Recherche sur le fraisage des materiaux durs avec les matieres de coupe modernes

L’évolution continuelle du progrès technologique à imposé, et impose, d’importants changements d’orientation dans les techniques de fabrication mécanique, qui dérivent surtout de la nécessite de réaliser une production de haute qualité à des prix plus bas, avec des matériaux ayant des caractéristiques mécaniques toujours plus élevées et par conséquent plus difficiles à usiner.

En effet malgré le développement pris par d’autres techniques de mise en forme, l’usinage par enlèvement de copeaux conserve une importance économique considérable. Pour se convaincre de son importance économique, il suffit de considérer le volume des dépenses faites aux U.S.A. pour l’usinage des métaux. Il représente 5% du Produit National Brut ce qui est énorme pour une seule technique [32]. La recherche d’une productivité toujours meilleure de la coupe des métaux est donc une préoccupation majeure. Cette amélioration permanente repose plus ou moins directement sur l’étude approfondie des mécanismes physiques et des lois régissant ce procédé. Celle-ci reste donc un objectif essentiel.

Les progrès réalisés dans le domaine de l’automatisation des machines-outils et le développement exceptionnellement rapide des techniques de commande numérique au cours de ces dernières années exigent des conditions optimales de coupe avec la nécessité d’avoir une stabilité de plus en plus élevée des paramètres et des critères sur lesquels ils influent. L’introduction dans le programme de commande numérique des machines-outils de données précises sur l’usinabilité qui augmentent la fiabilité du processus de coupe. C’est pour cela que dans le domaine de la coupe des métaux le principal souci des chercheurs est celui de l’étude de l’usinabilité . Ces études déjà très nombreuses n’ont toujours pas permis de lever tout les mystères qui entourent cette caractéristique complexe qui est l’usinabilité. Pendant longtemps, c’est le tournage qui a bénéficié des développements les plus significatifs en matière d’outils et de recherche sur l’usinabilité. Actuellement le fraisage en tant que procédé d’usinage prend le devant en bénéficiant, parfois de conceptions modifiant fondamentalement la manière de travailler. L’étude expérimentale que nous présentons dans ce document comporte deux parties distinctes. La première partie concerne le fraisage conventionnel dont les travaux expérimentaux ont été réalisés au sein du laboratoire d’usinage du département de mécanique de l’université d’Annaba et le laboratoire de coupe des métaux du département de mécanique de l’université de Guelma. La deuxième partie de l’étude concerne le fraisage à grande vitesse des superalliages réalisée au laboratoire de physique et de mécanique des matériaux (LPMM) de l’université Paul Verlaine de Metz. Les recherches expérimentales ont été réalisées avec la collaboration de l’équipe de l’usinage grande vitesse du Centre d’Innovation et de Recherche Franco-allemand Associé de Metz (CIRAM).

Etude du fraisage et ses particularités 

Comme il est défini le Fraisage est un procédé d’usinage utilisant un outil comportant des arêtes tranchantes sur sa périphérie. Le mode de travail est tel que l’arête tranchante de l’outil parcourt pendant son mouvement rotatif de coupe une partie de sa trajectoire en plein matière à usiner et le reste est une rotation à vide. Chaque dent de la fraise travaille de la même manière. Nous pouvons donc classer ce mode d’usinage dans le travail par coupe interrompue [1, 2, 3,4,7]. Dans la coupe interrompue, le travail du matériau usiné est accompagné de chocs. Aujourd’hui, toutefois on a également un déplacement de l’outil par rapport à la pièce, lequel peut s’effectuer pratiquement dans n’importe quelle direction. L’outil de fraisage, la fraise comporte plusieurs arêtes de coupe dont chacune enlève une quantité de métal sous forme de copeaux. Les avantages du fraisage sont un rendement élevé, un bon fini de surface et une haute précision, ainsi qu’une grande souplesse au niveau de la génération des différentes formes. Le plus souvent, le fraisage est utilisé pour produire des surfaces planes, des épaulements et des gorges, mais son efficacité en contournage va croissante grâce à l’utilisation des techniques CNC (Computerized Numerical Control). Le fraisage est en passe de devenir une méthode d’usinage de plus en plus universelle, disposant d’une gamme toujours plus étendue de machines, de systèmes de commande et d’outils de coupe. Par exemple, les centres d’usinage utilisent largement le fraisage et ont donc besoin, dans ce domaine, d’une grande diversité d’outils. Le fraisage s’effectue donc sur différents types de machines, allant des fraiseuses conventionnelles dont la conception date du début du siècle jusqu’aux machines CNC sophistiquées à axes multiples .

