Dans l’industrie aérospatiale, une importance particulière est toujours donnée à la performance en service et à la fiabilité des pièces. Pour satisfaire ce besoin, nous nous sommes intéressés au comportement des matériaux et leurs procédés de fabrication. L’amélioration de la durée de vie en service et la performance des pièces usinées exige une maitrise ainsi qu’un contrôle des facteurs et des conditions de fonctionnement et de fabrication. Dans ce cadre, notre étude a pour objectif d’investiguer les interactions outil/matière et leurs effets sur l’intégrité de surface lors de l’usinage conventionnel des alliages d’aluminium à haut pourcentage de silicium, utilisés dans la fabrication des pièces de précision en industrie aérospatiale. Le matériau d’étude est un alliage d’aluminium silicium MS43 et un alliage 6061-T6 pour la comparaison des résultats. L’alliage MS43 a été produit par le refroidissement ultra rapide (54±4 HRB). Ce matériau a été choisi dans le but d’améliorer le coefficient de dilatation thermique pour le diplexeur du radar de satellites. Le but alors est d’étudier l’usinabilité et d’optimiser les paramètres de coupe afin d’avoir une meilleure qualité de surface et garantir la fonctionnalité du produit. Pour ce faire, des éprouvettes ont été usinées en contournage sous différentes conditions de coupe (vitesse de coupe et avance par dent) et pour différents diamètres d’outils (entre 1.194 mm et 6.350 mm) dans le but de développer une approche globale pour prédire le comportement et faire des recommandations. Un modèle expérimental de prédiction pour la rugosité de surface et de recommandation des paramètres de coupes optimaux a été suggéré. L’optimisation des paramètres de coupe proposée permet de garantir une meilleure qualité de surface, une meilleure durée de vie de l’outil, un minimum de défauts microstructuraux et, par la suite, une meilleure performance en service du produit.

Trois étapes ont été élaborées dans cette approche. Premièrement, nous avons établi un plan d’expérience factoriel complet (un facteur à la fois), et les conditions de coupe ont été choisies tout en respectant le plan factoriel à deux facteurs (vitesse de coupe et avance par dent) et cinq niveaux pour cinq différents diamètres d’outil. Les effets des facteurs technologiques (la vitesse de coupe et l’avance par dent), et physiques (efforts de coupe et vibration) sur les caractéristiques de l’intégrité de surfaces et la microstructure ont été explorés.

Dans le cas de l’usinage de l’alliage aluminium silicium, les résultats ont montré que la rugosité de surface augmente avec l’augmentation de la vitesse d’avance et la vitesse de coupe, qui sont les paramètres les plus significatifs sur la rugosité. La formation des ondulations s’est intensifiée pour les vitesses de coupe élevées. Cependant, l’augmentation de l’avance par dent à augmenter la rugosité, mais d’une contribution moins faible que la vitesse de coupe. D’autre part, des contraintes à tendances compressives dans le sens de déplacement de l’outil et des contraintes de traction perpendiculairement au sens de déplacement de l’outil et sur le plan de coupe ont été perçues en surface. En augmentant la vitesse de coupe, il y a un point des paramètres de coupe au-delà duquel, les efforts de coupe augmentent énormément. L’étude a montré, également, qu’avec un choix judicieux de la vitesse de coupe et d’avance, il est possible de générer un état de fonctionnement de l’outil favorable avec des efforts de coupe stables et modérés. Dans cette étape, des corrélations ont été établies entre l’état de surface, les efforts de coupe, la vibration et les paramètres de coupe.

L’étude expérimentale et l’analyse ont été appliquées sur la vibration des échantillons au cours de l’usinage desquels les comportements des amplitudes ont été étudiés. On a constaté que la vitesse de coupe influe considérablement sur la vibration et que cette influence produit un mauvais fini de surface c’est-à-dire l’augmentation de la vitesse de coupe provoque la vibration de l’outil et donc une diminution de la qualité de surface. Dans cette première partie, l’outil T3 de diamètre 3.175 mm a été utilisé et nous avons révélé que le matériau et la vitesse de coupe étaient les facteurs les plus significatifs suite à une analyse globale des effets et interactions des contraintes. L’alliage MS43 a présenté une mauvaise performance avec des valeurs des paramètres de coupes les plus élevées, suivi par l’Al6061-T6. Le compromis entre tous les résultats de cette partie nous a permis de sélectionner les paramètres de coupes optimaux qui maximisent l’usinabilité de l’alliage MS43. Par conséquent, la deuxième étape de cette étude a porté sur le développement d’un modèle expérimental de prédiction de l’intégrité de surface et une recommandation des paramètres de coupe qui favorisent l’usinabilité de l’alliage MS43 pour différents diamètres d’outil, en se basant sur une analyse statistique qui tient compte des efforts de coupes, de la vibration de la pièce, des défauts de la microstructure et des faces fonctionnelles de l’outil de coupe.

