Soutenance mémoire
Méthode de détermination des contraintes résiduelles
Avec l’état des surfaces des pièces traitées, le niveau des contraintes résiduelles est un paramètre crucial et commun de tous les traitements de surface mécaniques. C’est pourquoi diverses méthodes de mesure soit qualitatives, soit quantitatives ont été développées depuis de nombreuses années qui sont généralement classées en deux catégories :
Méthode destructive ;
Méthode non destructive.
Méthode destructive Les méthodes ou techniques destructives consiste à détruire un champ de contraintes résiduelles qui est en équilibre en l’absence de force extérieure pour avoir un accès à ces contraintes. Citons parmi ces méthodes :
Technique de découpage qui est basée sur la mesure de déformations pendant le découpage globale d’une pièce [21].
Méthode de Sachs qui est basée sur la mesure de déformations pendant des enlèvements successifs de plusieurs couches sur des pièces cylindriques ou sur des tubes [22] ;
Méthode de la flèche qui est basée sur la mesure de la flèche d’une plaque longitudinale fine pendant des enlèvements successifs de couches par voies chimique ou électrolytique [21,23] ;
Méthode de trépanage qui est basée sur la mesure des déformations pendant la réalisation d’un trépan [21] ;
Méthode du trou incrémental qui est basée sur la mesure des déformations autour d’un trou pendant un perçage pas à pas du trou [21, 24-26] ;
Méthode dite de compliance qui est basée sur la mesure de la déformée d’une rainure dans une structure pendant un usinage localisé [27] ;
Méthode de contour qui est basée sur la mesure de la morphologie de surface (contour superficielle) d’une pièce pendant un usinage [28].
Méthode non destructive Les méthodes ou techniques non destructives consiste à lier les propriétés physiques ou cristallographiques du matériau à tester aux champs des contraintes résiduelles existants dans la pièce. On peu citer :
Méthode de diffraction par rayons X et par neutrons qui est basée sur la mesure des variations des distances interatomiques liées directement au niveau des contraintes résiduelles [21,29,30] ;
Méthode par ultrasons qui est basée sur la mesure du changement de la vitesse de propagation des ondes ultrasonores qui dépend de l’état de contrainte du matériau [21,31,32] ;
Méthode dite « Barkhausen » qui est basée sur les déplacements des parois de Block dus au champ de contrainte (magnétostriction) et qui sont détectables par le « bruit » de Barkhausen [21] ;
Méthode de la perméabilité magnétique qui est basée sur la liaison entre la perméabilité magnétique effective du matériau et les contraintes appliquées [21] ;
Méthode de spectroscopie Raman qui est basée sur la modification de localisation et la forme des pics de spectre entre une pièce sans contrainte et une pièce avec contraintes [33] ;
Méthode de thermographie qui est basée sur la dépendance de propriétés thermiques [34].
Parmi les méthodes non destructives, seules la méthode de diffraction des rayons X est réellement la plus répandue et la plus utilisée pour les analyses quantitatives à l’échelle industrielle et scientifique pour les traitements mécaniques de surfaces [35-38], par rapport aux autres méthodes comme les techniques ultrasonores et magnétiques qui sont en effet fondées sur des propriétés physiques qui ne sont pas biunivoques vis-à-vis des contraintes résiduelles. De ce fait, bien qu’étant de plus en plus développées actuellement, elles ne permettent pas encore d’effectuer des mesures précises en éliminant les paramètres perturbant comme l’effet de la modification structurale pendant le processus de génération de contraintes résiduelles. Ces techniques sont très dépendantes de la nature et de la structure du matériau étudié, notamment de la dimension et de l’orientation des grains ; c’est pourquoi, elles n’ont été appliquées que dans des cas bien particuliers [19].
Déformation plastique superficielle par traitements mécaniques
Le traitement mécanique de surface consiste à bonifier les caractéristiques mécaniques tribologiques : usures, pénétration, etc., et la tenue à la corrosion des matériaux, par déformation plastique des couches superficielles. Les propriétés des couches superficielles résultent donc de l’intervention simultanée, et à des degrés divers, selon les cas, des caractéristiques géométriques (macro et microgéométrie, rugosité, etc.), des caractéristiques physique et chimiques (constitution et structure métallurgiques, etc.), des caractéristiques mécaniques propres (limite d’élasticité, coefficient d’écrouissage, résistance à la rupture, dureté, etc.) et de l’état des contraintes résiduelles. Lors de l’application des traitements mécaniques, les couches superficielles des pièces sont déformées plastiquement par une action mécanique. En fonction de la nature des matériaux et du type de procédé utilisé, plusieurs effets peuvent être observés :
Ecrouissage (accroissement de la dureté) [35-37,39-44].
