Étude du choix structurel d’outils coupants en diamant revetu ou polycristallin massif

Le secteur industriel a vu l’émergence du phénomène de mondialisation depuis quelques décennies. Cet accroissement des flux de biens et services au niveau international conduit au transfert de certaines activités dans des zones économiquement plus intéressantes. Une grande part des activités de production des pays industrialisés a été délocalisée vers des pays émergents pour de multiples raisons :
– l’accès à une main d’oeuvre moins chère et plus flexible : la protection sociale des pays industriels constitue une part importante de la masse salariale, de l’ordre de 30 à 60% ;
– s’affranchir des contraintes législatives et financières des pays occidentaux ;
– bénéficier d’avantages offerts à l’implantation (exonération d’impôts sur les bénéfices, cession de terrains . . .).

Les délocalisations vers les pays émergents sont en grandes parties constituées de productions nécessitant uniquement de la main d’œuvre faiblement qualifiée. Afin de conserver une activité de production forte dans les pays industriels, il est donc nécessaire de privilégier et de développer la production de produits de haute technicité. Les Composites à Matrice Métallique (CMM) font partie des matériaux à fort potentiel mécanique, à forte valeur ajoutée et dont la mise en forme nécessite des compétences spécifiques. Bien que présents depuis les années 1960, les Composites à Matrice Métallique connaissent une diffusion limitée malgré leurs aptitudes. La maîtrise des différents stades de mise en forme de ces matériaux est impérative pour assurer une plus large diffusion et pérenniser une activité industrielle et économique techniquement innovante. Cette diffusion peut s’effectuer par substitution de matériaux énergivores. Le cadre social et législatif des pays industriels ainsi que les contraintes économiques de toute activité nécessitent :
– d’optimiser les coûts par l’assurance d’une bonne productivité ;
– de veiller à la protection des personnels au sein de l’entreprise.

Étude bibliographique 

Un matériau composite est constitué de plusieurs matériaux différents non miscibles mais ayant une forte capacité d’adhésion. Il possède des propriétés mécaniques meilleures que celles de chacun de ses constituants pris séparément. Sa structure peut être schématisée par une matrice (organique, métallique, céramique) recevant des renforts de formes diverses (fibres longues ou courtes, particules fines . . .) et de nature variable (matériau organique, métallique, céramique ou végétal). Certains composites existent à l’état naturel, tel que le bois (matrice de lignine associée à des fibres de cellulose) ou les os (matrice d’apatite et fibres de collagène) [1]. Ce type de matériau est utilisé couramment pour la réalisation de bâtiments (béton, béton armé, contre-plaqué . . .), et depuis longtemps (torchis . . .). Comme la plupart des matériaux, les performances mécaniques des composites sont fortement liées à leur structure. Celle ci peut être modifiée facilement en changeant soit :
– l’association matrice – renfort en nature (passer d’une fibre de carbone à une fibre de verre, ou d’une matrice aluminium à une matrice titane) ;
– la forme ou la structure du renfort (mat, tissus, textures multidirectionnelles, particules, fibres). Les matériaux composites permettent donc d’obtenir une adéquation entre les exigences fonctionnelles d’une pièce et les caractéristiques mécaniques réelles de cette pièce réalisée en composite.

Les Composites à Matrice Métallique

Les Composites à Matrice Métalliques (CMM) sont apparus dans les années 1960, et ont connu un essor limité étant donné leur prix. Toutefois ces matériaux présentent de meilleures propriétés spécifiques que les métaux, et sont donc attrayants pour les industries en quête d’allégement de mécanismes. Ces industries, tout en recherchant cette réduction de masse, poursuivent des objectifs propres à leurs secteurs d’activités. Ces finalités peuvent être :
– la réduction de consommation de carburant (aviation, automobile)
– l’augmentation de la charge utile (aérospatiale, transport) ;
– l’augmentation de la vitesse ou de la portée (missiles stratégiques, sports de compétition).

Modification des Caractéristiques mécaniques

C’est l’association d’une matrice de faible densité (comme l’aluminium) à des éléments de renforts modifiant les performances mécaniques, qui constitue le principal intérêt des composites. Les modifications apportées par l’ajout du renfort sur les caractéristiques mécaniques comparées à celles du matériau de la matrice sont :
– une augmentation de la dureté [5, 6] ;
– une augmentation de la limite élastique ;
– une augmentation de la limite à la rupture ;
– une augmentation du module d’Young [5, 6].

