USURE DES MATERIAUX DE COUPE MODERNES EN TOURNAGE DUR

Carbures Métalliques

        Les carbures métalliques sont des alliages frittés à base de carbure de tungstène, de carbure de titane et de carbure de tantale liés par le cobalt. Le tungstène est mélangé au carbone et chauffé à 1500°C pour obtenir le carbure de tungstène. Ce dernier est mélangé au cobalt pur et comprimé à la presse. A une température de 700°C on effectue un premier frittage. Ce pré frittage donne des produits assez solides pour en permettre le découpage. Ils sont ensuite frittés définitivement à 1400°C avec des additions complexes de (W) et de (Ti). En usinant les aciers les carbures métalliques permettent une vitesse de coupe allant jusqu’à 300 m/min. La vitesse d’usure est minimale quand l’outil arrive à une température de 800° mais l’outil peut supporter une température jusqu’à 1000°. La dureté de ce matériau est aux alentours de 90 HRC. La symbolisation des carbures a fait l’objet de la recommandation NF E 66 – 304 (ISO 513) [GLA 84]. Les nuances de carbure sont divisées en trois grandes catégories :
• P : pour les matières à copeaux longs (aciers) ;
• M: pour les matières difficiles (aciers inoxydables, réfractaires, fontes alliées) ;
• K : pour les matières à copeaux courts (fontes, laiton, aluminium, bois, plastiques).
™ Carbures revêtus : La plupart des outils carbures sont revêtus. On revêt un carbure tenace d’une couche de TiN ou de céramique. Ce revêtement assure une très forte résistance à la cratérisation ce qui amélioré l’usure par diffusion. Il réduit la friction au contact outilcopeau, ce qui diminue les efforts de coupe. Les qualités de carbures revêtus autorisent des vitesses de coupe élevées avec des sections de copeau importantes, permettant un gain de production de l’ordre de 20 à 30 %. La durée de vie est de 2 à 5 fois supérieure à celle d’un carbure non revêtu. L’usinage est possible jusqu’à 1300°C [REV 86]. On trouve différents types de revêtements : monocouche (TiN jaune) multicouches (TiCN de 2µm d’épaisseur et TiN de 6µm, TiN+TiC+TiN, TiC+AL2O3, TiCN+AL2O3+TiN,…+HFN). HFN : Nitrure de Hafnium métal rare.
Les principaux procédés de revêtement utilisés sont :
PVD : Dépôt Physique en phase Vapeur (Physical Vapor Deposition) On vaporise, sous vide le matériau de revêtement entre 150 et 500°C en utilisant un courant à haute tension. La vapeur produite se condense en un film de 2 à 5µm sur les surfaces à revêtir (substrat).
CVD : Dépôt Chimique en phase Vapeur (Chemical Vapor Deposition)
C’est un procédé de revêtement par réaction chimique à température élevée de 900 à 1100°C sous une atmosphère inerte, réductrice où recarburante. Un gaz transporteur amène une vapeur réactive appropriée dans un réacteur ou se trouvent les pièces.L’épaisseur de 2 à 12µm dépend du matériau de revêtement, de la pression, du temps et de la température. En conclusion, on peut dire que les carbures revêtus couvrent un très large domaine d’application d’usinage. On estime que 70% des opérations d’usinage sont effectuées par des plaquettes en carbure. Une large gamme de compositions est offerte et chaque nuance est conçue en fonction des besoins requis pour toute application particulière.

Facteurs influençant le rendement des céramiques

        Des travaux de recherche et des essais très poussés ont trouvé qu’il y’a plusieurs facteurs qui peuvent influencer le rendement des outils de coupe en céramique [FAN 86], [VIG 87], [PAS 87]. Il faut absolument tenir compte de ces facteurs pour obtenir le rendement optimal.
• Les machines doivent être amplement puissantes et pouvoir travailler sans désemparer aux vitesses élevées nécessaires pour l’usinage aux outils en céramique.
• La rigidité du montage de l’outil ou de porte outil est tout aussi importante que la rigidité de la machine. Pour éviter la pression de serrage, il convient de placer une plaque intercalaire entre le porte- outil et la plaquette.
• Le porte-à-faux de l’outil doit être aussi court que possible.
• Les vitesses, les avances et les profondeurs de passe doivent être adaptées aux types de céramique utilisée.
• Lorsque la lubrification est obligatoire pour garantir les tolérances requises, le débit devra être important et continu pour limiter les chocs thermiques sur l’outil.
• Il est souvent favorable de pratiquer un chanfrein d’entrée afin d’éviter la détérioration de l’arête de coupe.
• Les plaquettes devront avoir la plus grande épaisseur possible, avec un angle de coupe négatif pour que leur résistance soit maximale.

