USINABILITE DES ACIERS ET IMPACT DU MATERIAU A OUTIL SUR LES PARAMETRES TECHNOLOGIQUES

Usure de l’outil

Durant l’usinage, l’outil de coupe subit des contraintes mécaniques et thermiques importantes suite aux contacts agressifs entre la pièce, l’outil et le copeau. Les frottements au niveau de ces contacts ne sont pas équivalents. La concentration de ces contraintes provoque de dégradation des surfaces de la partie active de l’outil par usure. Des phénomènes mécaniques et physico-chimiques définissent les mécanismes de l’usure de l’outil de coupe (Fig. 7). Figure 7 : Modes d’usure prédominants selon la température

Phénomènes d’usure

Phénomènes mécaniques * Abrasion

Si la matière usinée comporte des particules dures (carbures, nitrures, oxydes..), alors, durant le frottement avec l’outil en usinage à des pressions importantes, ceci favorise l’usure abrasive. Chapitre I Synthèse Bibliographique : Usinage des matériaux 9 * Adhésion : Aux fortes pressions entre l’outil et la surface usinée et suite aux états de surface, des micro-soudures se créent au cours de l’usinage, ce qui conduit à l’apparition de l’arête rapportée. * Fissure : durant l’usinage, La combinaison des hautes températures à l’interface outil / copeau et des vibrations de l’outil engendrées par la déformation plastique peut provoquer des fissures au sein de l’outil. * Déformation plastique : l’arête de l’outil se déforme plastiquement sous l’effet de la pression à haute température.

Phénomènes physico-chimiques * Oxydation 

l’élévation de la température de l’outil durant l’usinage lubrifié, causera la vaporisation de l’eau dans les fluides. Cette vaporisation de l’eau avec l’oxygène de l’air provoque une fragilisation de l’outil par oxydation. * Diffusion chimique : la température élevée et la pression d’usinage constituent l’énergie suffisante pour que des atomes de copeau puissent migrer vers l’outil ou vise versa.

