Soutenance mémoire
L’usinage des métaux par l’outil coupant est un processus de mise en forme par enlèvement de matière. C’est le processus le plus répandu dans le domaine de la fabrication. Pendant beaucoup d’années, le progrès du processus est accompagné de beaucoup de nouveaux problèmes. Le tournage des matériaux durcis, communément connu sous le nom de Tournage Dur (TD) est un des procédés qui on révolutionné ces dernières années le domaine de l’usinage par outils coupants. En effet ce procédé a fait l’objet de nombreux travaux de recherche (simulation numérique et/ou expérimentale) dans le domaine de la coupe des métaux. La particularité du procédé est que le copeau pendant sa formation, subi de grandes déformations (1à10) à des vitesses relativement élevées (103 à 106 s-1). Le but général des chercheurs est toujours d’améliorer l’enlèvement de matière. En d’autres termes, il est question d’augmenter le taux d’enlèvement de matière, tout en réduisant le coût. Cependant, il y a beaucoup de contraintes autres que des limitations de puissance et de couple de machine, telles que la qualité de la surface usinée qui doit être prise en considération pendant l’opération d’usinage. Ceci nous ramène à faire le bon choix des paramètres de coupe (vitesse de coupe, avance par tour, profondeur de passe, …).
Comme il est connu par la communauté industrielle, il n’est pas toujours facile de choisir les paramètres de coupe et de contrôler par conséquent le processus. Cette complexité est due à la coexistence de différents phénomènes physiques (mécaniques, thermiques et métallurgiques) pendant l’interaction outil pièce. Un exemple qui illustre la nécessité pour choisir, d’une manière optimale, ces paramètres, est celui du tournage dur (TD). Ce procédé a été appliqué dans beaucoup de cas industriels mais n’est toujours pas entièrement contrôlé. Fréquemment, il est employé dans la fabrication des roulements, des arbres, des pignons, des cames et d’autres composants mécaniques. Selon Guo et Al. [1] le TD présente une différence significative comparé à son processus concurrentiel : la rectification. Ceci est dû au fait qu’il peu donner un fini de surface et une précision de forme et de géométrie, équivalents ou meilleurs, que le procédé de rectification.
De nombreux chercheurs ont étudié les phénomènes accompagnant la formation du copeau en dents de scie. Albrecht [2] a effectué une étude paramétrique montrant l’effet de la vitesse de coupe, l’avance par tour, la profondeur de coupe et le rayon du bec d’outil dans le cas des opérations de tournage. ELWardany et Al [3] ont présenté une recherche expérimentale sur le mécanisme de formation du copeau pendant l’usinage d’un acier à outil avec des outils de PCBN. Eu-Gène Ng et Al [4] ont étudié l’effet de la dureté de la pièce et la vitesse de coupe sur des efforts, l’angle de cisaillent, contrainte d’écoulement et la température dans la zone de cisaillent. König et Al [5] ont discuté les caractéristiques des surfaces usinées dures particulièrement des couches blanches, et ont présenté le développement dans le domaine de l’usinage de précision élevée de l’acier durci.
Usinage conventionnel
L’usinage dit « conventionnel » est réalisé à faible vitesse de rotation de broche (inférieure à 5000 tr/min). Les vitesses de coupe correspondantes sont de l’ordre de 40 à 400 m/min selon la nature du matériau usiné. La dynamique et les caractéristiques des machines outils permettent d’obtenir des qualités d’usinage moyennes. Les usinages conventionnels sont réalisés par des machines manuelles mais aussi par les machines à commande numériques qui les remplacent de plus en plus. Les outils utilisés pour les usinages conventionnels sont réalisés dans une très vaste gamme de matières. La plupart sont en « carbure »(carbures de tungstène) ou en aciers « rapides ». Des outils en Nitrures de Bore Cubiques (CBN), Céramiques ou « Cermets »(Carbures de Titane) sont également utilisés pour ces usinages.
