Soutenance mémoire
Caractéristiques du titane et de ses alliages
Cristallographie et propriétés du titane non allié
Le Titane pur non allié présente une transformation allotropique de type martensitique au voisinage de 882°C, qui est marquée par la nature de la structure cristallographique. En dessous de cette température, le Titane cristallise dans le système Hexagonal pseudo compact de paramètres a = 0, 295 nm, c = 0, 468 nm et de rapport c/a = 1, 587, on parle alors de Titane α. Au-dessus de cette température, la structure est cubique centrée de paramètre a = 0, 33 nm, il s’agit du Titane β (Figure I.3). La température de transition entre les deux formes de titane (α et β) est appelée transus β (Tβ) [Combres, 2013]. Le titane présente des propriétés physiques, chimiques et mécaniques uniques qui le rendent industriellement intéressant (Tableau I.2) [Combres, 2010] :
– Une résistance spécifique importante (rapport résistance à la traction / densité) et une limite élastique assez élevée,
– Un bon comportement en fatigue,
– Une conservation des caractéristiques mécaniques élevées même à des températures extrêmes (allant du domaine cryogénique jusqu’à une température d’environ 600°C),
– Une excellente résistance à l’érosion et à la corrosion.
Eléments d’addition et classification des alliages de titane
Le titane est utilisé essentiellement sous forme d’alliages. Les lingots d’alliage de titane sont obtenus en mélangeant à la matière titane les éléments d’addition pour avoir, après fusion, l’alliage désiré. Les éléments d’addition stabilisent soit la phase α, dans ce cas, ils sont des éléments α-gènes, soit la phase β et dans ce cas ils sont des éléments β-gènes. La température de transition Tβ dépend fortement des éléments d’addition puisque les éléments α-gènes tendent à augmenter sa valeur, tandis que les éléments β-gènes tendent à diminuer sa valeur. Il y a également des éléments dits neutres tels que le zirconium (Zr) et l’étain (Sn) qui n’ont pas d’influence sur le domaine de stabilité.
On peut classer les différents alliages de titane en trois grandes familles selon leur proportion de phase α et β retenue à la température ambiante [De gélas et al., 1976]:
– Les alliages α : dans ces alliages, les éléments d’addition α-gènes élèvent la température de transition α-β et sont solubles dans la phase α. Ils peuvent être des métaux tels que l’Aluminium ou d’autres éléments tels que l’Oxygène, l’Azote et le Carbone.
– Les alliages β : les éléments d’addition se dissolvent dans la phase β et la stabilisent en diminuant la température de transition α-β. Ce sont principalement le Vanadium, le Molybdène, le Niobium, le Tantale, le Chrome et le Cuivre.
– Les alliages α + β : cette dernière famille regroupe les alliages mixtes, et étant très vaste, on distingue trois sous-catégories qui sont les quasi α (proches des alliages α avec une faible proportion de β), les α + β (proprement dit), et les quasi β (possédant peu de phase α et proches des alliages β).
D’autres domaines d’applications industrielles du titane et de ses alliages sont le génie chimique et le génie énergétique. Le domaine de la chimie constitue historiquement le deuxième secteur consommateur de titane et de ses alliages. Le titane est utilisé dans plusieurs types de condenseurs comportant des aubes fabriquées en titane, procurant des durées de vie importantes grâce à leur excellente résistance à la corrosion et à l’abrasion. Le titane est aussi utilisé dans les circuits secondaires de réacteurs nucléaires, ainsi que dans les réacteurs de raffineries pour sa résistance aux sulfure d’hydrogène H2S et dioxyde de carbone CO2. Il est enfin employé dans les usines de traitement des eaux pour sa résistance à la corrosion et aux agents biologiques. Pour le domaine énergétique, les aubes de turbines à vapeur sont fabriquées essentiellement en alliage de titane TA6V. Le titane et ses alliages servent aussi dans l’exploitation pétrolière au grâce à leur résistance à la corrosion, à l’érosion et au feu d’hydrocarbures [Combres, 2010]. Pour le secteur militaire, le titane est largement utilisé dans les blindages grâce à ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion et au feu [Combres, 2010]. En effet, la coque des sous-marins russes de la classe Alfa est entièrement réalisée en titane. Le titane est employé aussi massivement dans les moteurs et la structure des chasseurs de toutes les armées de l’air [Lutjering and Williams, 2003]. Des véhicules militaires également sont conçus avec une carrosserie en alliage de titane TA6V en raison de sa résistance spécifique élevée. Le titane est aussi utilisé dans les gilets pare-balle. Parmi les autres domaines d’utilisation de titane, on peut citer le secteur de l’automobile qui profite de la faible densité de ce matériau pour fabriquer des pièces allégées (bielles, ressorts, soupapes de moteurs…) qui possèdent une moindre inertie. Le domaine biomédical a connu également un développement rapide de l’utilisation du titane et ses alliages dans la fabrication de prothèses et d’implants en raison de son caractère biocompatible et mécanocompatible (Figure I.8) [Combres, 2010].