Modes d’usure

Au cours de l’usinage, la géométrie de l’outil de coupe se dégrade. Ce qui impacte l’état de surface de la pièce. Alors, la connaissance de niveau d’usure est importante afin de prévoir le changement de l’outil. Selon les faciès, trois types d’usure sont observés : • Usure en dépouille ( ): c’est l’usure plane sur la face de contact pièceoutil (face de dépouille principale) qui forme une bande de stries parallèle à l’arête de coupe. La hauteur moyenne est couramment désignée par le symbole . Quand  croît, l’arête de coupe recule et les cotes de la pièce s’écartent de la valeur visée (Fig. 8). Pour les petites profondeurs de passe, les recherches ont trouvé que l’usure est localisée dans la zone de rayon de l’outil. L’usure en dépouille, dans la zone B, dépond essentiellement de la dureté de la pièce et celle de l’outil. Plus l’outil est dur par rapport à la pièce, plus l’usure est faible [27]. L’augmentation des paramètres de coupe: vitesse de coupe, avance et temps d’usinage conduit à l’accroissement de l’usure. • Usure en entaille (  ): Suite à des particules métalliques qui sont dues soit à la calamine ou à l’oxydation, à la fin de la zone de contact entre la pièce et l’outil, on observe une usure combinée de faciès dépouille et faciès coupe qu’on appelle « usure en entaille VBN. La recherche montre que les paramètres principaux influant cette usure sont la profondeur de passe et l’angle de coupe principale  [34]. L’usinage dur provoque aussi la formation de (  ) [35]. Chapitre I Synthèse Bibliographique : Usinage des matériaux 10 • Usure en cratère! ») : le glissement (frottement sévère) du copeau sur la surface de coupe conduit à l’usure en cratère de cette dernière [36], [37] (Fig.8). Elle apparaît sous la forme d’une cuvette, ayant une profondeur maximale) et elle est exprimée par l’équation (2). KT  0,06 ‘ 0,3) (2) Les facteurs affectant cette usure sont : o La dureté du matériau de la pièce usinée [38], plus le matériau est dur plus  est grande. o Les paramètres de coupe : L’augmentation de la vitesse de coupe et du temps d’usinage accélère l’usure en cratère [39-43]. o Dureté d’outil de coupe : Plus le matériau de l’outil est dur, plus l’usure en cratère est faible [44]. I.5 Usinage avec des outils en céramique La plus courante application des outils en céramique c’est le tournage dur ou à grande vitesse, mais on peut les trouvés aussi en fraisage. Ils sont caractérisés par des productivités élevées. Cependant durant leur exploitation, ils nécessitent certaines précautions. Ils ont des excellentes résistances à l’usure et à la chaleur pour des vitesses de coupe élevées. Ces outils de coupe sont recommandés pour l’usinage dur.  Le tableau 1 présente les types des outils en céramique pour l’usinage dur. Tableau 1 : Types d’outils en céramique [44] Type d’outil en céramique Caractéristiques Recommandation Ex. Symbole Nuances Sialon (SiAlON) Stabilité chimique importante Usinage des superalliages réfractaires. CC6060 CC6065 Céramique whiskers Ténacité renforcée et possibilité de l’arrosage en application Usinage des alliages à base nickel. CC670 Céramiques Mixtes (TiC, Ti(C,N)) Bonne ténacité et bonne conductivité thermique Usinage dur. CC6050 CC650 Céramiques nitrure de silicium (Si3N4) Ténacité élevée mais manque stabilité chimique. Usinage fonte grise CC6190 CC6090 Céramique à base d’oxyde Stabilité chimique mais manque résistance au choc thermique. Fonte grise à sec à conditions stables. CC620 I.6 Modélisation de la coupe La modélisation de la coupe est un procédé pour quantifier les changements thermomécaniques dans les différentes zones de déformations durant l’usinage. L’objectif est de définir les sollicitations thermiques et mécaniques au niveau de l’outil et de la pièce usinée à partir des paramètres locaux de la température, des efforts et du champ de déformation. La première modélisation analytique de la coupe permettant de prévoir les efforts de coupe et la formation de copeau ainsi que sa géométrie, est celle de M.E. Merchant [45]. Ce modèle donne des résultats convenables en coupe orthogonale pour les opérations d’ébauche (hypothèse de déformation plane) et pour un copeau continu. En 1965, G. Boothroyd s’est intéressé au champ thermique de la coupe [46]. En 1989, P.L.B. Oxley [47] regroupe les deux aspects dans un nouveau modèle analytique. Ensuite, ce modèle a été développé par d’autres recherches mais qui restent toujours à l’hypothèse des copeaux continus. Les modèles analytiques prévoient uniquement des résultats relativement globaux comme l’effort de coupe, la géométrie ou la température moyenne du copeau et de la pièce, ce qui fait la distinction des modèles numériques qui permettent de prédire des phénomènes locaux comme le champ de température, l’amplitude et la vitesse de déformation, le champ des contraintes résiduelles après usinage, … Le modèle le plus développé est celui des éléments finis. 

Modélisation par éléments finis

Le développement des calculateurs ont permis d’enrichir la modélisation numérique, bidimensionnelle et tridimensionnelle. La modélisation 2D restera la plus confrontée en simulation suite à la validation des résultats par ceux des essais expérimentaux réalisés en coupe orthogonale. Des nombreux paramètres doivent être définis afin de mettre en place la méthode des éléments finis.

Paramètres de la méthode des éléments finis

• Paramètres réels : On modélise la géométrie de la pièce et de l’outil par des valeurs proches de la réalité. Cependant, par nécessité de limiter le nombre d’éléments, on ne modélise qu’une partie de la pièce. Le choix des conditions aux limites est une phase cruciale de la modélisation. Les conditions cinématiques (vitesse de coupe, déplacements …) ne posent pas de problème particulier. La température est imposée constante en traduisant que la pièce réelle ne chauffe pas à cœur pendant l’usinage. Le frottement outil/copeau et pièce est modélisé par loi de Coulomb. La transmission de chaleur entre l’outil et la pièce et la répartition de la chaleur générée par le frottement sont prises de façon arbitraire. • Paramètres de calcul : Le choix du type et de la taille des éléments est primordial pour le calcul par éléments finis. Le type est choisi en fonction de l’analyse, alors que la taille est petite pour prendre compte des très forts gradients mais pas trop petite pour ne pas allonger considérablement les temps de calculs. On sélectionne le type de résolution et le type de modélisation aussi. 