Les différentes formes d’usure des outils

      Les formes d’usure des outils de coupe (figure I.16) dépendent essentiellement de la nature de l’outil, du matériau usiné, des conditions de coupe et du type d’usinage. Nous pouvons rencontrer les formes suivantes [LE M 71], [GEL 95], [LER 84]:
• Usure en dépouille ou usure frontale : Elle est due au frottement de la pièce sur la face en dépouille de l’outil et elle se manifeste par l’apparition d’une bande striée et brillante parallèle à l’arête, de largeur moyenne VB. Du point de vue pratique, l’usure frontale est la plus importante à considérer puisqu’elle détermine l’état de surface de la pièce et la précision dimensionnelle [AMR 87].
• Usure en cratère : Elle est caractérisée par une cuvette formée sur la face d’attaque de l’outil par frottement du copeau. Cette forme d’usure est due à l’existence des températures élevées au contact du copeau et de l’outil provoquant une diffusion importante, La forme du cratère est définie par sa profondeur KT, le rapport de cratérisation KT/KM ou l’angle de cratérisation γc. KT ne provoque pas de détérioration de la surface usinée, mais affaiblit la résistance mécanique de l’outil. Cette usure peut jouer un rôle important quand à l’enroulement et la fragmentation du copeau [TAY 93].
• Déformation plastique : La pointe de l’outil peut subir une déformation permanente sous l’effet des températures élevées et des hautes pressions dans la zone de coupe. Cette déformation de la pointe de l’outil influe sur sa géométrie et par conséquent sur la précision et l’état de surface usinée.
• Ebréchures (Ecaillages) : Des arrachements peuvent se produire sur l’arête de l’outil, surtout dans le cas de chocs. Ces derniers sont dus à des discontinuités de la pièce ou par des vibrations.
• Fissuration d’arête : A des températures de coupe élevées et sous des conditions de coupe sévères, on observe l’apparition de fissures sur l’arête de coupe. Les chocs mécaniques et thermiques sont à l’origine de la création de ces fissurations.
• Entaille : Dans certaines conditions de coupe, il se produit des arrachements, l’arête tranchante à la hauteur du diamètre périphérique s’use et il y a un effondrement à cet endroit. L’entaille est caractérisée par la valeur (VN) sur la surface en dépouille. Elle est due à des passages successifs de l’outil sur une couche écrouie par le passage précédent, donc plus dure [WEI 71].
• Usure par arête rapportée ou copeau adhérent : Ce type d’usure est dû à une température trop basse dans la zone de coupe, ce qui provoque un mauvais écoulement du copeau et celui-ci se soude à l’arête. Ce copeau adhérent entraîne un accroissement de la puissance nécessaire à la coupe et une détérioration rapide de l’état de surface de la pièce

Intérêt du contrôle de la formation du copeau

       Le respect des trois critères : coût, qualité et délai impose l’utilisation des moyens de production plus performants et plus flexibles. La formation du copeau en usinage dur (tournage dur) est un phénomène micro-géométrique influant sur plusieurs grandeurs macro-géométriques à surveiller, sa maîtrise contribue à :
• Fiabiliser le processus d’usinage ;
• Garantir la qualité géométrique des surfaces usinées (état de surface et précision dimensionnelle) ;
• Assurer la productivité ;
• Renfoncer la sécurité des opérateurs et la cellule d’usinage [GEI 99].