Amélioration de la rugosité, de la portance [37,45-51].
Création de contraintes résiduelles de compression (mise en précontrainte) [35-38,52, 53].
Réduction de la densité des défauts (porosités, fissures, etc.) [36,52 54].
Transformation de phase (par exemple transformation γ → α pour les aciers austénitiques), austénite résiduelle [17].
Les traitements mécaniques s’appliquent à la majorité des matériauxmétalliques tels les aciers ordinaires, les aciers inoxydables, les alliages de titane, d’aluminium et d’autres. Les transformations superficielles apportées, peuvent selon la nature des matériaux (structure, dureté), atteindre des profondeurs allant de plusieurs dixièmes jusqu’à plusieurs millimètres (Tab. I.5) [17]. Ces couches traitées sont utilisées pour :
Améliorer les résistances (à la rupture, aux déformations élastique et plastique, etc.) [52].
Accroître la tenue aux fatigues et à l’usure (fatigues mécanique, de contact, de corrosion, etc., fretting corrosion, fretting fatigue, et usures abrasive, adhésive, etc.) [55-59].
Accroître la tenue à la corrosion [40,55,60-62].
Améliorer les propriétés de frottement (lubrification, coefficient de frottement, état de surface ou rugosité) [63-73].
L’influence des traitements sur les propriétés mécaniques dépend du gradient des contraintes résiduelles et des profondeurs affectées. En général, ces profondeurs sont d’autant plus faibles, que les contraintes maximales de compression sont d’autant plus élevées, et par conséquences les substrats sont des matériaux à hautes caractéristiques mécaniques (dureté, résistance à la rupture, tenue à la fatigue). On peut noter à titre d’exemple que l’amélioration à la tenue à la fatigue peut être favorisée par l’introduction des contraintes résiduelles pour les matériaux à hautes caractéristiques mécaniques, alors que l’accroissement de la dureté intéresse que les matériaux à faibles caractéristiques mécaniques. Selon le groupe H.E.F [6], auteur des travaux de recherche présentés dans le tableau I.4, il existe des relations entre propriétés fonctionnelles et effets mis en jeu dans les traitements mécaniques. Il montre, en particulier, que l’influence respective des contraintes résiduelles et de l’accroissement de dureté, sur la tenue à la fatigue, dépend des caractéristiques mécaniques initiales des matériaux traités.
Effet du galetage sur la précision dimensionnelle et géométrique
Le souci d’avoir des surfaces de qualité irréprochable conjugué à celui de la rentabilité impose le galetage de surface comme moyen d’obtention des tolérances géométriques et dimensions, ce qui l’assimile à l’usinage, car il est établi que pour un usinage classique, les frais de fabrication augmentent rapidement avec une rugosité décroissante. On peut ainsi économiser, non seulement, les frais de fabrication par des temps d’usinage plus courts, mais aussi les frais d’outillage de préparation des pièces. Pour illustrer ceci, prenons un exemple industriel concret : si on a à usiner une pièce de Ø40h6 et une longueur de 80 mm, avec une rugosité de 0.2 µm, les méthodes classiques d’usinage (tournage + traitement thermique +rectification fine) nécessitent 20 min 30 s, alors qu’en appliquant le galetage, avec une rectification préalable normale (grossière) de 9 min 42 s, un temps de galetage de 12 s, le temps total d’usinage devient 9 min 54 s et obtenir une tolérance Ø40h6, d’ou une économie de 51 % d’après S. Braham [8]. M.H.EL-Axir [63] a réalisé un travail de recherche concernant l’effet du procédé de galetage sur le défaut géométrique de circularité car ce dernier a une incidence directe sur la précision et autres facteurs importants tels que l’ajustement des pièces machines et l’usure des pièces cylindriques en rotation. Une lunette à suivre d’un tour classique a été exploitée, tout en replaçant les trois mâchoires ajustables (réglables) de cette dernière par trois outils de galetage à bille (Fig. I.32) appliqués sur des pièces cylindriques en acier mi-dur. Le meilleur résultat concernant la réduction de défaut de circularité des pièces cylindriques par cette technique de galetage est obtenu pour une force de galetage de 150 N et une avance de 0,12 mm/tr. En procédant de manière comparative, A.M. Hassan [9] a montré que le polissage électrochimique à lui seul diminue le défaut de circularité de 12,14 µm par rapport à un état d’usinage cependant lorsque le polissage est suivi d’un galetage, ce défaut s’est considérablement réduit jusqu’ à 3,32 µm (Fig. I.33).
