Influence du traitement thermiques sur les propriétés mécaniques du matériau

Les efforts de coupe

Les efforts de coupe sont des paramètres d’usinabilité important car ils permettent de prédire l’usure de l’outil et permettent également de réduire la puissance du centre d’usinage et ainsi réduire la consommation électrique. L’usinabilité d’un matériau étant lié aux coûts de l’opération d’usinage, des efforts de coupe plus faible permettent de réduire les coûts de production, sauf si cette réduction des coûts entre en opposition avec la productivité. Les efforts de coupe sont toujours dépendant des conditions de coupe. En perçage, le principal facteur qui influence les efforts de coupe est l’avance. Plusieurs auteurs comme Shaw (1985), Subramanian et Cook (1976) ou encore Balout, Songmene et Masounave (2006) et Masounave, Jallais et Welter (2007) ont montré que les efforts de coupe augmentent avec l’avance.

En effet, les efforts de coupe sont étroitement liés avec la formation du copeau, et une augmentation de l’avance entraine une augmentation de l’épaisseur du copeau et donc des efforts de cisaillement plus important. Dans le stade I, il a été ainsi montré que la loi qui décrit les efforts de coupe est du type : Fn = A f n (1.1) Concernant l’influence de la vitesse de coupe, il a été montré très tôt par Shaw (1985) qu’à basses vitesses, dans le stade I, la vitesse de coupe n’avait pas d’influence sur les efforts de coupe. Pour des vitesses de coupe plus importantes, les forces vont ensuite progressivement diminuer. La température joue un rôle très important dans la formation du copeau et donc dans les efforts de coupe. En 1980, Hastings, Mathew et Oxley (1980) ont décrit une théorie d’usinage dans laquelle est tenu en compte l’effet de la température et du taux de déformation du matériau. Cette théorie a été appliquée à l’usinage de deux aciers ordinaires au carbone. Les expériences et les calculs de cet auteur indiquent une diminution de l’épaisseur du copeau avec l’augmentation de la vitesse de coupe. Les calculs sont basés sur le modèle de formation du copeau suivant : une fois l’angle de cisaillement connu, l’épaisseur du copeau et les divers composants des forces peuvent être déterminés par les relations géométriques suivantes :

Qualité des usinages

La qualité des trous obtenus par perçage peut être évaluée par deux principaux critères : l’état de surface et la formation des bavures. L’état de surface d’un trou obtenu après perçage se doit de respecter les tolérances défini par le concepteur. Un mauvais état de surface réduit l’efficacité de l’ensemble mécanique dans le cas de trou fonctionnel et peut impliquer des opérations supplémentaires d’alésage et/ou de rodage. Une bonne usinabilité implique donc d’obtenir l’état de surface le plus lisse possible. L’état de surface d’un trou est généralement défini par sa rugosité. En perçage, comme pour tous les procédés d’usinage la rugosité dépend de l’outil, du matériau et des paramètres de coupe. Plusieurs auteurs ont ainsi montré qu’une meilleure rugosité à l’intérieur des trous était obtenue par une faible avance et une grande vitesse de coupe (Zedan et al., 2013), (Mendes et al., 2006). Cependant, la surface usinée d’un trou en perçage peut être dégradé par l’évacuation des copeaux à l’intérieur de la flute, ou alors par le dégagement de l’outil après l’usinage (Haan et al., 1997). Les bavures sont des surplus involontaires de matières formées généralement à la sortie du trou usiné. Les bavures nécessitent dans la grande majorité des cas d’être retiré après l’usinage tant pour des raisons de sécurité des travailleurs que pour satisfaire les exigences dimensionnels des concepteurs. Le coût des opérations d’ébavurage est très important, et valide la nécessité de réduire ou de supprimer la formation des bavures par le choix du bon matériau et des bonnes conditions de coupe (Gillespie et Blotter, 1976).

Les bavures sont généralement évaluées par leur hauteur et leur épaisseur (Heisel et al., 2005) ainsi que par leur type. Les bavures sont le résultat d’une déformation plastique suivi d’une fracture. En fonction de la position de la fracture et de la déformation préalable, Ko et Lee (2001) ont classé les bavures en trois types : Type A : (Pas de bavures par déchirement) : Lorsque le foret approche de la fin du trou, le reste de matière à couper va être coupé ou repoussé par la force normale sans être coupé. La partie repoussée sans être coupé peut devenir un chapeau (type B) ou une grande bavure (type C). Quand le matériau n’est pas assez ductile pour se déformer ou si la bavure est coupée lors de sa formation. Il n’y aura donc pas de bavures, ou une très petite bavure uniforme. Type B (bavure avec chapeau) et type C (bavure déchiré sans chapeau) : Si la déformation plastique continue après que le foret soit sorti du trou, deux types de déchirements peuvent se produire; un déchirement par la pointe de l’outil ou un déchirement le long du bord du trou. Lorsque le déchirement survient sur le bord du trou, la bavure va se former de manière uniforme et former un chapeau. Si le déchirement se produit à la pointe de l’outil, le chapeau non détaché va alors se séparé en plusieurs éléments qui vont former une grande bavure irrégulière. Cette bavure déchiré est alors appelé type C. Il est facilement compréhensible que les bavures de type B ou C sont les plus difficiles à ébavurer, et sont celles qui génèrent les coûts les plus importants. La figure 1.5 présente les mécanismes de formation des bavures de type B et C : Des études expérimentales ont été menées pour comprendre l’influence des paramètres de coupe sur la formation des bavures. Pande et Relekar (1986) et Lauderbaugh (2009) ont trouvé que l’avance était le paramètre le plus influent pour les matériaux ductiles.