Matériau étudié : Ti6Al4V
L’alliage de Ti6Al4V, appelé couramment TA6V, est le plus répondu des titanes alliés dans l’industrie avec un taux de plus de 50% de la production totale. Il est largement employé par l’industrie de l’aéronautique et du spatial grâce à son rapport résistance/densité particulièrement intéressant, ainsi que sa bonne résistance à la fatigue. L’alliage présente par ailleurs une excellente résistance à la corrosion, y compris à des températures et dans des conditions extrêmes [Leyens and Peters, 2003]. En plus du titane, le TA6V contient de l’aluminium, du vanadium et des traces de carbone, de fer, d’oxygène et d’azote.
Usinage des alliages de titane
L’usinage est une famille d’opérations de mise en forme par enlèvement de matière destinées à conférer à une pièce des dimensions et un état de surface (écart de forme et rugosité) conformes à des tolérances données [Felder, 2008]. Ces opérations sont principalement réalisées sur des machines-outils munies de commandes numériques (MOCN) capables de générer des trajectoires très précises permettant d’obtenir des pièces, simples ou complexes, respectant les spécifications imposées. Pour cela, l’usinage représente la plus grande partie des procédés de mise en forme, surtout dans le domaine aéronautique où la réalisation de pièces complexes avec une productivité importante est toujours en évolution grâce au développement permanent des outils et des machines-outils.
Usinabilité des alliages de titane
L’usinabilité d’un matériau représente son aptitude à subir, plus ou moins facilement, une mise en forme par enlèvement de matière. Elle est essentiellement liée aux actions thermomécaniques de la coupe lorsque l’outil usine la matière. Ainsi, l’usinabilité peut être caractérisée par plusieurs critères tels que les forces de coupe, la puissance consommée et l’usure des outils (durée de vie).
Le titane et ses alliages sont connus pour leur mauvaise usinabilité [Siekman, 1955] [Machado and Wallbank, 1990]. L’utilisation de lubrification pendant la coupe est primordiale pour limiter des hausses importantes de la température au niveau de la zone de coupe. Par ailleurs, pendant la coupe, ce matériau présente un fort retour élastique après le passage de l’outil, ceci s’explique par la combinaison d’un faible module d’élasticité et d’une limite élastique élevée, induisant ainsi des vibrations durant l’usinage qui augmentent les efforts de la coupe [Ezugwu and Wang, 1997]. En outre, à cause de la faible conductivité thermique du titane, c’est l’outil de coupe qui absorbe la chaleur intense dégagée durant la coupe et non pas la matière (seulement 20% est évacuée par les copeaux et 80% est retenue par l’outil (Figure I.11) [Konig, 1978], provoquant ainsi souvent l’usure prématurée de l’outil de coupe. Une des particularités du titane également est la capacité d’oxydation très rapide de sa surface qui donne lieu à une couche d’oxyde adhérente [Ezugwu and Wang, 1997]. Ceci est considéré comme un avantage dans le cas où la couche d’oxyde forme des rayures involontaires présentes sur la surface usinée, mais aussi comme un inconvénient quand l’outil doit enlever cette couche d’oxyde supplémentaire, ce qui peut émousser l’arrête de coupe et accroître son usure en frottant sur la couche d’oxyde. Un autre inconvénient est que l’usinage est réalisé généralement à des vitesses réduites du fait de la présence de la couche d’oxyde, donnant lieu à un processus plus lent.