Effet la force de galetage et la vitesse de rotation sur la dureté
L’effet de la force et la vitesse de rotation sur la dureté de surface est indiqué dans la Figure III.13. L’évolution de la dureté en fonction de ces deux paramètres prend la même allure. La dureté est d’autant mieux appréciée que les grandes vitesses seront combinées à de faibles efforts de galetage. Quoique de grandes forces contribuent à écrouir davantage les couches superficielles, une vitesse élevée est d’une part souvent à l’origine au phénomène d’écaillage et d’autre part amenuise l’écrouissage de se manifester de façon intensive et conduit à réduire la dureté. La chute de dureté prend de l’ampleur pour des faibles forces associées à de grandes vitesses. Ainsi, le galetage est plus efficace soit en associant de grands efforts à de petites vitesse (25 kgf à 200 tr/min) ou au contraire de faible efforts à des grandes vitesses (5 kgf à 1000 tr/min). Une bonne pénétration de l’outil dans la surface due à la force appliquée et un bon contact entre la surface traitée et celle du galet pour une faible vitesse favorise ainsi un bon écrouissage da la surface résultat d’une déformation plastique qui causera une amélioration dans la dureté de surface.
Choix du modèle de comportement
Le choix du modèle de comportement du matériau affecte inévitablement les résultats de la simulation numérique. Toutefois, le modèle de comportement prenant en compte l’intégralité des phénomènes observés expérimentalement n’existe pas. Il doit donc être déterminé soigneusement à partir de l’étude de la sollicitation mais également de la sensibilité du matériau concerné aux différents modes de sollicitation. Dans ce travail, nous avons retenu le comportement dont le modèle est exposé dans le paragraphe IV.2. Le problème consiste à considérer que le matériau est élastoplastique à écrouissage isotrope. Devant la complexité des phénomènes mis en jeu (déformation plastique, chargement mécanique, contact, lubrification, usure, etc.), une approche scientifique multidisciplinaire s’impose. Les recherches dans ce domaine se focalisent exclusivement sur l’effet dans le matériau de l’outil et la pièce à usinée. L’intérêt de cette étude est d’orienter la modélisation numérique de la pièce afin de déterminer les contraintes résiduelles développées au sein de la couche superficielle. Aussi pour bien optimiser les résultats, il est nécessaire de comprendre les phénomènes mis en jeu lors de l’opération de galetage au moyen de simulations numériques, et d’identifier les paramètres influents. On proposera alors des améliorations sur les modèles existant et une analyse comparative des solutions d’optimisation. Les objectifs clairement définis précédemment donnent lieu à la stratégie suivante pour le traitement du problème :