Carbure métallique GC3015

       Les carbures métalliques revêtus sont très utilisés dans l’usinage des pièces mécaniques. Ils couvrent un très large domaine d’application d’usinage. On estime que 70 % des opérations d’usinage sont effectuées par des plaquettes en carbure. A cet effet nous avons jugé utile d’introduire dans notre travail un des meilleurs carbures métalliques revêtus. Il s’agit du carbure GC3015 ayant un triple revêtement et très utilisé dans l’usinage des matériaux difficilement usinables. Son introduction est dans un souci de comparaison avec les résultats obtenus avec les deux autres familles de matériaux de coupe (CBN et céramique). Les figures III.11 et III.12 présentent les résultats de l’évolution de l’usure en dépouille et en cratère du carbure métallique GC3015 en fonction du temps pour différentes vitesses de coupe. L’analyse des courbes montre que l’allure de l’usure obéit à la loi universelle de l’usure de n’importe quelle pièce mécanique comme cité dans la bibliographie (figure I.34) ( rodage, usure normale, usure accéléré). L’analyse des résultats montre aussi que la vitesse de coupe a une influence capitale sur l’usure. En effet, avec l’augmentation de cette dernière l’usure s’accroît d’une façon remarquable. Cet accroissement de l’usure réduit considérablement l’étendue de la zone normale, ceci est justifié par les essais réalisés avec les vitesses de coupe de 60 et 90 m/min. En effet, à la vitesse de 30 m/min la zone de l’usure normale s’étend sur une durée de 28 m/min, alors que pour la vitesse 60 m/min elle est d’une durée de 3 min et enfin à la vitesse de 90 m/min la zone d’usure normale est presque inexistante. Concernant les courbes de l’usure KT, elles suivent les mêmes allures que celles de l’usure en dépouille VB. Lors de l’usinage de 100Cr6 avec le carbure GC3015 à la vitesse de 30 m/min, l’usinage est très stable, l’usure est régulière et évolue lentement. Au début l’usure VB se manifeste sous forme d’un léger plat avec une rugosité de la surface Ra = 0,43µm. Avec le temps VB s’élargit jusqu à la valeur admissible [0,3] mm, ce qui correspond à une tenue de 36 min, la rugosité enregistrée est Ra = 0,95 µm. Au-delà de VB=0,4 mm, l’outil perd complètement ses qualités de coupe et on remarque une destruction totale du bec de l’outil. La rugosité moyenne enregistrée à la fin de l’usinage est d’une valeur Ra = 1,45 µm. A la vitesse de 60 m/min, la température de coupe augmente et l’usure sur les surfaces en dépouille et en cratère s’accentue. A la première minute d’usinage l’usure VB se manifeste sous forme d’une bande régulière et s’agrandie en largeur pour atteindre l’usure admissible [VB]=0,3mm après 6,8 min de travail. En parallèle l’usure en cratère prend progressivement de l’ampleur dans le plan horizontale et verticale jusqu’à ce quelle rejoigne la limite de l’usure VB, il en résulte une rupture du bec de l’outil. Après 18min d’usinage, l’usure VB atteint la valeur de 0,48 mm et KT atteint la valeur de 128 µm. A ce stade d’usinage, on remarque un recule de l’arête de coupe ce qui affecte la précision d’usinage.

