Simulations numériques thermiques de la plaquette de coupe et du pion de tribologie

La qualité d’une pièce usinée dépend fortement de l’état d’usure de l’outil de coupe. Cette usure constitue donc un problème majeur dans le domaine de la fabrication industrielle. Elle est fonction de plusieurs facteurs notamment du matériau usiné, des conditions de coupe, du procédé de coupe. Tous ces facteurs ont pour corollaire une production importante de chaleur qui induit une usure accélérée de l’outil de coupe. De plus, la température devient encore plus importante en usinage à grande vitesse. Pour diminuer le niveau de température de l’outil, les fluides de coupe sont généralement utilisés. Cependant, leur utilisation engendre d’autres contraintes comme le traitement des fluides usagés et des copeaux d’une part et les conséquences sur la santé des opérateurs et sur l’environnement d’autre part. Il faut également noter que le coût des fluides de coupe est élevé et que pour les grandes vitesses de coupe, la lubrification n’a pas d’effet significatif sur les conditions de frottement aux interfaces outil/matière. Ce dernier point est lié au fait que les niveaux de température et de chargement mécanique qui se développent au niveau de ces interfaces sont plus élevés. Ces raisons fondamentales ont motivé le recours à l’usinage sans lubrification.

L’usinage à sec est encore plus préjudiciable à la tenue à l’usure des outils puisque la température est extrêmement élevée. Les trois principaux modes d’usure identifiés aux interfaces de frottement sont l’abrasion, l’adhésion et la diffusion. La compréhension des mécanismes qui les gouvernent est encore incomplète, notamment du fait que les différents modes d’usure évoqués opèrent d’une manière interactive. De plus, l’étude de ces mécanismes reste difficile car les interfaces de frottement outil/pièce et outil/copeau sont inaccessibles pendant l’opération d’usinage.

Bibliographie générale sur l’usinage 

Principales caractéristiques géométriques de l’outil 

Les principales caractéristiques géométriques de l’outil ont un rôle important dans la formation et l’évacuation du copeau. Par exemple l’angle de coupe a une influence considérable sur le comportement du matériau usiné dans la zone de formation du copeau et sur la longueur de contact outil/copeau [2-6]. Günay et al. [4-6] ont étudié l’influence de l’angle de coupe sur les efforts de coupe lors de l’usinage de l’acier AISI 1040 avec des outils en carbure de tungstène fritté. Les auteurs ont montré que l’effort de coupe diminue quand l’angle de coupe augmente. Plus cet angle est aigu, plus la longueur de contact outil/copeau est faible. Cela induit une diminution des efforts de coupe et du coefficient de frottement et par conséquent facilite l’écoulement du copeau. Cet exemple illustre la nécessité de bien définir les caractéristiques géométriques de l’outil.

La face de coupe : face de frottement entre l’outil et le copeau et notée Af.
La face en dépouille : face de l’outil qui frotte sur la surface usinée et notée Aa.
Le rayon de bec : rayon de la surface reliant deux surfaces en dépouille.
Le rayon de l’arête : rayon de la surface reliant la face de coupe et la face en dépouille.
L’angle de coupe (γ) : angle entre la face de coupe et le plan horizontal contenant l’arête de coupe (il est mesuré dans un plan perpendiculaire au plan horizontal contenant l’arête de coupe).
L’angle de dépouille (α) : angle entre la face en dépouille et le plan vertical contenant l’arête de coupe (il est mesuré dans un plan vertical et perpendiculaire au plan vertical contenant l’arête de coupe).
L’arête de coupe : segment ou surface reliant la face de coupe et la face en dépouille.

Les paramètres de coupe 

Les paramètres de coupe sont : la vitesse de coupe, la vitesse d’avance et la profondeur de passe. Ces paramètres fondamentaux ont une influence significative sur les mécanismes de dégradation des outils de coupe.
La vitesse de coupe Vc : c’est un des paramètres d’importance majeure dans le processus de coupe [7-9]. Il dépend du matériau à usiner et de la vitesse de rotation de la pièce (en tournage).
L’avance f : elle correspond au déplacement de l’outil pour une révolution de la pièce en tournage. C’est un des paramètres qui a également une influence significative dans le procédé de coupe car elle détermine la section du copeau.
La profondeur de passe ap : c’est la pénétration de l’arête de coupe dans la matière, elle correspond aussi à la différence entre le rayon de la pièce avant et après une passe (en tournage cylindrique).

