Mécanismes de l’usure

Usure en cratère

Elle s’observe sur la face d’attaque de l’outil sous la forme d’une cuvette obtenue par frottement intense du copeau, figures (1.5 et 1.6). Cette forme d’usure, symbolisée par les lettres KT, se manifeste principalement lors de travaux d’ébauche, à faible vitesse de coupe et à forte avance, sur des matériaux abrasifs. L’effort très important exercé par le copeau sur la face d’attaque entraîne des pressions également très importantes qui créent, avec le mouvement relatif copeau-outil, des températures élevées favorables à l’usure par diffusion. Elle se rencontre plus fréquemment sur les outils en carbure métallique et en céramique qui offrent une structure plus favorable que les outils en acier rapide. L’usure sur ces derniers se stabilise après sa naissance par un écrouissage superficiel du métal. On caractérise l’usure en cratère par la profondeur KT, le rapport KT/KM ou par l’angle de cratérisation γc.

Usure en dépouille

Elle s’observe sur la face en dépouille principale de l’outil et symbolisée par les lettres VB. Elle apparaît suivant une bande striée brillante et parallèle à l’arête de coupe, figures (1.5 et 1.6). Cette déformation se traduit par un affaissement plastique de la pointe de l’outil caractérisé par la valeur de la flèche SVp, et par un renflement sur les faces en contre dépouille. Il s’en suit une modification importante de la géométrie de la pointe de l’outil qui nuit à la précision et à l’état de la surface usinée. L’affaissement plastique entraîne une usure frontale vers la pointe de l’outil zone C, de valeur VC généralement supérieure à la valeur VB dans la zone centrale B, et une déformation importante du cratère, figure (1.6). Celui-ci présente alors une profondeur maximale au niveau de l’arête secondaire de l’outil. Elle se manifeste lors de travaux de finition, à forte vitesse de coupe et à faible avance; elle est due conjointement aux températures élevées qui se produisent le long de l’arête de coupe et au frottement continu de la surface de la pièce sur la face en dépouille de l’outil. Sur le plan pratique, cette forme d’usure est la plus importante puisqu’elle conditionne simultanément l’état de surface de la pièce usinée et la précision dimensionnelle. On la caractérise par la distance entre l’arête de coupe initiale et la droite associée aux crêtes situées sur la face en dépouille. Dans certains cas, on peut la caractériser par VBmax.

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

De nos jours, les industries de fabrication ont pour objectifs primordiaux, la réduction des coûts d’exploitation ainsi que l’amélioration de la qualité du produit. Dans les procédés d’usinage par enlèvement de matière, le coût de l’opération d’usinage et la qualité du produit final sont des contraintes à prendre en compte dans un environnement de plus en plus compétitif où les investisseurs exigent un meilleur rendement. L’usure des outils de coupe est considérée comme étant un des facteurs primordiaux qui affecte les processus d’usinage, la surveillance en temps réel de l’état d’outil permet aux opérateurs de maximiser le rendement de celui-ci et d’améliorer la qualité. Cependant, la connaissance de ce paramètre n’est pas la seule issue pour prendre les décisions d’arrêter ou de continuer le processus de coupe. D’autres paramètres peuvent influencer le processus d’usinage, tels que les conditions de coupe, le matériau de l’outil, de la pièce à usiner ainsi que celui de la machine-outil. Généralement, les outils usés compromettent, singulièrement, la finition de la pièce usinée. C’est pour s’affranchir des conséquences d’une usure incontrôlable et inéluctable, que le développement des systèmes de surveillance des outils de coupe est devenu impératif. Ces systèmes doivent alerter l’opérateur de l’état des outils, évitant de ce fait des répercussions préjudiciables. La recherche pour le développement de système de contrôle, continu, de l’usure de l’outil durant toute opération de coupe est d’une grande importance. Beaucoup de systèmes ont été développés, mais ils se sont basés principalement sur le développement de modèles mathématiques.

Méthodes d’évaluation de l’usure des outils de coupe

L’automatisation du processus de coupe est rendu nécessaire et fait appel à des méthodes de supervision et de surveillance en ligne très robustes et fiables. Plusieurs méthodes de détection de l’usure d’outil ont été ainsi développées ces trois dernières décennies et sont généralement classifiées en deux groupes, à savoir: méthodes directes et méthodes indirectes. Les méthodes directes sont celles qui utilisent les effets provoqués directement par l’usure de l’outil et sont représentées par les méthodes optiques et radiométriques. Cependant, ces méthodes se sont heurtées à leur caractère onéreux et difficile à mettre en oeuvre. Par contre, les méthodes indirectes sont essentiellement utilisées dans l’industrie et permettent de quantifier des paramètres variables en relation avec les critères d’usure retenus [Ghasempoor A., & al (1999)]. L’inconvénient majeur de ces systèmes est la quantité de données expérimentales à utiliser pendant la modélisation des processus de coupe, engendrant de ce fait un temps de calcul excessif. Ces méthodes ne tiennent pas compte de la nature complexe des phénomènes engendrés par l’opération de coupe. L’absence de modèles précis permettant la prévision de l’usure, a orienté les différents travaux de recherche vers le recours à d’autres méthodes d’intégration de capteurs de détection. Ces systèmes pourraient, sans aide humaine, identifier la plupart ou toutes les formes d’anomalies affectant les outils pendant les opérations de coupe.