Table des matières

Introduction
CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LES PHENOMENES REGISSANT LE PROCESSUS DE COUPE
I.1 Evolution des matériaux à outils 
I.1.1 Introduction
I.1.2 Carbures métalliques
I.1.3 Céramiques de coupe
I.1.3.1 Introduction
I.1.3.2 Classification des céramiques de coupe
I.1.3.3 Facteurs influençant le rendement des céramiques
I.1.3.4 Perspectives
I.1.4 Nitrure de bore cubique (CBN)
I.1.4.1 Plaquettes en nitrure de bore cubique
I.1.4.2 Domaines d’emploi technique et économique  du Nitrure de bore cubique
I.1.4.3 Marché potentiel du CBN d’après « General Electric »
I.1.4.4 Conclusion
I.2 Le Tournage dur
I.2.1 Introduction
I.2.2 Définition
I.2.3 Comparaison entre le tournage dur et la rectification
I.2.4 Désavantages du tournage dur par rapport à la rectification
I.2.5 Matériaux usinés en tournage dur
I.2.6 Marché potentiel du tournage dur d’après General Electric
I. 2.7 Conclusion
I.3 Usure des outils de coupe 
I.3.1 Introduction
I.3.2 Phénomènes provoquant l’usure
I.3.3 Différentes formes d’usure des outils
I.3.4 Relation entre l’usure et le temps
I.3.5 Critères d’usure
I.3.6 Lois d’usure des outils de coupe
I.3.6.1 Introduction
I.3.6.2 Modèle de Taylor
I.3.6.3 Modèle de Gilbert
I.3.6.4 Modèle de Colding
I.3.6.5 Modèle de Kronenberg
I.3.6.6 Modèle de König – Dépiereux
I.4 Rugosité des surfaces usinées 
I.4.1 Principaux défauts de surface
I.4.2 Principaux critères de rugosité
I.4.3 Influence des principaux paramètres de coupe
I.4.4 Evaluation de la rugosité
I. 5 Efforts de coupe
I.5.1 Définition et intérêt de leur mesure
I.5.2 Génération des efforts de coupe
I.5.3 Effort spécifique de coupe
I.5.4 Mesure des efforts de coupe
I. 6 Formation du copeau 
I.6.1 Intérêt du contrôle de la formation du copeau
I.6.2 Mécanisme de la formation du copeau
I.6.3 Types de copeaux rencontrés
I.6.4 Influence de la vitesse de coupe
I.6.5 Influence de la dureté du matériau usiné
I.7 Evolution de la température dans le processus de coupe 
I.7.1 Importance de la température de coupe
I.7.2 Origine de la chaleur
I.7.3 Répartition de la chaleur entre outil, copeau et pièce
I.7.4 Mesure de la température de coupe
I.8 Conclusion 
I.9 Position du problème 
CHAPITRE II : EQUIPEMENTS UTILISES ET PROGRAMME D’EXPERIENCE
II.I Introduction 
II.2 Equipements utilisés 
II.2.1 Machine outil
II.2.2 Matière à usiner
II.2.3. Outils de coupe utilisés
a) Porte-plaquettes
b) Plaquettes
II.2.4. Microscope pour la mesure de l’usure
II.2.5 Rugosimètre pour la mesure de la rugosité
II.2.6 Dynamomètre pour la mesure des efforts de coupe
II.2.7 Pyromètre à infrarouge pour la mesure de la température
II.3 Planification des expériences
II.3.1 Introduction
II.3.2 Méthode unifactorielle
II.3.3 Méthode multifactorielle
II.3.4 Méthode de calcul des constantes des modèles mathématiques
II.4 Conditions de coupe et du traitement thermique 
II.4.1 Conditions de coupe
II.4.2 Conditions du traitement thermique
CHAPITRE III: RESULTATS DE L’USURE DES MATERIAUX DE COUPE TESTES
III. 1 Introduction 
III. 2 Usinage de l’acier à roulement 100Cr6 
III. 2.1 Evolution de l’usure des outils
a) Nitrure de bore cubique CBN7020
b) Céramique Mixte CC650
c) Carbure métallique GC3015
III.2.2 Tenues des outils
III.2.3 Modèles de la tenue
III. 3 Usinage de l’acier fortement allié X200Cr12 
III. 3.1 Evolution de l’usure des outils
a) Nitrure de bore cubique CBN7020
b) Céramique Mixte CC650
c) Carbure métallique GC3015
III.3.2 Tenues des outils
III.3.3 Modèles de la tenue
III. 4 Température de coupe 
III. 5 Conclusion 
CHAPITRE IV : IMPACT DES CONDITIONS DE COUPE ET DE L’USURE SUR LA RUGOSITE DES SURFACES USINEES
IV.1 Introduction 
IV. 2 Impact des conditions de coupe sur la rugosité  (Méthode unifactorielle)
IV.2.1 Rugosité de surface de l’acier à roulement 100Cr6
IV.2.2 Rugosité de surface de l’acier X200Cr12
IV. 3 Impact des conditions de coupe sur la rugosité  (Méthode Multifactorielle)
IV.4 Impact de l’usure des outils sur la rugosité des surfaces usinées
IV.4.1 Impact de l’usure sur la rugosité de surface de l’acier 100Cr6
IV.4.2 Impact de l’usure sur la rugosité de surface de l’acier X200Cr12
IV.5 Détermination des modèles de la rugosité 
IV.5.1 Modèles de la rugosité en fonction des conditions de coupe
IV.5.2 Modèles de la rugosité en fonction de l’usure
CHAPITRE V : IMPACT DES CONDITIONS DE COUPE ET DE L’USURE SUR LES EFFORTS DE COUPE
V.1 Introduction 
V. 2 Impact des conditions de coupe sur la rugosité  (Méthode unifactorielle)
V.2.1 Evolution des efforts de coupe lors de l’usinage de l’acier 100Cr6
a) Influence de la vitesse de coupe
b) Influence de l’avance
c) Influence de la profondeur de passe
V.2.2 Evolution des efforts spécifiques lors de l’usinage de l’acier 100Cr6
a) Influence de la vitesse de coupe
b) Influence de l’avance
c) Influence de la profondeur de passe
V.2.3 Evolution des efforts de coupe lors de l’usinage de l’acier X200Cr12
a) Influence de la vitesse de coupe
b) Influence de l’avance
c) Influence de la profondeur de passe
V.2.4 Evolution des efforts spécifiques lors de l’usinage de l’acier X200Cr12
a) Influence de la vitesse de coupe
b) Influence de l’avance
c) Influence de la profondeur de passe
V.3 Impact des conditions de coupe sur les efforts de coupe  (Methode multifactorielle)
V.4 Impact de l’usure sur l’évolution des efforts de coupe 
V.4.1 Cas de l’acier 100Cr6
V.4.2 Cas de l’acier X200Cr12
V.5 Corrélation entre les efforts de coupe et les conditions d’usinage 
V.6 Conclusion 
Conclusion générale
Liste des publications et communications
Bibliographie

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