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MECANISMES ET PHYSIQUE DE LA COUPE DES METAUX
Les besoins liés à l’usinage
Depuis leur apparition, les techniques d’usinage ont subi de multiples améliorations. Les procédés de mise en forme des matériaux par enlèvement de matière n’ont cessé d’être remis en question afin de rester en phase avec les exigences industrielles, quelles soient économiques ou écologiques. Aujourd’hui, l’ingénieur de fabrication se doit donc de pouvoir répondre à une multitude de questions afin de réaliser rapidement des pièces avec la qualité demandée et à moindre coût.
Par exemple, dans le cas de l’usinage :
• Quel type de machine faut-il utiliser et suffira-t-elle en terme de puissance et de précision ?
• Quelles sont les conditions de coupe à utiliser pour minimiser l’endommagement des outils ou du matériau usiné ?
• Quelles sont les solutions à adopter lors de la conception des outils et dans quels matériaux doivent-ils être fabriqués pour améliorer leur durée de vie et/ou la qualité des états de surface des pièces usinées ?
• Quelles sont les propriétés mécaniques de la pièce après usinage ?
• Est-il possible d’usiner sans apport de lubrifiant ? …
Il y aurait encore un nombre considérable de questions, dont il est difficile d’établir une liste exhaustive. L’état d’avancement des connaissances sur le plan fondamental ne peut apporter de réponse à toutes ces questions. En revanche, la technologie et les techniques d’usinage ont permis de faire évoluer et d’optimiser la production. L’évolution de la technologie a été pour une grande part dans l’augmentation des vitesses de coupe et de la productivité de l’usinage, tout en permettant aussi une amélioration de la qualité des usinages.
Ainsi sont apparus et ont évolués en même temps que l’informatique, des centres d’usinage entièrement robotisés. L’émergence récente des machines UGV a été rendue possible grâce aux progrès réalisés dans le développement des outils de coupe, aux avancées très récentes et considérables au niveau des broches des machines outils, des guidages, de transmissions de mouvement, des commandes numériques, et depuis la révolution industrielle du début du siècle dernier, les machines outils ont donc considérablement évoluées afin de répondre à des exigences telles qu’un meilleur rendement, une plus grande sécurité, une meilleure rigidité, de plus grandes vitesses de déplacement, une puissance accrue, une amélioration de la productivité, une diminution de l’usure des outils, etc. En contre partie, l’amélioration de toutes ces performances fait ressortir un ensemble de phénomènes dont l’ignorance ne remettait pas en cause la fabrication traditionnelle des pièces mais dont l’importance ne peut être ignorée pour des conditions d’usinage à Grandes Vitesses.
Usinage
L’usinage est un procédé de génération de surfaces. Il consiste à créer une nouvelle surface par enlèvement de matière (formation de copeaux) en utilisant un outil coupant. Les caractéristiques de cette surface dépendent du couple outil-matière, c’est-à-dire des paramètres mis en jeu pendant la coupe (vitesse de coupe, vitesse d’avance, profondeur de passe …). En usinage, il existe plusieurs configurations utilisables selon le procédé de coupe (le fraisage, le rabotage, le tournage …). Durant notre étude, nous nous intéresserons plus précisément à la technique d’enlèvement de matière par tournage suivant deux configurations : la coupe tridimensionnelle (le chariotage) et la coupe bidimensionnelle (connue sous le nom de coupe orthogonale). En tournage, dans une opération de chariotage paraxial : la pièce et l’outil sont respectivement animés par un mouvement de rotation autour d’un axe bien défini et par un mouvement de déplacement parallèle à cet axe . La rotation de la pièce définit la vitesse de coupe, quant au déplacement de l’outil, il définit la vitesse d’avance. La configuration de ces deux mouvements associés à la géométrie de l’outil permet d’obtenir la création du copeau.