Problèmes rencontrés pendant l’usinage des alliages d’aluminium en aéronautique 

Les pièces à usiner en aéronautique et en aérospatiale sont caractérisées par la complexité de formes, de précision et de qualité. Le volume de métal à enlever lors de l’usinage de ces pièces est généralement élevé, ce qui augmente le coût et le temps d’usinage. La plupart des sociétés d’usinage aéronautique ont intégré l’usinage à grande vitesse pour être plus efficaces et concurrentielles. L’optimisation des paramètres de coupes augmente le taux d’enlèvement de métal (Rao et Shin, 2001). Cependant, cela entraine le problème de gestion du copeau, de l’intégrité de la surface (propriétés mécaniques) et de la qualité du fini de surface des pièces usinées (Pawade, Joshi et Brahmankar, 2008).

Problème de formation des copeaux

L’une des difficultés rencontrées pendant l’usinage des alliages d’aluminium (matériaux ductiles) est leur tendance à former des copeaux longs pendant l’usinage. Deux principaux problèmes sont rencontrés :
• La Built-Up Layer (BUL), qui est une partie du matériel enlevé qui colle à la face de dégagement de l’outil, sous l’effet de la haute pression et de la température pendant le contact outil -matière.
• La Built-Up Edge (BUE), qui est une partie du matériel enlevé qui colle à la fine pointe de l’outil dans des conditions spécifiques de coupe.

Pour surmonter ces difficultés, de nombreuses recherches ont été effectuées afin d’optimiser l’usinage de ces alliages. Les outils en carbure cémenté sont souvent utilisés dans l’usinage d’alliages d’aluminium. Cependant, ce type d’outil favorise la formation de la BUL sur la face de l’outil de coupe (Gangopadhyay et al., 2010). D’autre part, la BUL pourrait être minimisée d’une manière significative en utilisant les outils en diamant Chemical Vapour Deposition (CVD) et Polycrystalline Diamond (PCD), même à une faible vitesse de coupe (autour de 200 m/min) (Carrilero et al., 2002). La morphologie et les mécanismes conduisant à la formation de BUE et BUL lors de l’usinage ont fait l’objet de plusieurs travaux de recherche. La morphologie du copeau a été étudiée dans le travail de Rao et Shin (2001) au cours du fraisage à grande vitesse de l’alliage 7075-T6. Dans leur étude, ils n’ont pas observé de variation significative de la morphologie du copeau avec des changements de la vitesse et de la profondeur de coupe utilisée. Cependant, la morphologie du copeau est plus sensible à la variation de l’alimentation.

La formation des copeaux segmentés a été étudiée au cours de l’usinage à grande vitesse de l’alliage Al-7075-T651 (Campbell et al., 2006). Les auteurs ont utilisé la métallographie optique avec contraste d’interférence différentiel le (DIC) pour identifier la région de la bande de cisaillement. Ils ont constaté en plus que, pour l’angle de coupe nulle, la distance entre les bandes de cisaillement n’est pas modifiée de manière significative avec la variation de la vitesse de coupe. Cependant, la largeur de la bande de cisaillement augmente avec la vitesse de coupe. Enfin, Campbell et al. (2006) ont démontré que la recristallisation dynamique se produit dans les bandes de cisaillement des copeaux. Mustafa et Tanju (2011) ont étudié l’usinabilité de l’Al 7075 en utilisant un outil de coupe en diamant. Les auteurs ont constaté que les paramètres qui agissent sur les forces de coupe sont la profondeur de coupe, la vitesse d’avance et la vitesse de rotation. Les forces de coupe (effet mécanique) et la production de chaleur (effet thermique) n’affectent pas seulement la formation des copeaux, mais influent également sur l’intégrité de surface, en particulier l’état des contraintes résiduelles dans la pièce à usiner en aluminium.

Problème d’intégrité de la surface 

La durée de vie des pièces en service est sensible à l’intégrité de la surface après usinage. Plus précisément, la résistance à la fatigue des alliages d’aluminium est sensible à la rugosité de surface et à la contrainte résiduelle telle qu’observée dans les travaux de recherche effectués par Suraratchai et al. (2008) et Chaussumier et al. (2013). Ainsi, il est intéressant de comprendre comment les caractéristiques d’intégrité de surface, en particulier, la finition de surface et les contraintes résiduelles ont été touchées lors de l’usinage d’alliages d’aluminium.

Problème du fini de surface

La finition de surface qui comprend la topographie et les défauts de la surface usinée a été étudiée dans plusieurs études. Les paramètres de rugosité de surface sont de bons indicateurs de la qualité de la surface usinée. Les travaux de Ammula et Guo (2005) ont montré que la vitesse d’avance a un effet majeur sur la rugosité de surface par rapport à la vitesse de coupe et la profondeur de passe sur l’alliage 6061-T651. Les tendances de rugosité de surface étaient souvent associées à la formation de la BUE. Gómez-Parra et al. (2013) ont montré que l’augmentation de BUE provoque une diminution de la rugosité Ra. En effet, la présence de la BUE augmente le rayon du bec d’outil, et par conséquent, améliore la rugosité de surface. Cependant, Iwata et Ueda (1980) ont déclaré que la BUE laisse des fissures sur la surface usinée. Donc elle augmente la rugosité de surface et détériore la résistance de la pièce. Li et al. (2012) ont étudié l’effet de la haute vitesse de coupe sur l’intégrité de la surface d’alliage d’aluminium 7075. Leurs résultats ont montré un effet positif pour une vitesse de coupe élevée.