Tournage des matériaux durs (TD)
Les pièces en acier de dureté supérieure à 55 HRC (ce qui correspond environ à 600 HV ou 570 HB ou encore à une résistance mécanique Rm=1900 MPa) sont de plus en plus usinées en tournage à leur géométrie finale par outil coupant et non par rectification [6,7 et 8]. L’usinage est habituellement réalisé avec une plaquette d’outil comportant un insert poly-cristallin en nitrure de bore cubique (CBN). L’outil choisi possède un rayon de bec assez grand ce qui permet d’approcher au mieux les états de surfaces obtenus en rectification. Le choix de la machine outil a son importance. Une machine très rigide permet d’atteindre de bonnes qualités de l’état de surface. Néanmoins il a été montré [7, 8 et 9] que sur des tours conventionnels et à commande numérique, les états de surface obtenus étaient très proches de ceux obtenus sur des machines renforcées pour le TD. Ainsi de nos jours, les performances des machines outils sont telles qu’il n’est pas forcément nécessaire de rigidifier une machine pour le TD. Le tournage dur peut aussi être réalisé avec des vitesses de coupe élevées. Le copeau obtenu en TD avec des vitesses de coupe conventionnelles présente une morphologie identique à celle obtenue en UGV. Si bien que l’on associe souvent le tournage dur à l’usinage à grande vitesse (ou UGV). Il est alors important de savoir que les paramètres caractéristiques de l’usinage d’une matière donnée avec un outil donné ou Couple Outil Matière [6], sont difficiles à atteindre aux plages de l’UGV. Par exemple M. REMADNA [10], a montré que pour des essais avec des vitesses de l’ordre de 350 m/min, la durée de vie de la plaquette CBN était très réduite. Cette notion de Couple Outil Matière tient donc une place particulière dans la définition du tournage dur.
Avec l’exigence de fabriquer des pièces de haute qualité, le tournage dur a gagné plus d’attention récemment. Le tournage dur a pu mener à une amélioration significative dans l’exécution des pièces usinées. Le TD trouve des applications industrielles telles que l’usinage de roulements, moule, cames, axes, outils, matrices, et d’autres structures soumises au chargement cyclique. Plusieurs études, concernant le TD avec des outils à géométrie définie montrent des avantages substantiels en termes d’intégrité de surface, plus de flexibilité, prix de revient plus réduit, et une production n’ayant pas des inconvénients écologiques peut être réalisé avec cette technologie innovatrice [11–14]. La faisabilité d’employer l’usinage dur en finition, pour remplacer la rectification afin de réaliser des surfaces de bonne intégrité s’est avérée réussie [14]. En dépit des avantages évidents, l’application industrielle du tournage dur est demeurée légère par rapport à l’éventail des applications potentielles. L’acceptation industrielle lente de cette technologie innovatrice peut être attribué en partie à l’incertitude des facteurs d’intégrité de surface, comme l’inversion des contraintes résiduelles et l’endommagement thermiques sur la surface usinée. L’intégrité de surface affecte de manière significative la durée de service d’un composant mécanique aussi bien que le coût de fabrication parce que les spécifications de l’intégrité de surface déterminent le choix des procédés de finition et des paramètres de processus. Un modèle théorique est souhaitable pour prévoir les facteurs d’intégrité de surface pour guider le choix des paramètres du procédé dans le but d’optimiser la coupe.
Usinage à grande vitesse UGV
L’Usinage à Grande Vitesse (UGV) est de plus en plus présent dans de nombreux secteurs industriels. Cela est inhérent notamment à l’apparition sur le marché d’une offre complète de machines outils de plus en plus performantes. L’UGV est caractérisé par des vitesses de broche supérieures à 5000 tr/min et souvent de plus en plus proche des 20 000 tr/min. A titre d’exemple, nous trouvons dans l’industrie aéronautique des opérations d’UGV dans la masse pour les pièces de structures d’avion [6]. D’autres industriels réalisent des moules et des matrices métalliques destinées au moulage par injection des matières plastiques, au moulage du verre, ou au matriçage et à l’emboutissage des pièces métalliques. Les techniques UGV permettent d’obtenir des usinages de parois minces non réalisables en usinage conventionnel.
