Soutenance mémoire
De l’utilité des Procédés Grande Vitesse (PGV)
Description de l’Usinage Grande Vitesse (UGV)
La mise en forme des matériaux à l’échelle industrielle impose le respect d’un cahier des charges regroupant à la fois des contraintes de coût, de qualité et de délai. Souhaitant améliorer la productivité des gammes de fabrication, les industriels ont, depuis une vingtaine d’années, cherché à accroître les vitesses des procédés de mise en forme. S’il est désormais technologiquement envisageable d’usiner des pièces mécaniques sur de larges plages de vitesses, force est de constater que la forme du copeau obtenu et, par conséquent les propriétés du matériau usiné, diffèrent grandement selon le régime de vitesse employé.
En effet, lorsque l’on augmente la vitesse de coupe au delà des limites de vitesse de l’Usinage Conventionnel (UC), on observe tout d’abord une zone de vitesses inexploitables appelée « Vallée de la mort » dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l’outil, mauvais état de surface…). Augmenter encore davantage la vitesse de coupe conduit à atteindre un régime, appelé Usinage Grande Vitesse (UGV), dans lequel les propriétés du matériau sont excellentes. Il est à noter que la limite entre ces zones est arbitraire. Elles sont fonction du matériau à usiner mais aussi de l’opération mise en jeu (Fraisage, Tournage…). Ces différentes plages de vitesse conduisent à la formation de différents types de copeaux :
• Le copeau continu : Obtenu en UC, la continuité du matériau est préservée, les déformations plastiques dans les zones de cisaillement sont quasi stationnaires.
• Le copeau segmenté : Obtenu en UGV, il est composé d’éléments plus ou moins connectés entre eux, résultant de variations périodiques de la couche superficielle ; ce qui conduit à des zones alternées de déformations locales très cisaillées d’une largeur proche de la dizaine de microns ([LeCalvez95]).
• Le copeau dentelé : Obtenu en UGV, il est en majorité formé d’éléments séparés, dus plutôt à une rupture du matériau qu’à un cisaillement de celui-ci [LeCalvez95]).
Principales caractéristiques de l’UGV
Le développement de l’UGV a permis la formation de nouvelles géométries de copeau, auxquelles sont associés des avantages considérables. Cependant, l’utilisation des grandes vitesses impose également de faire face à nouvelles difficultés technologiques qu’il conviendra de prendre en compte.
Avantages
Effort de coupe
L’étude développée dans [LeCalvez95] a montré que le fait d’usiner avec une grande vitesse de coupe n’entraîne pas de diminution conséquente des efforts (de l’ordre de 10%). Cependant, compte tenu des vitesses de coupe élevées, la puissance dissipée augmente du même ordre de grandeur que ces dernières. Il en découle un fort dégagement de chaleur et la nécessité d’utiliser, à profondeur de passe égale, des moteurs de broche beaucoup plus puissants. Etant donné l’indisponibilité d’une puissance suffisante, la diminution de la valeur de la section du copeau et, de fait, de la valeur des efforts de coupe s’avère obligatoire. Les efforts exercés par l’outil sur la pièce sont donc moindres en UGV qu’en UC. Par conséquent, pour un même critère de déformation, il deviendra possible d’usiner des pièces d’épaisseur plus faible.
Qualité de surface usinée
Les changements de microstructure à la surface de la pièce, s’ils ont lieu, et les concentrations de contraintes résiduelles sont la conséquence d’un écrouissage localisé dans une couche superficielle . L’augmentation de la vitesse de coupe permettant une diminution de l’épaisseur couche de déformation, l’UGV permet d’obtenir des surfaces usinées de meilleure qualité qu’en UC. Du point de vue thermique, Le Calvez [LeCalvez95] a montré que la très importante quantité de chaleur créée par déformation plastique n’a pas le temps de se diffuser dans le matériau. Elle reste localisée dans le copeau et ne modifie donc en rien les propriétés du reste du matériau. Il peut donc être conclu que l’UGV permet d’usiner des matériaux sans altération conséquente de la partie non sollicitée.
Gamme de fabrication
Le matériau subissant moins de sollicitations qu’en UC, il n’est plus nécessaire de lui faire subir des opérations de rectification ou de polissage postérieures. La gamme de fabrication est donc considérablement simplifiée, entraînant une réduction substantielle des temps et des coûts de fabrication .
Difficultés
Si les avantages de l’UGV en matière de précision et de réduction du coût de production sont incontestables, certaines difficultés technologiques sont à prendre en compte. Dans la suite de ce manuscrit, nous nous bornerons à présenter les points les plus bloquants auxquels l’industrie doit faire face, à savoir, le revêtement des outils, la méthode de lubrification et l’adaptation du bâti aux conditions mises en jeu.
Revêtement d’outil
L’utilisation des grandes vitesses conduit à l’augmentation importante de la température de l’interface outil-copeau. Par conséquent, l’usure de l’outil se fera davantage par diffusion plutôt que par abrasion. Une attention toute particulière doit donc être portée au revêtement utilisé qui pourra être composé de carbures, de céramique ou de cermets suivant les conditions de coupe .
Lubrification et arrosage
Il est impossible de déterminer le lubrifiant idéal en UGV. Suivant les paramètres de coupe et le couple outil/matière, les propriétés de lubrification sont différentes. Plusieurs solutions sont cependant envisageables :
• Lubrification par huiles solubles et entières : Elles peuvent être utilisées en UGV grâce à leur efficacité en matière d’évacuation de copeau et de refroidissement rapide des outils ne craignant pas les chocs thermiques.
• Lubrification par jet d’air : Solution la moins polluante, elle n’influe pas sur la durée de vie de l’outil. Elle a l’avantage de permettre une bonne évacuation des copeaux et aussi de refroidir lentement, donc sans choc thermique.
• Lubrification par micropulvérisation : Elle consiste à injecter un mélange d’air et d’huile, combinant les avantages des deux méthodes précédentes.
L’inconvénient majeur des lubrifications centrales réside dans le fait qu’à partir d’une certaine vitesse de rotation, du fait de la force centrifuge, l’huile se colle à la paroi du trou et ne descend plus vers l’outil. Plusieurs solutions existent :
• Modification des orifices d’amenées : Réalisation d’orifices d’amenées de lubrifiant intérieurs les plus fins et les plus centraux possibles par rapport à l’axe de rotation de l’ensemble outil/porte-outil.
• Augmentation de la pression d’amenée
• Utilisation de matériaux autolubrifiants : Le matériau de l’outil est chargé d’inclusions de lubrifiant.
Rigidité et Phénomènes vibratoires
Les accélérations pour atteindre les grandes vitesses caractéristiques de l’UGV, ainsi que les efforts transmis à la structure de la machine par les masses en mouvement, sont particulièrement conséquents. Ils provoquent des déformations qui conduisent à des imprécisions importantes. Afin de limiter ces effets, les outils et bâtis utilisés doivent être conçu avec une très grande rigidité. Ils sont d’ailleurs couramment faits de béton de synthèse précontraint renforcé de fibres et de matériaux spécifiques. Les très importantes vitesses mises en œuvre vont également engendrer davantage d’inertie et de vibrations. Il sera donc nécessaire de porter une attention singulière à la maîtrise des modes de vibrations engendrés.
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Table des matières
Introduction
Matériel et méthode
Schéma de l’étude
Critères d’inclusions
Données recueillies
Analyse statistique
Résultats
Discussion
Conclusion
Bibliographie
Tableaux
Annexes
