Influence du procédé de perçage sur l’intégrité de surface et la tenue en fatigue de pièces percées en AA2024-T351

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). 

 Durée de vie de l’outil 

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). Le premier phénomène se produit sous l’effet de la pression. Des soudures se créent entre l’outil et le copeau par écrasement des aspérités ou par des phénomènes d’adsorption et de solubilité lorsqu’il existe une affinité chimique entre les atomes des matériaux de l’outil et de la pièce. Lorsque ces soudures se rompent, des fragments de matière provenant du copeau restent accrochés sur l’outil. Dans certains cas d’usinage de l’AA2024-T351, ces éléments de copeau restant collés au niveau de la pointe de l’outil peuvent s’accumuler de manière importante et former une arête rapportée (Built-Up Edge, BUE) (Figure 1-3). Celle-ci peut devenir instable en grossissant et se briser, ce qui induit une modification des conditions de coupe et une détérioration de l’intégrité de surface. Le phénomène d’adhésion a lieu principalement lors de la coupe avec des outils en carbure de tungstène ou en aciers rapides pour le domaine des faibles vitesses de coupe et des faibles avances (List, 2004) soit pour les conditions de coupe généralement considérées pour le perçage conventionnel de AA2024-T351. Afin de limiter ce phénomène d’usure, un revêtement de surface adapté peut être appliqué sur l’outil de coupe ou une lubrification peut être mise en place. Dans l’industrie aéronautique, une micro-lubrification (MQL : Minimal Quantity Lubrification), qui consiste à appliquer une quantité minimale de fluide de coupe par jet d’air, est ainsi généralement employée pour le perçage de l’AA2024-T351. Ce type de lubrification Chapitre 1. Etat de l’art 10 présente des avantages économique et écologique notables par rapport à la lubrification classique (arrosage) tout en permettant d’obtenir de très bons résultats en termes de qualité de surface. Figure 1-3 : Observation MEB de l’arrête rapportée formée à l’issue d’une opération de coupe orthogonale de l’AA2024-T351 avec un outil coupant en carbure de tungstène (List, 2004) Le phénomène de diffusion est dû aux températures et pressions élevées qui fournissent assez d’énergie aux atomes pour qu’ils migrent de l’outil vers le copeau ou inversement. Pour le cas de l’usinage de l’AA2024-T351 avec un outil en carbure, les atomes d’aluminium peuvent migrer dans l’outil à travers le liant cobalt et forment des composés intermétalliques AlxCox (List, 2004). Cela fragilise la cohésion entre les grains de carbure et le liant de cobalt et contribue à la fragilisation de l’outil. Le phénomène de diffusion a lieu majoritairement au cours de l’usinage à grande vitesse de coupe et la température est le facteur principal contrôlant le taux de diffusion (Nouari, 2000). Ainsi, il est important de limiter les niveaux de températures atteints au cours de l’usinage de l’AA2024-T351. L’utilisation d’une lubrification sous forme de MQL, qui contribue à réduire l’échauffement à l’interface outil/pièce, permet donc de limiter également le phénomène d’usure de l’outil par diffusion dans les cas où un usinage de l’AA2024-T351 à grande vitesse est mis en place. Ainsi, dans certaines conditions particulières de coupe de l’AA2024-T351, l’endommagement de l’outil de coupe peut être un problème majeur induisant une détérioration de la pièce usinée, la ruine de l’outil et donc des coûts importants associés. Cependant, pour la majorité des applications industrielles aéronautiques, le perçage de l’AA2024-T351 est un procédé maitrisé qui, grâce à l’utilisation de conditions de lubrification et de matériau d’outil, et parfois de revêtement, adaptés, n’entraîne pas d’endommagement majeur de l’outil.

 Forme du copeau 

La grande ductilité des alliages d’aluminium a tendance à conduire à la formation de copeaux continus. Ceux-ci ne sont pas souhaitables pour les opérations de perçage dans le cas d’applications industrielles car ils peuvent engendrer plusieurs problèmes affectant le bon déroulement de la coupe. En effet, les copeaux continus se fragmentent difficilement et ont tendance à former des copeaux longs difficilement évacuables vers l’extérieur de la pièce. Ils peuvent conduire à des problèmes de bourrages induisant des arrêts de production et à une altération de l’intégrité de la surface de trou à travers le frottement du copeau sur celle-ci. De plus, contrairement aux copeaux segmentés ou fragmentés, les copeaux continus favorisent la formation d’une arête rapportée lorsque qu’une zone de stagnation de la matière se crée au niveau de la pointe de l’outil. Comme évoqué précédemment, cette forme d’usure de l’outil peut aussi altérer l’intégrité de surface. Les vitesses de coupe et d’avance jouent un rôle majeur dans la morphologie des copeaux (Figure 1-4) (Rubio et al. 2006; Wagner et al. 2012). Avec les avances relativement faibles habituellement employées en perçage conventionnel des alliages d’aluminium, les copeaux obtenus ont tendance à être continus quelle que soit la vitesse de coupe. En revanche, pour certains cas d’application où des avances plus importantes sont considérées, la morphologie du copeau dépend également de la vitesse de coupe. L’augmentation de l’avance et de la vitesse de coupe peut permettre l’obtention de copeaux segmentés  ou fragmentés. Par ailleurs, la géométrie de l’outil a aussi un impact sur la nature des copeaux. La mise en place d’un brise-copeaux sur l’outil est très efficace pour l’obtention de copeaux non continus (Carrilero & Marcos, 1996). Ainsi, les configurations conventionnelles de perçage l’AA2024-T351 ont tendance à générer une forme de copeau continue qui n’est pas optimale pour la productivité. Toutefois, l’utilisation d’une lubrification participe à améliorer l’évacuation des copeaux vers l’extérieur de la pièce et donc la productivité. L’emploi d’une lubrification peut également avoir une influence sur la morphologie des copeaux obtenus mais elle semble secondaire par rapport à celle des conditions de coupe (Kishawy et al., 2005; Wagner et al., 2012) (Figure 1-4).