L’industrie de l’usinage regroupe un nombre important de petites et moyennes entreprises, ce qui explique probablement le retard pris par la recherche dans ce domaine par rapport aux avancées techniques que constitue l’UGV. Dans beaucoup d’autres secteurs, dont celui de l’automobile, l’Usinage à Grande Vitesse fait l’objet d’études de faisabilité visant à établir des projets d’investissements lourds à court terme. Pour l’industrie, le passage à la grande vitesse est une action globale et complexe impliquant tous les aspects de la production. L’UGV apporte des avantages souvent décisifs en terme de productivité, de coût de fabrication et de qualité des produits. Mais il est aussi générateur de contraintes. Le coût des équipements et les dangers liés aux grandes vitesses de rotation et d’avance rendent inadmissibles, les mises au point par tâtonnements. La programmation des trajectoires et le choix des outils et des conditions de coupe doivent être sans défaut. Certains incidents, vibrations ou ruptures d’outils déjà gênants aux vitesses conventionnelles prennent des proportions catastrophiques en grande vitesse. Il faut donc fournir aux préparateurs des outils méthodologiques qui leur permettent de choisir les processus les mieux adaptés et des outils de simulation leur permettant de vérifier que ces choix ne conduisent pas à des situations anormales.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAP. 1. ETUDE ET ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. Contexte de l’étude
1.1.1. Usinage conventionnel
1.1.2. Tournage des matériaux durs (TD)
1.1.3. Usinage à grande vitesse UGV
1.2. Efforts de coupe
1.2.1. Définition et intérêt de leur mesure
1.2.2. Influence de différents facteurs sur les composants de l’effort de coupe
1.2.2.1. Influence des propriétés mécaniques du métal à usiner
1.2.2.2. Influence de la profondeur de passe et de l’avance
1.2.2.3. Influence de la vitesse de coupe
1.2.2.4. Influence de l’angle d’attaque
1.2.2.5. Influence de l’angle de direction principale
1.2.2.6. Influence du liquide d’arrosage
1.2.2.7. Influence de l’usure en dépouille
1.3. Formation du copeau
1.3.1. Phénoménologie de la formation du copeau
1.3.2. Formation du copeau
1.3.3. Formes de copeaux
1.3.3.1. Le copeau continu
1.3.3.2. Le copeau discontinu
1.3.3.3. Le copeau avec arête rapporté
1.3.4. Formation du copeau dentelé des aciers
1.3.4.1. Principe et Mécanisme de formation du copeau
1.3.4.2. Mode de déformation du copeau
1.3.4.3. Interprétation de la morphologie du copeau dentelé des aciers
1.3.5. Formation du copeau dentelé des alliages de titane
1.3.5.1. Principe et Mécanisme de formation du copeau
1.3.5.2. Mode de déformation du copeau
1.3.5.3. Caractéristiques de la zone secondaire
1.3.5.4. Interprétation de la morphologie du copeau dentelé d’un alliage de titane
1.3.5.5. Comportement des efforts de coupe
1.4. Matériaux de coupe
1.4.1. Introduction
1.4.2. Caractéristiques d’un matériau de coupe
1.4.3. Les carbures métalliques
1.4.4. Les céramiques de coupe
1.4.5. Les cermets
1.4.6. Le Nitrure de Bore Cubique
1.4.7. Le diamant
CHAP. 2. ETUDE EXPERIMENTALE DES EFFORTS DE COUPE ET DE LA RUGOSITE
2.1. Introduction
2.2. Planification des expériences et équipements utilisés
2.2.1 Plan des essais unifactoriels
2.2.2 Plan des essais multifactoriels
2.3. Equipements utilisés
2.4. Résultats des essais
2.4.1. Résultats des essais d’usure
2.4.2. Résultats des essais des efforts
2.4.2.1. Influence de l’avance
2.4.2.2. Influence de la profondeur de passe
2.4.2.3. Influence de la vitesse de coupe
2.4.2.4. Influence du temps de coupe
2.4.2.5. Influence des éléments du régime de coupe sur l’effort de coupe total et l’effort spécifique
2.4.2.6. Résultats des expériences des efforts suivant la méthode multifactorielle
2.4.3. Résultats des essais de la rugosité
2.4.3.1. Influence de l’avance
2.4.3.2. Influence de la profondeur de passe
2.4.3.3. Influence de la vitesse de coupe
2.4.3.4. Influence du temps d’usinage
2.4.3.5. Résultats des expériences se la rugosité suivant la méthode multifactorielle
2.5. Exploitation et analyse des résultats
2.5.1. Exploitation des résultats de l’usure
2.5.1.1. Détermination de la durée de vie des deux matériaux testés
2.5.1.2. Détermination des lois d’usure
2.5.2. Exploitation des résultats des efforts de coupe
2.5.2.1. Détermination des modèles unifactoriels des efforts de coupe
2.5.2.2. Détermination des modèles multifactoriels des efforts de coupe
2.5.3. Exploitation des résultats de la rugosité
2.5.3.1. Détermination des modèles unifactoriels de la rugosité
2.5.3.1. Détermination des modèles multifactoriels de la rugosité
2.5.4. Analyse des résultats des efforts de coupe
2.5.5. Analyse des résultats de la rugosité
CHAP. 3. ETUDE DE LA FORMATION DU COPEAU
3.1. Introduction
3.2. Formation du copeau en dent de scie
3.3. Description de la procédure expérimentale
3.3.1 Acquisition, à une haute fréquence, des efforts de coupe
3.3.2 Mesure géométrique sur le copeau basée sur des observations microscopiques
3.4. Essais de chariotage
3.5. Essais d’usinage des disques
3.6. Résultats obtenus
3.6.1. Résultats des efforts de coupe
3.6.2. Variation des fréquences de cisaillement
3.6.3. Variation de la vitesse d’évacuation du copeau
3.6.4. Mesure de la rugosité des surfaces usinée
CONCLUSIONS