Identification de l’usure d’outil

Ce processus est d’une importance primordiale pour un système de surveillance en ligne, celui-ci permet de capter les signaux à partir d’une sonde afin d’être employés par un système d’information discriminante pour prédire l’état de l’outil. La tâche d’identification s’effectue habituellement à son étape de traitement de données préliminaire effectuée à travers l’application d’une analyse détaillée du signal (FFT ou ondelettes) et de l’analyse statistique (valeur moyenne, écart type, …). La seconde étape correspond à une phase de prise de décision ou un classificateur, employant comme entrée, les données préalablement traitées, pour aboutir à une classification des états d’usure de l’outil de coupe. Plusieurs travaux ont proposé d’exploiter différents types de signaux issus de l’usinage tels que les efforts de coupe [Xiaoli L. (2002)], l’émission acoustique [Kuljanic E., & al (2005)] et les vibrations [Martin P. (1973)] [Scheffer C., & al (2001)] dans le but d’en extraire l’information nécessaire pour réaliser une surveillance efficace. Plusieurs techniques de traitement de signal ont été adoptées, notamment les méthodes fréquentielles, temporelles, statistiques et l’analyse conjointe temps-fréquence. On cite un échantillon de travaux effectués utilisant les techniques des signaux vibratoires.

[Serra R., & al (2009]) ont suivi l’usure des outils de coupe en usinage à partir de signaux vibratoires, en proposant une méthode fondée sur une analyse conjointe en temps et en fréquence (Transformée de Fourier à court terme, Transformée en Ondelettes) des signatures vibratoires mesurées en tournage. Cette technique d’analyse permet la détermination de plusieurs indicateurs d’usure (niveau vibratoire, détection d’événements brusques, fréquences caractéristiques, élargissement spectrale…) .L’expérimentation était de reproduire une usure réelle de trente plaquettes de coupe lors d’une opération de chariotage en tournage. Les conditions de coupe sont: avance a= 0.18 mm/tr, profondeur de passe p = 1.5 mm, vitesse de coupe constante Vc = 340 m/min et sans lubrification. La durée de chaque passe d’usinage était d’une minute. Ces essais ont été réalisés sur un tour à commande numérique, en utilisant un outil de coupe DCLNL 2525M 12 portant une plaquette de carbure de tungstène revêtue CNMG 1204 125B OR2500 sur une fonte grise à graphite lamellaire FGL 250.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Mécanismes de l’usure
Introduction
1.1 Paramètres classiques associés à la coupe
1.2 Formation du copeau
1.3 Mécanismes de formation de l’usure
1.3.1 Durée de vie
1.3.2 Définition de l’usure
1.3.2.1 Usure par effets mécaniques
1.3.2.2 Usure par effets physico-chimiques
1.4 Manifestations de l’usure2
1.4.1 Usure en cratère (KT
1.4.2 Usure en dépouille (VB)
1.4.3 Usure par effondrement d’arête
1.4.4 Usure en entaille
1.4.5 Usure par fissuration
1.5 Critères d’usure
1.6 Détermination des lois expérimentales d’usure
1.6.1 Conditions opératoires
1.6.2 Mesure de l’usure
1.6.3 Courbes expérimentales
1.6.4 Etablissement des lois d’usure
1.7 Modèles de lois d’usure
1.7.1 Principales corrélations mathématiques de l’usure
1.7.2 Bilan des modèles d’usure
1.8 Conclusion
Chapitre II Etude bibliographique
Introduction
2.1 Méthodes d’évaluation de l’usure des outils de coupe
2.2 Surveillance automatique des outils de coupe
2.2.1. Principe de base de la surveillance automatique des outils
2.2.2. Détection de l’usure d’outil
2.3 Identification de l’usure d’outil
2.3.1 Identification de l’usure d’outil par la méthode GMDH
Chapitre III Description de la méthode GMDH
Introduction
3.1 Présentation de la méthode GMDH
3.2 Bref historique
3.3 Description générale
3.3.1 Couches de la GMDH
3.3.2 Noeuds de la GMDH
3.3.3 Structure de l’algorithme GMDH
3.3.4 Exemple illustratif
3.3.5 Dérivation de l’algorithme GMDH (modifié) pour un modèle linéaire
3.4 Nouvel aspect
3.5 Particularités
3.6 Différences entre les algorithmes de la GMDH et d’autres algorithmes d’identification structurale
3.7 Nouvelles tendances
3.8 Critères sélectifs
3.8.1 Critères externes et internes
3.8.2 Structure de quelques critères
3.8.3 Critère externe d’exactitude
3.9 Comparaison entre réseaux neurones et GMDH
3.10 Conclusion
Chapitre IV Approche expérimentale
Introduction
4.1 Introduction aux plans d’expériences
4.2 Choix des points expérimentaux
4.3 Principaux avantages des plans d’expériences
4.4 Dispositif expérimental
4.4.1 Description du dispositif expérimental
4.4.2 Méthodologie des essais
4.5 Résultats expérimentaux
4.6 Conclusion
Chapitre V Résultats et discussions
Introduction
5.1 Elaboration du modèle mathématique de l’usure en dépouille VB de l’outil
5.2 Application de l’approche GMDH modifiée
5.3 Discussions
5.4 Optimisation du modèle de l’usure de l’outil lors de l’opération de tournage
5.4.1 Méthode VNS
5.4.2 Résultats
5.4.3 Observations
5.5 Conclusion
Conclusions générales et perspectives
Bibliographie
Annexe A : Algorithmes de GMDH
Annexe B : Plans factoriels d’expérience