Etude expérimentale de la coupe 

Les procédés d’usinage par enlèvement de matière sont des techniques de mise en forme largement utilisées dans l’industrie. Il existe de nombreux procédés d’usinage : le fraisage, le perçage, le tournage, le découpage, etc.

Bien que cette synthèse date de 1998, elle montre l’importance des études expérimentales qui permettent de mieux comprendre le procédé d’usinage. Elle montre également que le tournage reste toujours le procédé le plus utilisé dans l’industrie et le plus étudié. L’approche expérimentale de la coupe a plusieurs objectifs :
o Etudier et caractériser l’usure d’un outil de coupe.
o Etudier l’usinabilité d’un nouveau matériau (matériaux durs, composites) et l’influence des paramètres de coupe.
o Mettre en place un nouveau système d’usinage (usinage assisté par laser, usinage cryogénique, usinage à jet d’eau…).
o Caractériser les propriétés des surfaces usinées.
o Comprendre et optimiser le procédé d’usinage.
o Valider les études numériques.
o …

L’approche expérimentale permet de mieux comprendre les phénomènes mécaniques, thermiques et physico-chimiques ainsi que leurs interactions. Ces phénomènes sont encore plus complexes et critiques en usinage à grandes vitesses [13, 14]. Leur compréhension passe par la mesure des efforts, de la puissance et/ou de l’énergie, de la température, des paramètres d’usure aussi par la caractérisation de l’outil de coupe usé et de la pièce usinée.

