’acier inoxydable. La composition de base en fer, chrome et nickel peut être ajustée avec des éléments tels que le soufre, le sélénium ou le molybdène pour adapter les propriétés à des applications spécifiques, y compris l'usinabilité.
Hygiénique et facile à nettoyer
La surface non poreuse de l’acier inoxydable est simple à stériliser et à entretenir. C’est pourquoi c’est un matériau idéal pour les instruments médicaux, la manipulation des aliments et les équipements pharmaceutiques. Sa finition lisse et résistante à la corrosion nécessite également moins d'entretien que de nombreux autres métaux, ce qui renforce encore son attrait dans les applications exigeant une grande propreté.
Les défis de l'acier inoxydable dans l'usinage CNC
Si l’acier inoxydable offre de nombreux avantages, il présente également plusieurs défis dans l’usinage CNC en raison de ses propriétés et de sa composition. Ces défis comprennent :
Tendance à l'écrouissage
L'écrouissage est un phénomène par lequel l'acier inoxydable devient plus dur lors de l'usinage. Les aciers inoxydables austénitiques sont particulièrement sujets à l'écrouissage, ce qui augmente l'usure des outils et peut avoir un impact négatif sur la qualité du produit fini s'il n'est pas correctement géré.
Forces de coupe et usure des outils plus élevées
La ténacité de l'acier inoxydable, bien que bénéfique pour la durabilité, exige généralement des forces de coupe plus élevées que celles des métaux plus tendres. Cela peut entraîner des vitesses de coupe plus lentes, une consommation d'énergie accrue et une plus grande contrainte sur l'outillage.
Gestion des puces
Les aciers inoxydables austénitiques produisent souvent des copeaux longs et filandreux difficiles à briser. Une mauvaise évacuation des copeaux peut entraîner des arrêts machine et des surfaces endommagées.
Surchauffe
L'acier inoxydable a une conductivité thermique relativement faible, ce qui provoque une accumulation de chaleur au niveau de la zone de coupe. Cela peut accélérer l’usure de l’outil, affecter la précision dimensionnelle et potentiellement endommager la pièce.
Conseils pour surmonter les défis
Use outils tranchants et résistants à l'usure made of carbide or coated materials.
Applyparamètres de coupe optimisés, including slower cutting speeds and higher feed rates.
Use systèmes de refroidissementto dissipate heat effectively and reduce tool wear.
Employ configurations de machines rigides to minimize vibrations and improve surface finish.
Select nuances d'usinage libre, such as 303 or 416, for applications where machinability is a priority.
Processus courants d'usinage CNC en acier inoxydable
La polyvalence et la durabilité de l'acier inoxydable le rendent compatible avec une large gamme de processus d'usinage CNC. Voici les procédés d’usinage les plus couramment utilisés avec l’acier inoxydable :
Fraisage CNC
Le fraisage CNC est la principale méthode d'usinage de l'acier inoxydable, utilisant des outils de coupe rotatifs à grande vitesse pour produire des formes, des poches et des contours complexes avec précision. En raison du taux d’écrouissage élevé de l’acier inoxydable, les outils et avances standards sont souvent insuffisants. Il est recommandé d'utiliser des outils en carbure et d'adopter une approche patiente en réduisant les avances et les vitesses pour minimiser l'usure des outils et maintenir la précision. Un refroidissement adéquat est également essentiel pour dissiper la chaleur et éviter les dommages thermiques lors de l'usinage.
Tournage CNC
Le tournage CNC est un excellent choix pour produire des composants cylindriques ou ronds avec des tolérances serrées et des finitions lisses. Le processus consiste à faire tourner la pièce en acier inoxydable tandis que des outils de coupe fixes la façonnent, ce qui la rend particulièrement efficace pour l'usinage de l'acier inoxydable austénitique. Le tournage permet un enlèvement de matière plus rapide mais peut entraîner le blocage de la pièce avec l'outil de coupe. Pour éviter cela, il est crucial de minimiser le porte-à-faux de l'outil, d'utiliser des outils tranchants et de sélectionner des plaquettes avec des angles de coupe positifs. De plus, fonctionner à des vitesses de coupe inférieures permet de réduire l’écrouissage, garantissant ainsi précision et efficacité.
Forage CNC
Le perçage CNC est couramment utilisé pour créer des trous précis dans des pièces en acier inoxydable, souvent associé au fraisage ou au tournage dans le cadre d'un processus d'usinage secondaire. Ce procédé est utilisé pour produire des composants filetés ou multi-fonctions, tels que des trous de vis pour un assemblage secondaire ou des éléments décoratifs à des fins esthétiques. Le perçage de l'acier inoxydable nécessite une attention particulière à la sélection des outils et aux paramètres d'usinage pour obtenir la précision et maintenir l'intégrité de la surface.
Découpe Laser CNC
La découpe laser CNC utilise des lasers de grande puissance, tels que des lasers à CO2 ou à fibre, pour découper ou graver des tôles d'acier inoxydable et des pièces fines avec une précision exceptionnelle. Ce processus permet d'obtenir des coupes nettes avec un minimum de déchets, ce qui le rend idéal pour les applications décoratives et structurelles. Il peut couper efficacement l'acier inoxydable sans trop d'accumulation de chaleur, préservant ainsi l'intégrité du matériau et garantissant des résultats de haute qualité.
Rectification CNC
La rectification CNC est un processus précis utilisé pour obtenir des finitions ultra-lisses et des tolérances serrées, en particulier pour des pièces telles que des instruments chirurgicaux ou des composants optiques. À l'aide de meules abrasives, le meulage améliore la finition de surface, enlève de petites quantités de matériau pour plus de précision, élimine les bavures de soudage et affûte les arêtes de coupe, garantissant à la fois fonctionnalité et esthétique.
EDM à fil (usinage par électroérosion)
Pour les formes complexes ou les nuances d'acier inoxydable difficiles à usiner, l'électroérosion à fil est très efficace. Il utilise des décharges électriques pour couper les matériaux sans contrainte mécanique, ce qui le rend parfait pour les composants de précision dans les industries aérospatiale, médicale et d'outillage. Bien que plus lente que les méthodes conventionnelles, elle permet de créer des géométries complexes, même si une finition de surface supplémentaire peut être nécessaire.
Meilleurs services d'usinage de l'acier inoxydable chez Chiggo
Bien que l’acier inoxydable puisse être plus difficile à travailler, ses avantages l’emportent souvent sur les difficultés. Avec son excellente combinaison de résistance, de durabilité et de rentabilité, il reste un choix de premier ordre pour produire des produits robustes et performants. Cependant, l’usinage de l’acier inoxydable nécessite une expertise importante pour garantir des résultats optimaux. C'est pourquoi les concepteurs devraient choisir un atelier d'usinage CNC de confiance comme Chiggo, spécialisé dans l'usinage de l'acier inoxydable de haute qualité et soutenu par des années d'expertise. Si vous envisagez l'acier inoxydable pour votre prochain projet, contactez Chiggo pour un devis sur mesure.