L’augmentation de l’avance réduit la hauteur des bavures, cependant, dès que l’avance devient trop importante, la température, qui augmente la ductilité du matériau, s’élève aussi. Les efforts de coupe deviennent alors trop importants, et le phénomène s’inverse (Voir figure 1.6). La formation des bavures peut être expliquée par la méthode des éléments finis (Min et al., 2001), (Saunders, 2003). Mais un modèle développé par Segonds et al. (2013) bien plus simple se basant sur la théorie des plans de glissement permet de mieux comprendre la formation des bavures pour les matériaux ductiles : Dans le cas des matériaux ductiles, lorsque le foret approche de la fin du trou, il existe une distance notée bcrit, en dessous de laquelle la coupe est impossible. Cette valeur est dépendante d’une distance plus grande à partir de laquelle les efforts de coupe provoquent une déformation plastique du restant de matière à couper. La rigidité de la matière n’est en effet plus assez conséquente pour supporter les efforts de coupe. La figure 1.7 présente le schéma de la zone de cisaillement :

Formation du copeau

La formation des copeaux rentre dans les critères d’usinabilité car l’évacuation des copeaux au sein de la flûte de l’outil peut affecter les efforts de coupe, le fini de surface des trous usinés et la durée de vie de l’outil, affectant dans le même temps l’usinabilité. L’étude de la formation des copeaux permet également de comprendre le phénomène de coupe, ce qui permet de prédire les variations de températures, d’état de surface et de poussières (Jawahir et van Luttervelt, 1993). La morphologie des copeaux est dépendante des conditions de coupe, il en existe trois types : les longs copeaux continus, où la continuité du matériau est préservée, et les déformations plastiques dans les zones de cisaillement sont stationnaires. Le copeau segmenté qui est composé d’éléments plus ou moins connectés entre eux résultant d’une variation périodique de la couche superficielle. Et le copeau dentelé ou fragmenté, qui est formé d’éléments séparés, dus plus à une rupture du matériau qu’à une déformation plastique. En coupe orthogonal, la formation du copeau se fait de la façon suivante : l’outil en avançant dans la pièce, appuie sur le copeau en formation et provoque un cisaillement entre la pointe de l’outil et la surface brute de la pièce. Cette zone est le siège du cisaillement primaire qui assure la formation du copeau. Les cisaillements secondaire et tertiaire prennent place aux interfaces entre le copeau et la face de coupe et, entre la pièce et l’outil. Ils sont dus à l’écoulement de la matière contre les faces de coupe et la dépouille de l’outil. La figure 1.8 schématise le phénomène (Khettabi, 2009). Astakhov, Osman et Hayajneh (2001) ont montré qu’il est possible de généraliser le phénomène de coupe comme un processus cyclique (Voir figure 1.9). Chaque cycle comprend trois phases : 1. la compression du matériau de la pièce au bout du bec de l’outil; 2. formation de la surface de la discontinuité de vitesse, qui est la surface de contrainte maximale combinée; 3. fracture et glissement de copeau fragmenté.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Usinabilité des matériaux
1.2 Les efforts de coupe
1.3 Qualité des usinages
1.4 Formation du copeau
1.5 L’émission de poussières en usinage
CHAPITRE 2 DÉMARCHE EXPÉRIMENTALE
2.1 Introduction
2.2 Obtention des états métallurgiques étudiés
2.3 Analyse de la microstructure
2.4 Mesure de la dureté
2.5 Essais de perçage et analyse des efforts de coupe
2.6 Mesure de rugosité des trous
2.7 Étude des bavures
2.8 Étude des copeaux
CHAPITRE 3 ANALYSE DES DONNÉES
3.1 Influence de la température de recuit sur la grosseur des grains
3.2 Influence de la température de recuit sur la dureté
3.3 Influence du traitement thermiques sur les propriétés mécaniques du matériau
3.4 Analyse des efforts de coupe
3.4.1 Études préliminaires
3.4.2 Analyse de la force normale
3.4.3 Analyse du moment selon z
3.4.4 Conclusions sur l’analyse des efforts de coupe
3.5 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur la rugosité
3.6 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur la formation des bavures
3.7 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur les copeaux
CHAPITRE 4 INFLUENCE DU REVETEMENT, APPLICATION À UN OUTIL REVÊTU TIN
4.1 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur les efforts de coupe
4.2 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur la rugosité
4.3 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur la formation des bavures
4.4 Influence des conditions de coupe et de la ductilité sur la formation des copeaux
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I RELEVÉ DE DONNÉES EFFORTS DE COUPE (Fn ET Mz) OUTIL HSS
ANNEXE II RELEVÉ DE DONNÉES RUGOSITÉ OUTIL HSS
ANNEXE III RELEVÉ DE DONNÉES BAVURES OUTIL HSS
ANNEXE IV RELEVÉ DE DONNÉES EFFORTS DE COUPE (Fn ET Mz) OUTIL REVÊTU TIN
ANNEXE V RELEVÉS DE DONNÉES RUGOSITÉ OUTIL REVÊTU TIN
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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