Ces caractéristiques correspondent aux paramètres de référence utilisés lorsqu’il s’agit de classer des matériaux entre eux, mais ce ne sont pas les seules propriétés modifiées.

Performances particulières des CMM

En plus des paramètres « classiques » vus précédemment, d’autres caractéristiques permettent d’améliorer la qualité de pièces existantes. La liste suivante n’est pas exhaustive mais présente certaines spécificités exploitées dans des applications industrielles :
– Amélioration de la tenue à chaud [7] ;
– Dilatation thermique ajustable [8] ;
– Augmentation de la resistance à l’usure (extrémité des cannes de golf, pistons, chemises, pièces de freinage [9, 10]).

Leur mise en forme

Comme cela a été vu au début de ce chapitre, un composite est une association de deux matériaux non miscibles dont l’utilisation se justifie par l’obtention de caractéristiques mécaniques congrues. Sa réalisation est donc rendue difficile par cette non miscibilité et par l’exigence d’obtention de performances mécaniques. En effet, la zone de transition matrice / renfort, appelée interface est l’élément clé qui assure le transfert des sollicitations mécaniques appliquées sur le matériau vers le renfort. A cette difficulté s’ajoute le souci de répartition du renfort. Celle ci peut être homogène ou, pour certaines applications, certaines zones peuvent nécessiter un renforcement plus important. L’hétérogénéité du composite doit donc être maîtrisée et le procédé de mise en forme doit être adapté à ces contraintes. Les défauts de mise en œuvre généralement constatés au sein de ces matériaux sont :
– des couches d’oxydes formées à la surface et entraînées au cœur du matériau ;
– la formation d’intermétalliques ;
– des porosités ;
– la mauvaise répartition des éléments de renforts.

Ces défauts ne sont généralement pas détectables lors du processus de fabrication mais sont constatés par l’intermédiaire de mauvaises performances mécaniques. Les différents procédés permettant la réalisation de CMM peuvent se décliner suivant trois catégories en fonction de l’état du matériau lors de la fabrication :
– sous forme liquide (Fonderie) ;
– sous forme de poudre (Frittage) ;
– sous forme pâteuse (état semi-solide, Thixoformage).

Les procédés de fonderie

La facilité de mise en œuvre des procédés de fonderie les rends intéressants en terme de productivité. Ils permettent l’obtention de CMM sous forme de lopins (ou billettes) ou de pièces moulées présentant leur forme quasi-définitive. Toutefois, ces procédés rencontrent certaines difficultés lors de l’introduction du renfort dans la matrice en fusion. En effet, la différence de densité entre le renfort et la matrice peut poser des problèmes de flottaison ou de sédimentation, ces deux phénomènes augmentent la difficulté à obtenir une répartition homogène du renfort au sein de la matrice. Les technologies utilisées pour contourner ces difficultés se déclinent ainsi :

Le brassage
Une des solutions apportées consiste à brasser l’ensemble lors du mélange. Au cours du brassage, le mouillage du renfort va permettre une meilleure répartition de celui-ci. Afin de ne pas entraîner de gaz ou des peaux d’oxydes au cœur du matériau, le brassage s’effectue sous atmosphère protectrice (vide ou gaz neutre). Il existe plusieurs technologies de brassage :
– Le brassage mécanique (développé par Alcan) ;
– Le brassage électromagnétique (utilisation d’un four à induction) ;
– Le brassage électromagnétique assisté par ultrasons.

En plus des défauts de répartition du renfort générés par le manque de mouillabilité et des inclusions de bulles de gaz, le front de solidification a tendance à repousser les particules vers le dernier liquide.

Le squeeze casting
Le Squeeze casting (appelé aussi « forgeage liquide » ou « moulage – forgeage ») consiste à effectuer la solidification de l’alliage sous pression. Cette technique permet de réduire les porosités et d’obtenir des pièces possédant des propriétés mécaniques élevées (tenue en fatigue par exemple). Ce procédé permis ainsi d’imprégner une préforme de renfort qui est préchauffée, introduite dans le moule et infiltrée par l’alliage liquide. La solidification est ensuite réalisée sous une pression supérieur à 30 MPa.