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Table des matières
Introduction générale
I. Etat de l’art
I.1 Le Titane et ses alliages
Historique et production
Caractéristiques du titane et de ses alliages
I.1.2.1 Cristallographie et propriétés du titane non allié
I.1.2.2 Eléments d’addition et classification des alliages de titane
I.1.2.3 Microstructure des alliages de titane
Applications industrielles
Matériau étudié : Ti6Al4V
Usinage des alliages de titane
I.1.5.1 Usinabilité des alliages de titane
I.1.5.2 Processus de formation du copeau pour les alliages de titane
I.1.5.3 Outils de coupe pour l’usinage des alliages de titane
I.1.5.4 Usure des outils de coupe
I.2 Introduction du procédé de tréflage
Principe du tréflage
Paramètres pilotant le tréflage
Qualité géométrique des parois tréflées
Les outils de tréflage
I.2.4.1 Les outils existants
I.2.4.2 Angles de coupe de l’outil
Efforts de coupe en tréflage
I.2.5.1 Efforts de coupe expérimentaux
I.2.5.2 Modélisation des efforts de coupe en tréflage
I.2.5.3 Aspect dynamique du tréflage
Optimisation de l’opération de tréflage
I.2.6.1 Optimisation de la trajectoire
I.2.6.2 Optimisation des paramètres
I.2.6.3 Capacités cinématiques de la machine
I.3 Conclusion
II. Paramètres influents en tréflage
II.1 Protocole expérimental
Matériau usiné
Moyens d’essais et de mesure
Outils de coupe
II.1.3.1 Description des outils à tréfler choisis pour mener les essais
II.1.3.2 Caractéristiques dimensionnelles des outils
Mesure des efforts de coupe
II.1.4.1 Efforts de coupe axial, radial et tangentiel
II.1.4.2 Filtrage des mesures d’efforts
Planification des essais
II.2 Analyse des efforts de coupe expérimentaux
Influence des conditions de coupe sur les efforts de coupe
II.2.1.1 Effort tangentiel ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
II.2.1.2 Effort axial ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
II.2.1.3 Effort radial ?? et pression spécifique de coupe ?? expérimentaux
Influence de la préparation d’arête sur les efforts tangentiels et axiaux
II.3 Influence des paramètres géométriques d’un outil à tréfler sur les efforts de
coupe
Introduction
Etat de l’art sur l’influence des paramètres géométriques sur les efforts
Présentation de la mise en œuvre des nouvelles modélisations d’efforts de
coupe intégrant la géométrie des outils à tréfler
Pression spécifique de coupe ??
II.3.4.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.4.2 Influence des paramètres à l’issue du modèle
Pression spécifique de coupe ??
II.3.5.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.5.2 Influence des paramètres issue de la modélisation
Pression spécifique de coupe ??
II.3.6.1 Pression spécifique ?? simulée
II.3.6.2 Influence quantifiée des paramètres sur ?? issue de la modélisation79
Validation des modèles proposés
II.3.7.1 Vérification des modèles de ??, ?? et ??
II.3.7.2 Vérification des modèles de ??, ?? et ?? avec le nouvel outil de coupe
II.3.7.3 Conclusion sur l’influence des paramètres géométriques
II.4 Analyse de l’usure
Choix des outils et de la campagne d’essais
Identification des modes de dégradation
II.4.2.1 Premier mode de dégradation : phase de rodage
II.4.2.2 Deuxième mode de dégradation : usure normale
II.4.2.3 Troisième mode de dégradation : effondrement de l’arête
Durée de vie des outils
II.4.3.1 Outil TangPlunge – ER
II.4.3.2 Outil AJX – JL
Influence des paramètres de coupe sur la durée de vie de l’outil
II.4.4.1 Influence de l’avance par dent
II.4.4.2 Influence du décalage radial
Influence de la remontée en contact avec la paroi
II.5 Conclusion
III. Efforts de coupe en fond de poche en tréflage
III.1 Présentation de la problématique
III.2 Outil TangPlunge d’Iscar (?? = 90°)
III.3 Outil AQX de Mitsubishi (?? < 90°)
III.4 Outil AJX de Mitsubishi / Outil COROMILL 210 de Sandvik (?? > 90°)
III.4.2.1 Première solution envisagée
III.4.2.2 Deuxième solution envisagée
III.5 Influence des paramètres de coupe
III.6 Conclusion
Conclusion générale