Type de résolution

Il existe deux types de résolution des équations d’équilibre thermomécanique. La MEF consiste à discrétiser par éléments finis l’espace-temps. Lors de la résolution, si les positions des nœuds des éléments du maillage à l’instant t + ∆t sont exprimées en fonction de leurs positions, vitesses et accélérations précédentes (t), la résolution est dite Implicite. En revanche, si les positions à l’instant t + ∆t sont exprimées en fonction de leurs positions, vitesses et accélérations précédentes (t) et de leurs valeurs accentuelles (t + ∆t) alors la résolution est dite Explicite [48]. La résolution Implicite est appropriée généralement à des phénomènes statiques ou faiblement dynamiques afin de limiter l’évolution entre le nœud à l’instant (t) et (t+∆t). Par contre, la résolution Explicite tient compte des phénomènes dynamiques suite à la convergence rapide de ∆t à zéro. La coupe fait partie des phénomènes dynamiques. I.6.2 Types de modélisation La coupe peut être modélisée par des formulations : Eulérienne, Lagrangienne ou AEL (Arbitray Lagrangian Eulerian). • Modélisations Eulériennes : Pour cette modélisation, le maillage de la pièce et l’outil est fixe et la matière s’écoule dans le maillage à la vitesse imposée  aux limites (entrée et sortie) [49]. Cette simulation permet de prévoir les champs de contrainte, de déformation, de vitesse de déformation et de température dans la pièce durant un régime de coupe stationnaire avec copeau continu, ce qui fait limiter le domaine d’utilisation de ce modèle. • Modélisations Lagrangiennes : Ce modèle permet de simuler des régimes in-stationnaires sans définition préalable de la géométrie de copeau. Les maillages sont fixes par rapport à la matière [50]. L’avantage de ces modèles est la prévoyance des champs mécaniques et thermiques dans la pièce et l’outil mais l’inconvénient c’est que le maillage reste fixe par rapport à la matière. • Modélisations ALE : La méthode ALE est un compromis des deux premières méthodes en combinant leurs avantages dans la même modélisation. Le maillage suit globalement la déformation de la matière mais les nœuds ne sont pas liés à la matière ce qui permet de limiter la distorsion des mailles. Beaucoup de chercheurs ont utilisé la modélisation ALE pour résoudre les problèmes de réactualisation des surfaces libres et de contacts associés aux modèles Eulériens

Critère de séparation

Afin de résoudre le problème de simulation pour les déformations importantes une implantation d’un critère de séparation de nœuds permet de ‘déboutonner’ le copeau de la pièce suivant une ligne prédéfinie. Le principe du déboutonnage impose une ligne de séparation du copeau par rapport à la pièce. Ce critère est basé sur la valeur limite de déformation plastique du matériau et / ou sur un critère géométrique. Mais, malgré cette séparation, cela n’évite pas la distorsion du maillage ce qui recommande un éventuel remaillage. I.7 Etat de surface Les irrégularités des surfaces dues aux procédés d’élaboration d’une pièce sont appelées état de surface. Le principe est de définir un profil de surface en mesures par des instruments à palpeur (profilomètres). Le profil varie essentiellement selon la méthode d’usinage, les conditions de coupe, la matière à usiner et la stabilité de l’ensemble de l’opération. Les critères qui peuvent définir la structure de surface sont [54] : • La rugosité R: exprime les plus petites irrégularités, c’est à dire le fin réseau d’écarts micro géométriques mesurés sur la plus petite longueur d’échantillonnage. • L’ondulation W : est constituée d’irrégularités de plus grandes dimensions au niveau suivant de la longueur d’évaluation sur la surface de la pièce. • La direction des traces d’usinage L : définit l’orientation du profil superficiel. Elle indique la direction dominante générée par la méthode d’usinage.