Généralités sur l’usinage de l’alliage d’aluminium 2024-T351

Ce chapitre a pour objectifs de définir le cadre théorique de l’étude et de synthétiser les divers travaux qui ont été menés sur l’étude de l’intégrité de surface, en particulier pour les surfaces usinées en alliages d’aluminium. Il vise à identifier les principales caractéristiques d’intégrité de surface et leur rôle dans la tenue en fatigue, à recenser leurs moyens de caractérisation et à investiguer l’impact du procédé d’usinage sur celles-ci. La thèse étant focalisée sur l’étude du perçage de l’alliage d’aluminium 2024-T351, une première partie de ce chapitre est consacrée à la présentation de ce matériau et une seconde à la présentation des procédés de perçage étudiés. Les divers moyens permettant d’évaluer la qualité des trous percés de manière expérimentale pendant et après l’usinage et de manière numérique à l’aide de modèles éléments finis sont ensuite synthétisés dans une troisième partie. Enfin, les liens entre procédé de perçage, intégrité de surface et tenue en fatigue sont investigués dans une dernière partie.

L’alliage d’aluminium 2024-T351

L’alliage d’aluminium 2024 est l’un des alliages les plus couramment utilisés dans l’industrie aéronautique. C’est un alliage à durcissement structural, c’est-à-dire que ses propriétés mécaniques lui sont conférées par l’application d’un traitement thermique après sa mise forme. Ce traitement thermique induit une précipitation contrôlée de certaines phases à l’intérieur de la matrice d’aluminium et donc une augmentation des propriétés mécaniques de l’alliage.Propriétés La composition chimique de l’alliage 2024 selon la norme [NF EN 573-3, 2019] est présentée dans le Tableau 1-1. Cet alliage a pour élément d’alliage principal le cuivre. L’addition de cet élément accroît les caractéristiques mécaniques de l’aluminium (avec un plafonnement vers 6%) grâce à la phase durcissante CuAl2 qui précipite lors du durcissement structural.

La structure anisotrope d’une tôle en AA2024-T351 lui confère des propriétés mécaniques également anisotropes. En effet, les pièces extraites d’une telle tôle présentent de meilleures propriétés mécaniques lorsqu’elles sont sollicitées dans le sens long que lorsqu’elles sont sollicitées dans le sens travers court ou long. C’est pourquoi, certains auteurs, comme Pauze (Pauze, 2008), donnent des propriétés mécaniques différentes de l’AA2024-T351 en fonction de la direction de sollicitation. Dans l’industrie aéronautique, afin d’avoir des structures les plus résistantes possibles, les pièces fabriquées à partir de tôles d’aluminium laminées sont toujours extraites de sorte à ce que la direction du laminage corresponde à la direction principale de sollicitation de la pièce une fois en service.

Usinabilité de l’AA2024-T351

L’usinabilité d’un matériau caractérise sa capacité à être mis en forme par enlèvement de matière. Elle peut être évaluée à travers plusieurs critères : la durée de vie de l’outil ou son usure, la forme du copeau, le taux d’enlèvement de matière, les efforts de coupe et la puissance consommée, la qualité de la surface usinée. Plusieurs travaux traitent de l’usinabilité des alliages d’aluminium en rapport avec ces critères (Carrilero and Marcos 1996; Jawahir and Balaji 2003; Songmene et al. 2011; Santos et al. 2016). Différents matériaux sont utilisés pour la fabrication des outils coupants pour l’usinage des alliages d’aluminium : aciers rapides, carbure de tungstène, diamant polycristallin, etc… Dans l’industrie aéronautique, le matériau le plus répandu des outils de perçage de l’AA2024-T351 est le carbure tungstène. Ce matériau permet un bon compromis entre l’état de surface obtenu, la résistance à l’usure de l’outil et le coût de celui-ci. Lors de l’usinage des alliages d’aluminium, et en particulier lors de l’usinage à sec, différents mécanismes d’endommagement de l’outil coupant peuvent avoir lieu : usure par adhésion, usure par abrasion, usure par diffusion, déformations plastiques sévères. La prédominance d’un ou des mécanismes d’usure dépend à la fois des propriétés physico-chimiques des matériaux de l’outil et de la pièce usinée, du type d’opération d’usinage, et des conditions de coupe. Au cours de l’usinage de l’AA2024-T351, les mécanismes d’endommagement prédominants sont l’usure par adhésion et l’usure par diffusion (G. List et al., 2005).