L’usinabilité

L’usinabilité ou capacité d’un matériau d’être travaillé par outil de coupe est une propriété mécanique très complexe. Cette complexité vient du fait que l’usinabilité est une propriété qui est sensible à un nombre important de paramètres .

L’usinabilité n’est donc pas une propriété scientifiquement définie et régie par les lois mathématiques fixées. C’est une caractéristique qui devient insignifiante si les conditions dans les quelles elle à été appréciée ne sont pas précises [4, 7, 9] Plusieurs chercheurs dans le domaine de la coupe des métaux définissent l’usinabilité comme étant l’aptitude à la coupe par enlèvement de copeaux est l’ensemble de propriétés complexes dont l’effet peut se ramener à l’obtention de deux valeurs principales:
– Précision des cotes macro et micro géométriques,
– Prix de revient  .

L’usinabilité est l’aptitude d’un matériau à être amené à des dimensions et formes déterminées avec un état de surface défini par une ou plusieurs opérations d’usinage. L’usinabilité n’est pas une propriété simple de la matière, elle n’est pas directement mesurable. C’est une propriété mécanique complexe désignant la facilité plus ou moins grande d’un matériau à être amené par enlèvement de copeaux à une forme et cote fixées.

L’acier d’usinabilité optimale est celui permettant enlèvement le plus rapide de la plus grande quantité de copeaux avec un fini de surface satisfaisant et sans réaffûtage de l’outil .

Evaluation de l’usinabilité 

En construction mécanique, la réalisation d’un produit quelconque nécessite l’emploi de divers matériaux. La connaissance exacte des différentes caractéristiques du matériau est primordiale. Lorsqu’un matériau est transformé par usinage (enlèvement de copeaux), il est important de connaître son usinabilité. Plusieurs chercheurs et constructeurs notamment dans le domaine de la métallurgie ont étudié et évalué cette caractéristique.

Les conclusions présentées par les chercheurs montrent que les critères d’évaluation de l’usinabilité peuvent être ordonnés comme suit :
• La vitesse de coupe,
• Les efforts de coupe,
• La rugosité de la surface usinée,
• La température de coupe.

Les différentes études présentées par les spécialistes de la coupe des métaux et relatives à l’évaluation de l’usinabilité des matériaux montrent que parmi tout les critères, le critère de la vitesse de coupe caractérisé par la tenue de l’outil ou par un critère dépendant soit (VB, KT ou V60) est le critère prépondérant de l’évaluation de l’usinabilité ; les autres critères sont considérés comme complémentaires .

Méthodes d’évaluation de l’usinabilité 

L’usinabilité est une caractéristique mécanique complexe propre au matériau. Elle est évaluée par la réalisation d’un certain nombre de tests (essais pratiques). Ces tests consistent à l’étude de l’influence des critères considérés sur l’usinabilité. Pour déterminer l’usinabilité d’un matériau, plusieurs méthodes ont été mises au point. Les plus signifiantes sont celles basées sur la mesure de l’usure plus réalisables en pratique. Selon la durée de l’essai nous avons deux types :
• Essais de longue durée,
• Essais rapides (accélérés).