1. Lister les paramètres principaux pouvant atteindre à la durée de vie.
2. Identifier l’influence de ces paramètres par un calcul par éléments finis.
3. Proposer un outil optimisé combinant tous les paramètres influents.
|
Table des matières
NOMENCLATURE
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1. Introduction
I.2. Structures des solides et matériaux
I.2.1. Edifice cristallin
I.2.2. Propriétés des matériaux
I.3. Surfaces réelles d’un matériau
I.3.1. Rugosité
I.3.2. Dureté de surface
I.3.3. Contraintes résiduelles
I.3.3.1. Définition
I.3.3.2. Origines physique des contraintes résiduelles
I.3.3.3. Méthode de détermination des contraintes résiduelles
I.3.3.3.a. Méthode destructive
I.3.3.3.b. Méthode non destructive
I.4. Phénomène d’écrouissage
I.4.1. Principe
I.4.2. Classification des procédés par déformation plastique
I.5. Déformation plastique superficielle par traitements mécaniques
I.6. Galetage
I.6.1. Présentation du procédé
I.6.2. Mécanisme de la déformation plastique par galetage
I.6.3. Modes de galetage
I.6.4. Paramètres du procédé de galetage
I.6.5. Effets et avantages du galetage
I.6.5.1. Effet du galetage sur l’état de surface
I.6.5.2. Effet du galetage sur la dureté de surface
I.6.5.3. Effet du galetage sur la précision dimensionnelle et géométrique
I.6.5.4. Effet du galetage sur les contraintes résiduelles induites
I.6.5.5. Effet du galetage sur l’usure
I.6.5.6. Effet du galetage sur la corrosion
I.6.5.7. Effet du galetage sur la tenue à la Fatigue
I.7. Plan d’expérience
I.7.1. Introduction
I.7.2. Définition
I.7.3. Espace expérimental
I.7.4. Modèle mathématique par les plans d’expérience
I.7.5. Analyse de la variance « ANOVA »
I.7.6. Plan d’expérience et procédé de galetage
I.7.6.1. Méthodologie de surface de réponse
I.7.6.2. Méthode de Taguchi
I.8. Conclusion
CHAPITRE II : TECHNIQUE EXPERIMENTALE
II.1. Introduction
II.2. Matériau et techniques expérimentales
II.2.1. Matériau
II.2.2. Microstructure du matériau d’expérience
II.2.3. Préparation des éprouvettes d’essai
II.2.4. Mesure de la rugosité de surface
II.2.5. Mesure de la dureté de surface
II.3. Opération du galetage
II.3.1. Description de l’outil
II.3.2. Principe de fonctionnement de l’outil
II.3.3. Etalonnage (calibrage) de l’outil
II.4. Plan d’expérience
II.5. Conclusion
CHAPITRE III : ANALYSE ET DISCUSSION DES RESULTATS
III.1. Introduction
III.2. Résultats et discussion
III.2.1. Résultats expérimentaux
III.2.2 Modélisation des réponses de sortie
III.2.3. Discussion
III.3. Effet des paramètres principaux de galetage sur la rugosité
III.3.1. Effet de la force de galetage sur la rugosité
III.3.2. Effet du nombre de passes de l’outil sur la rugosité
III.3.3. Effet de la vitesse de rotation sur la rugosité
III.3.4. Effet de l’avance de galetage sur la rugosité
III.4. Effet des interactions des paramètres de galetage sur la rugosité
III.4.1. Effet la force de galetage et la vitesse de rotation sur la rugosité
III.4.2. Effet la force de galetage et l’avance sur la rugosité
III.4.3. Effet la vitesse de rotation et l’avance de galetage sur la rugosité
III.5. Effet des paramètres principaux de galetage sur la dureté
III.5.1. Effet de la force de galetage sur la dureté de surface
III.5.2. Effet du nombre de passes de l’outil sur la dureté
III.5.3. Effet de la vitesse de rotation sur la dureté
III.5.4. Effet de l’avance de galetage sur la dureté
III.6. Effet des interactions des paramètres de galetage sur la dureté
III.6.1. Effet la force de galetage et le nombre de passes de l’outil sur la dureté
III.6.2. Effet la force de galetage et la vitesse de rotation sur la dureté
III.6.3. Effet la force de galetage et l’avance de sur la dureté
III.6.4. Effet l’avance de galetage et le nombre de passes de l’outil sur la dureté
III.7. Effet du galetage sur la topographie et la microdureté de la surface traitée
III.7.1 Effet du galetage sur la topographie de la surface traitée (rugosité 3D)
III.7.2 Effet du galetage sur la microdureté de la surface traitée 84
III.8. Conclusion
CHAPITRE IV : CONTRAINTES RESIDUELLES INDUITES PAR GALETAGE
IV.1. Introduction
IV.2. Modélisation du comportement du matériau
IV.2.1. Modèles d’élasto-plasticité
IV.2.1.1. Modèle élastique
IV.2.1.2. Seuil de plasticité
IV.2.1.3. Loi d’écrouissage et loi d’écoulement
IV.2.2. Choix du modèle de comportement
IV.3. Modèle Éléments Finis du procédé de galetage
IV.3.1. Matériaux
IV.3.2. Géométrie
IV.3.3. Chargement
IV.3.4. Paramètres numériques (Maillage)
IV.3.5. Hypothèses de résolution du problème
IV.4. Résultats numérique et discussion
IV.5. Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
Télécharger le rapport complet