Coupe orthogonale et paramètres associés
La coupe orthogonale est définie lorsque la matière est usinée avec une seule arête de coupe qui doit être rectiligne et perpendiculaire à la direction donnée par la vitesse de coupe et à la direction donnée par l’avance de l’outil (Figure I.2). En général, elle n’est utilisée dans l’industrie que pour une opération de séparation (tronçonnage) ou pour rainurer des tubes.
En usinage, la coupe orthogonale est la configuration la plus simple. En occultant les effets de bords nous pouvons considérer que l’on se trouve dans un état de déformation plane. En effet, contrairement au chariotage qui est un problème tridimensionnel, la coupe orthogonale peut se ramener à un problème plan (écoulement plan de la matière) car l’épaisseur du copeau reste faible vis à vis de sa largeur. Cette configuration est largement utilisée par les scientifiques puisqu’elle permet d’isoler la formation du copeau et ainsi faciliter la compréhension de la coupe et conduire à une grande simplification pour les simulations analytiques ou numériques de l’opération de coupe. Elle a été utilisée pour la première fois dans l’approche analytique de Merchant [5,6].
Développement des matériaux des outils de coupe
L’industrie sidérurgique se veut une industrie très innovante qui travaille en collaboration avec ses clients afin d’améliorer ses produits. Un chiffre montre cette volonté : 50% de matériaux nouveaux tous les 5 ans. L’industrie a ainsi fait évoluer les matériaux d’usinage [7]. L’évolution des matériaux constituant les outils de coupe a été une source de gain de productivité très importante pour l’industrie. Elle a entraîné, au cours du XXième siècle, un doublement de la productivité tous les dix ans .
Cette amélioration de la productivité résulte d’un accroissement important des vitesses de coupe permises, grâce à l’amélioration des performances des matériaux des outils. Elle résulte aussi des études et travaux à la fois techniques et fondamentaux portant sur les propriétés suivantes des matériaux [9] :
– la dureté : pour combattre l’usure ;
– la résistance mécanique à chaud pour supporter les échauffements à grande vitesse ;
– la ténacité pour encaisser les chocs dus aux interruptions d’usinages (vibrations) ;
– l’inertie chimique pour éviter les dégradations de l’outil par diffusion d’impuretés en provenance de la pièce usinée
Le tournage des aciers durcis par trempe (dureté > 45 HRC) nécessite l’utilisation de matériaux composants ayant d’excellentes propriétés de dureté à hautes températures, de résistance à l’usure et de stabilité chimique. C’est l’avènement des outils comme les carbures micro-grains revêtus, les céramiques, les CBN et le diamant qui a rendu possible l’exploitation industrielle de cette technologie.
Les conditions optimales d’usinage pour un couple outil-matière donné ne sont pas faciles à déterminer. Elles doivent être établies par une série de tests rigoureux tout en tenant compte du choix des matériaux à outils. Dans la suite de ce travail, des matériaux à outils seront présentés par une exploitation pour le tournage de l’acier 100 Cr6. En outre, les outils sont également caractérisés par leur géométrie. Une partie de notre travail consiste à analyser les résultats fournis par les plaquettes utilisées lors de la campane d’essais.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Mécanismes et physique de la coupe des métaux
I.1. Les besoins liés à l’usinage
I.2. Usinage
I.3. Coupe orthogonale et paramètres associés
I.4. Développement des outils de coupe
I.5. Endommagement des outils de coupe
I.5.1. Introduction