Critère principal d’évaluation de l’usinabilité 

Endommagement des outils de coupe 

Dans le domaine de la coupe des métaux, l’usure des outils de coupe constitue un phénomène important qui a une influence sur l’état de surface de la pièce, son état de contraintes superficielles, le respect des côtes dimensionnelles demandées, les efforts de coupe, la puissance nécessaire et naturellement la durée de vie de l’outil. Les fabricants sont depuis toujours intéressés par le choix du meilleur outil pour un usinage donné et la détermination des conditions de coupe optimales. Certes, les lois d’usure des outils de coupe de nature phénoménologique telle que la loi de Taylor (1905) ont permis aux industriels de prévoir l’évolution de l’usure en fonction du temps pour des paramètres de coupe déterminés. Cela a permis l’estimation de la durée de vie de l’outil et l’optimisation des paramètres de coupe pour une meilleure tenue de l’outil. Cependant, ces lois restent valables seulement dans le cas d’usure stable, sont limitées à des cas particulier d’usure et demandent des expérimentations longues et coûteuses pour en fixer les paramètres. Ces techniques posent problème à l’heure actuelle où on est face à une grande variabilité de matières usinées et de types d’outils. Une autre voie consiste à étudier et modéliser les phénomènes générant l’usure de l’outil de coupe : physiques, chimiques ou mécaniques. En fait, l’usure d’un outil est un phénomène complexe. Sa description en tant que phénomène global est certainement utopique. Cependant pour mieux l’appréhender et la quantifier, il faut distinguer les mécanismes et les traiter au mieux tout en recherchant les possibilités de leur conjonction .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PROBLEMATIQUE
CHAPITRE I ETUDE ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 Etude du fraisage et ses particularités
I.3 L’usinabilité
I.3.2 Evaluation de l’usinabilité
I.3.2.3 Méthodes d’évaluation de l’usinabilité
I.4.Critère principal d’endommagement des outils de coupe
I.4.1 Mécanismes d’endommagement des outils
I.4.2 Mécanismes d’usure
Usure par abrasion
Usure par adhésion : arête rapportée et attrition
Usure par diffusion
Examens morphologiques de l’usure des outils de coupe
Lois d’usures des outils de coupe
I.5 Critères complémentaires d’évaluation de l’usinabilité
I.5.1 Le critère des efforts de coupe
– Modélisation des efforts de coupe (Merchant 1945)
I.5.2 Le critère de la rugosité de la surface usinée
Principaux facteurs affectant l’outil
Principaux facteurs affectant la machine
Principaux facteurs affectant la pièce
Influence des paramètres géométriques de l’outil
Influence des paramètres du régime de coupe
Influence de la machine
Influence des facteurs métallurgiques
I.6 Microstructure et contraintes résiduelles
I.7 Analyse des travaux déjà réalisés
I.8 Evolution des matières de coupe
Evolution des matériaux à outil
Evolution des outils de fraisage
Texture des outils de coupe modernes
Les substrats
Les revêtements
L’intérêt de revêtement
I.9 Usinage à grande vitesse (UGV)
Pourquoi l’UGV ?
Exigences imposées par l’UGV
Matériaux de coupe et revêtements utilisés en UGV
Outils en carbures et leur revêtement de surfaces
Le Fraisage UGV
I.10 Fraisage grande vitesse à sec des couches de rechargement
STELLITE 6 sur les aciers de forgeage
Le rechargement stellite 6 par le procédé PTA
L’usinage des couches de rechargement
CHAPITRE II METHODOLOGIE DE RECHERCHE ET PREPARATION DES EXPERIENCES
II.1 Méthodologie de recherche
II.1.1 Méthode unifactorielle
II.1.2 Méthode multifactorielle
II.1.3 Traitement des résultats
II.2: Procédure expérimentale
II-2 .1 Fraisage conventionnel
Machines-outils
Matière usinée
Outil de coupe
Caractéristiques des plaquettes de coupe
Appareil de mesure de l’usure
Principe de mise en position de la zone d’usure de la plaquette
Appareil de mesure de l’état de surface
Conditions de coupe
II-2-2 Fraisage à grande vitesse
Machine-outil
Eprouvettes testées
Le substrat
Outil de coupe employé
Plaquettes de coupe testées
Surveillance de l’usinage
Dispositifs Wattpilote
Mesure de l’usure
CHAPITRE III TRAITEMENT ET ANALYSE DES RESULTATS
III-1 Traitement des résultats: (Etude expérimentale sur le fraisage conventionnel)
III.1.1 Analyse des résultats d’usinage de l’acier C18
Analyse des résultats d’usure
Analyse des résultats des efforts de coupe
Analyse des résultats de la rugosité
III.1.2 Analyse des résultats d’usinage de l’acier C45
Analyse des résultats d’usure
Analyse des résultats des efforts de coupe
Analyse des résultats de la rugosité
III1.3 Analyse des résultats d’usinage de l’acier 100Cr6
Analyse des résultats d’usure
Analyse des résultats des efforts de coupe
Analyse des résultats de la rugosité
III.2 Analyse globale de l’usinabilité des aciers testés
III.2.1 Analyse de l’usure
III.2.2 Analyse des efforts de coupe
III.2.3 Analyse de la rugosité
III.2.4 Analyse de la rugosité en fonction du temps de coupe
III.2.5 Résultat de l’examen morphologique des plaquettes testées
CHAPITRE IV TRAITEMENT ET ANALYSE DES RESULTATS
(Etude expérimentale sur le fraisage à grande vitesse)
IV.1 Traitement des données
Evolution des puissances et usures
Rechargement monocouche PTA
Evolution des puissances
Usure des plaquettes
Traitement de l’usure des plaquettes au microscope
Images interférométries de l’usure sur les différentes plaquettes
Rechargement bicouche PTA
Evolution des puissance
Usure des plaquettes
Traitement de l’usure des plaquettes au microscope
Images interférométriques
Evolution des puissances Vc=190m/min
Usure des plaquettes Vc=190m/min
Evolution des puissances Vc= 230 m/min
Usure des plaquettes Vc=230 m/min
Traitement de l’usure des plaquettes au microscope
Evolution des puissances Vc= 120 m/min
Usure des plaquettes Vc=120 m/min
Traitement de l’usure des plaquettes au microscope
Images interférométriques
Vitesse de coupe Vc
IV-2.2 Analyse et discussion
CONCLUSION

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