L’infiltration
Comme cela peut être le cas pour le squeeze casting, une préforme est réalisée afin de correspondre au mieux à la localisation des renforts, et est ensuite positionnée dans le moule. L’infiltration de la préforme par l’alliage peut s’effectuer sous atmosphère gazeuse. Au cours de l’imprégnation, le liant servant à maintenir les renforts de la préforme est détruit. Ce procédé ne nécessite pas d’outillage particulier et peut s’effectuer par moulage au sable, en moule métallique ou en cire perdue. Il permet de réaliser des pièces avec des renforts localisés ou de formes complexes.

Table des matières

Introduction
1 Étude bibliographique
1.1 Les Composites à Matrice Métallique
1.1.1 Leurs applications
1.1.1.1 L’allégement
1.1.1.2 Modification des Caractéristiques mécaniques
1.1.1.3 Performances particulières des CMM
1.1.2 Leur mise en forme
1.1.2.1 Les procédés de fonderie
a) Le brassage
b) Le squeeze casting
c) L’infiltration
1.1.2.2 La métallurgie des poudres
1.1.2.3 État semi-solide
1.1.3 L’usinabilité des CMM à renfort particulaire
1.1.3.1 La résistance à l’usure
1.1.3.2 L’arrosage par un fluide de coupe
1.1.3.3 Intégrité de surface
1.2 Les outils diamants
1.3 Émission de poussières et usinage
1.3.1 Cadre législatif
1.3.2 Terminologie technique
1.3.3 Exposition et impact sanitaire
1.3.4 Génération de poussière par enlèvement de matière dans le cas des CMMP
1.4 Conclusion
2 Méthodologie expérimentale
2.1 Matériaux Utilisés
2.2 Les outils
2.2.1 Outils CVD
2.2.2 Outils PCD
2.3 Optimisation des conditions de coupe
2.3.1 Définition de la campagne d’essais
2.3.2 Métrologie associée
2.3.2.1 Mesure des efforts de coupe
2.3.2.2 Mesure d’état de surface
a) Analyse conventionnelle de la rugosité
b) Analyse multi-échelle
2.3.2.3 Mesure de l’usure en dépouille
2.3.2.4 Mesure de l’usure en cratère
2.3.2.5 Mesure des températures moyennes
2.4 Usinage compétitif – Faisabilité industrielle
2.4.1 Définition de la campagne d’essais
2.4.2 Analyse physique associée
2.4.2.1 Mesure de la puissance, Tracé de la courbe de puissance
2.4.2.2 Mesure des contraintes résiduelles
2.5 Émission de poussières en usinage des CMMP
2.5.1 Définition de la campagne d’essais
2.5.2 Métrologie associée
2.5.2.1 Mesure de la concentration de particules instantanée
2.5.2.2 Collecte des particules par impaction
2.5.2.3 Calcul du Dust Unit (DU )
2.6 Conclusion
3 Résultat expérimentaux
3.1 Optimisation des conditions de coupe
3.1.1 Performances comparées en terme d’efforts de coupe
3.1.2 Performances comparées en terme d’usure
3.1.3 Performances thermiques comparées en coupe
3.1.4 Performance en terme d’état de surface
3.1.5 Conclusion
3.2 Usinage compétitif – Faisabilité industrielle
3.2.1 Performances énergétiques (CMM5, CMM15 et CMM25)
3.2.2 Performances tribologiques : usure
3.2.3 Qualité et intégrité de surface
3.2.4 Conclusion
3.3 Performances écologiques : émission de poussières
3.3.1 Performances comparées en terme de génération de poussières
3.3.1.1 Répartition des particules par tailles
3.3.1.2 Durée d’exposition au risque
3.3.1.3 Analyse des copeaux et calcul du Dust Unit (DU )
3.3.2 Conclusion
3.4 Conclusion
4 Émission de poussières
4.1 Influence du traitement thermique
4.1.1 Évolution du Dust Unit (DU )
4.1.2 Répartition par tailles de particules
4.1.3 Conclusion
4.2 Influence du taux de renfort
4.2.1 Répartition par tailles de particules
4.2.1.1 Répartition pour les outils CVD
4.2.1.2 Répartition pour les outils PCD
4.2.2 Evolution du Dust Unit (DU )
4.2.2.1 pour les outils CVD
4.2.2.2 pour les outils PCD
a) Influence de l’angle de coupe
b) Influence du contact outil / copeau
4.2.3 Conclusion .
4.3 Emission de poussière et durée de vie
4.3.1 Comportement des outils CV D
4.3.2 Comportement des outils PCD
4.3.3 Conclusion
4.4 Conclusion
Conclusion générale

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