I.5.2. Influence des paramètres de coupe sur l’usure
I.5.3. Mécanismes d’endommagement des outils
I.5.3.1. Introduction
I.5.3.2. Déformation plastique et fatigue
I.5.3.3. Usure par abrasion
I.5.3.4. Usure par adhésion : arête rapportée et attrition
I.5.3.5. Usure par diffusion
I.5.4. Formes d’usure
I.5.5. Critères d’usure et durée de vie des outils
I.5.5.1. Critères de surveillance de l’usure
I.5.5.1.1. Critères directs
I.5.5.1.2. Critères indirects
I.5.6. Modèles de durée de vie et modèles d’usure
I.6. Formation du copeau
I.6.1. Echelle macroscopique
I.6.2. Echelle microscopique
I.6.2.1. Copeau continu
I.6.2.2. Copeau avec arête rapportée
I.6.2.3. Copeau discontinu
I.6.3. Cas particuliers
I.7. Formation de couches blanches
I.8. Modèles analytiques de la coupe
I.8.1. Approche énergétique : Modèle de Merchant
I.8.2. Approche mécanique
I.8.3. Approche thermo – mécanique
I.8.4. Autres modèles de coupe
I.9. Analyse thermique de la coupe
I.9.1. Température à l’interface outil-copeau
I.9.2. Mesures indirectes de la température
I.9.3. Mesures directes de la température
I.9.3.1. Mesure de la température de coupe par thermocouple
I.9.3.2. Mesure de la température par la méthode optique
I.10. Caractéristiques des surfaces usinées
I.10.1. Définition des critères de rugosité
I.10.2. Etats de surface
I.10.3. Dimensions et formes
I.10.4. Modèles théoriques de la rugosité
I.11. Conclusion
Chapitre II : Outils d’aide à l’optimisation
II.1. La méthodologie des plans d’expériences
II.1.1. Introduction
II.1.2. Modèle mathématique
II.1.3. Choix du type de plan
II.2. Les Méthodes d’optimisation
II.2.1. Introduction
II.2.2. Modélisation mathématique d’un problème d’optimisation
II.2.3. Problème d’optimisation sans contraintes
II.2.4. Classification des méthodes d’optimisation
II.2.4.1. Méthodes déterministes
II.2.4.1.1. Méthode de la plus grande pente
II.2.4.2.Méthodes stochastiques
II.2.5. Problèmes d’optimisation contraints
II.2.5.1. Fonctions préprogrammées en MATLAB
II.2.5.2. Méthode de Newton Réflective Intérieure
II.2.5.3. Méthode du gradient conjugué préconditionné
II.3. Conclusion
Chapitre III : Partie expérimentale
III.1. Introduction
III.2. Présentation du matériel
III.3. Conditions expérimentales
III.4. Définition de l’acier utilisé
III.5. Matériaux à outils utilisés
III.6. Résultats des essais
III.6.1. Usure
III.6.2. Rugosité Ra
III.6.3. Précision dimensionnelle
III.6.4. Efforts de coupe
III.7. Précautions prises lors de ces essais
III.8. Conclusion
Chapitre IV : Analyse des résultats
IV.1. Analyse des résultats
IV.1.1. Analyse de l’usure obtenue par la méthode unifactorielle
IV.1.2. Analyse de l’usure obtenue par la méthode multifactorielle
IV.1.2.1. Influence de la vitesse de coupe sur la durée de vie
IV.1.2.2. Influence de l’avance sur la durée de vie
IV.1.2.3. Influence de la profondeur de passe sur la durée de vie
IV.1.3. Analyse de la rugosité obtenue par la méthode unifactorielle
IV.1.4. Analyse de la rugosité obtenue par la méthode multifactorielle
IV.1.5. Analyse de la précision dimensionnelle et morphologie du copeau
IV.1.6. Analyse des efforts de coupe
IV.1.7. Recherche de l’optimum
IV.1.7.1. Optimisation par la méthode de la Plus Grande Pente
IV.1.7.1.1. Surfaces de réponse pour le CBN 7020
IV.1.7.1.2. Recherche de l’optimum pour le CBN 7020
IV.1.7.1.3. Surfaces de réponse pour le CBN 7050
IV.1.7.1.4. Recherche de l’optimum pour le CBN 7050
IV.1.7.1.5. Surfaces de réponse pour la CC 650
IV.1.7.1.6. Recherche de l’optimum pour la CC 650
IV.1.7.2. Optimisation par la méthode de Newton Réflective Intérieure
IV.1.8. Conclusion
Conclusion générale