L’analyse proposée dans le paragraphe suivant porte essentiellement sur des études de l’usure des outils de coupe par des approches d’usinage. Wanigarathne et al. [15] ont étudié l’usure progressive d’un outil de coupe en carbure fritté revêtu (revêtements : TiN/TiCN/TiC) et comportant des brises-copeau. Leur étude a eu pour objectif d’analyser, aux échelles macroscopique et microscopique, l’usure des outils en fonction de la température. L’étude menée a été réalisée en coupe orthogonale de l’acier C45 (AISI 1045) avec des vitesses de coupe de 200, 250 et 300 m/min, des vitesses d’avance de 0,15 et 0,2 mm/tr et une largeur de coupe de 3 mm. Les auteurs ont montré par cette étude que la température de la face de coupe augmente en fonction de la vitesse de coupe. L’augmentation de la température induit une usure de l’outil plus sévère. Toutefois, les auteurs n’ont pas étudié les différents mécanismes d’usure qui sont responsables cette dégradation sévère. Certains travaux ont été menés pour caractériser et comprendre le comportement des interfaces de frottement et l’usure des outils de coupe [16-21]. En particulier, Gegonde et Subramanian [17] ont mené une étude pour caractériser le phénomène de diffusion des éléments chimiques de l’outil dans le copeau. L’étude a été réalisée en usinant les aciers C45 (AISI 1045) et C20 (AISI 1020) avec un outil en carbure fritté avec ou sans revêtement de TiN/TiC. Les auteurs indiquent que pour une vitesse de coupe inférieure à 100 m/min, il y a une adhésion de la matière usinée sur la face de coupe de l’outil et que cette adhésion est immédiatement évacuée à cause d’une faible force d’adhésion au niveau des jonctions. Par contre, à partir de la vitesse de coupe de 100 m/min, la force d’adhésion au niveau des jonctions est élevée. En conséquence, la rupture de l’adhésion est difficile, ce qui provoque une stagnation de la matière usinée sur la face de coupe. Il apparaît alors une diffusion de l’élément tungstène dans le copeau. Gegonde et Subramanian montrent également que ce phénomène de diffusion dépend de la température à l’interface de l’outil et des transformations de phase de l’acier usiné. Ils remarquent que la température maximale de la face de coupe est localisée au niveau de la profondeur maximale et correspond à la température de transformation de phase de l’acier qui est égale à 840°C. S’il est admis que la température est un paramètre important dans le cas de l’usure par diffusion, les études de Gegonde et Subramanian [17] ne correspondent pas aux observations faites par Trent [1]. Trent [1] indique que l’usure en cratère est un phénomène thermiquement activé qui reste prédominant jusqu’à 800°C, et qu’au-delà de cette température, c’est plutôt un phénomène de déformation plastique qui devient prépondérant. En conséquence, il est important de noter que l’élévation de la température de l’outil, combinée avec des sollicitations mécaniques, provoque d’autres mécanismes d’usure comme la déformation, la fissuration ou l’écaillage, surtout pour les outils revêtus.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1 : Bibliographie générale sur l’usinage
1 Introduction
1.1 Principales caractéristiques géométriques de l’outil
1.2 Les paramètres de coupe
1.3 Les principales configurations d’étude de la coupe
2 Etude expérimentale de la coupe
3 Modélisation de la coupe
3.1 Les mécanismes de formation du copeau
3.2 Modélisation analytique de la coupe
3.3 Modélisation thermomécanique
3.4 Modélisation numérique de la coupe
4 Aspects thermiques de la coupe
4.1 La production de chaleur
4.2 Le transfert thermique en usinage
5 Quelques modèles d’usure des outils de coupe
6 Conclusion
Chapitre 2 : Etudes expérimentales du comportement en tournage et en tribologie du couple WC-6%Co/Acier C45
1 Introduction
2 Etude bibliographique sur la tribologie des outils de coupe
2.1 Usure des outils de coupe
2.2 Les interfaces de contact en usinage
3 Etude du comportement tribologique et thermique d’outils WC-6%Co par une approche expérimentale en usinage
3.1 Présentation de la machine d’usinage, de l’outil de coupe et de la matière usinée
3.2 Objectifs, méthodologie de l’étude expérimentale
3.3 Présentation et analyse des résultats expérimentaux
4 Etude du comportement tribologique et thermique de pions WC-6%Co par l’approche tribologie classique
4.1 Présentation du tribomètre à grande vitesse et des conditions d’essais
4.2 Présentation des éprouvettes : pion et disque
5 Conclusion
5.1 Approche d’usinage
5.2 Approche tribologique
Chapitre 3 : Simulations numériques thermiques de la plaquette de coupe et du pion de tribologie
1 Introduction
2 Modélisation thermique en usinage
2.1 Bibliographie sur la thermique de l’usinage
2.2 Etude de la modélisation numérique thermique en usinage
3 Modélisation thermique en frottement
3.1 Bibliographie sur la modélisation thermique en tribologie
3.2 Modélisation numérique thermique du pion de tribologie et objectif de la simulation
4 Conclusion
Chapitre 4 : Synthèse sur les mécanismes d’usure du WC-6%Co en usinage et en tribologie
1 Compléments bibliographiques sur le comportement du WC-Co et du WC à haute température
2 Similitudes entre les modes d’endommagement du WC-6%Co observés en tournage et en tribologie
3 Définition des types d’endommagement des plaquettes WC-6%Co lors d’une opération de tournage : échelle microscopique
3.1 Températures de la surface du cratère
3.2 Types d’endommagement observés au niveau de la surface du cratère
4 Définition des types d’endommagement des pions WC-6%Co lors des essais tribologiques : échelle microscopique
4.1 Observations de la surface de frottement
4.2 Observations en coupe selon un plan parallèle à la direction de frottement
4.3 Circulation des débris dans le contact
5 Identification des mécanismes d’usure des plaquettes WC-6%Co lors d’une opération de tournage : Définition d’un modèle phénoménologique
5.1 Définition des étapes du modèle
5.2 Modèle phénoménologique proposé pour l’usure en cratère lors d’une opération de tournage
6 Conclusion
Conclusion générale

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