Comparaison d'un outil revêtu diamant à un outil non-revêtu en coupe

Le but principal de cette première campagne d'essais est de qualier l'apport du

revê-tement diamant lors d'une opération d'usinage simple. L'étude bibliographique réalisée

dans le chapitre précédent dégage clairement 3 apports principaux.

Réduction du collage,

Réduction des eorts de coupe,

Augmentation de la qualité de la surface usinée.

Pour vérier ces points au niveau de la couche diamant testée, nous avons choisi d'usiner

un alliage d'aluminium chargé en silicium (17% en masse), présenté sous la forme d'une

barre circulaire de diamètre 60mm, en coupe orthogonale. Ce matériau s'avère dicile à

usiner car sa base aluminium génère un fort collage et la présence de silicium en forte

quantité est source d'usure par abrasion. Il s'agit d'un matériau utilisé dans l'industrie

aéronautique et automobile, usiné principalement aujourd'hui à l'aide d'outils coupants

PCD, qui ont le principal avantage de ne pas poser de problème d'adhésion. Les eorts de

coupe rencontrés lors de l'usinage de ce type de matériaux sont généralement peu élevés

en comparaison avec des matériaux plus durs tels que l'acier.

Nous avons utilisé la géométrie de plaquette référencée TCMW T16 03 08 par Sandvik

illustrée sur la gure 2.7, dans une nuance de carbure H13A. Cette géométrie très simple,

sans prol brise copeau et avec un angle de coupe nul, nous permet de nous placer dans

les conditions de la coupe orthogonale. Une série d'échantillons a été revêtue d'une couche

de diamant cristallin d'épaisseur 6 µm pour ces essais.

L'usinage choisi ici est un chariotage d'une longueur de 30 mm, à une vitesse d'avance

de 0.3 mm/tr, une vitesse de coupe de 750 m/min, et une profondeur de passe de 2.5mm

(5mm au diamètre). Le choix des conditions de coupe à été imposé par les capacités

maximales du tour utilisé et du diamètre de matière disponible. Les conditions de coupe

résultantes de ce choix ne sont pas des conditions de coupe réellement industrielles (les

vitesses de coupe industrielles dans l'aluminium atteignent les 2000m/min en tournage),

d'où une amplication excessive du collage comme nous allons l'observer dans la suite. Ces

Fig. 2.6: Plaquette Sandvik TCMW T16 03 08 utilisée pour les essais de tournage de

l'aluminium avec : l=16mm, d

₁

=4.4mm, r

_²

=0.8

essais ont été réalisés an de faire un comparatif qualitatif entre ces deux types d'outils

(revêtu / Non revêtu).

Après l'usinage, le collage sur les 2 arêtes peut être comparé sur les photos de la gure 2.7.

On peut constater très clairement l'apport du revêtement diamant en ce qui concerne la

réduction de ce phénomène de collage. La couche déposée modie la tribologie au niveau

du contact, donc le coecient de frottement à l'interface, et par voie de conséquence réduit

la température en bout d'outil. Nous n'avons pas pu quantier cette baisse de température

par manque de moyen de mesure.

Fig. 2.7: comparaison des plaquettes H13A (a) nue et (b) revêtue diamant après l'usinage

d'un alliage aluminium-silicium dans les mêmes conditions

Lors de cette campagne, nous avons mesuré les eorts de coupe, an d'observer leur

évolution avec la dégradation de l'outil, et observer le collage de l'aluminium sur la surface

de l'outil.

La norme de l'eort de coupe mesuré lors de l'un des essais réalisés est donnée sur la gure

2.8. Cette gure est représentative de l'ensemble des diérents essais qui ont été menés

lors de cette campagne, qui a donné des résultats très reproductibles. Sur cette gure, on

peut constater que :

Les eorts de coupe peuvent être qualiés de faibles, de l'ordre de 500 N, comme on

pouvait s'y attendre.

Fig. 2.8: Norme de l'eort de coupe en fonction du temps

L'eort de coupe moyen est plus faible dans le cadre de l'outil revêtu diamant. La baisse

de l'eort de coupe (entre 10 et 15% de gain avec le revêtement) est due à la limitation

du collage sur l'outil. Une observation des signaux permet de montrer que l'eort le

plus important se trouve dans la direction de coupe, tangentielle à la surface de la pièce

usinée. Les autres composantes sont négligeables (moins de 100 N). Toutes choses étant

égales, on pourrait penser que la température à l'interface est réduite par les bonnes

propriétés de conduction thermique du revêtement diamant. Or il a été montré dans la

littérature [Rech 2004] que dans le cadre de la coupe continue et en régime stabilisé, la

présence d'une couche diamant ne modie en rien les propriétés de conduction de l'outil.

Cela démontre bien que le phénomène de collage est ici directement relié à une nette

amélioration du coecient de frottement entre l'outil et la pièce grâce à la présence de

la couche.

L'arrête rapportée, bien que présente sur les deux types d'outil (revêtu / non-revêtu),

est moindre sur les outils revêtus diamant. Ceci explique l'évolution plus brutale des

eorts de coupe générés par la plaquette non-revêtue.

On peut constater très nettement que le revêtement diamant apporte une amélioration

en matière d'eort de coupe (en termes de valeur mais aussi de stabilité dans le temps),

d'usure et de collage. C'est un net progrès en termes de durée de vie, comme nous

pou-vions nous y attendre via la bibliographie. Ici, l'usure par collage est prépondérante, et

aucun écaillage n'est observé. L'absence de l'écaillage tant décrié dans la littérature peut

s'expliquer par les raisons suivantes :

La longueur usinée très réduite, mais aussi les conditions de coupe mal adaptées qui

réduisent considérablement les eorts. En eet, les eorts de coupe sont ici de faible

amplitude (500N). Le revêtement diamant supporte bien ce type de chargement et

répond par une usure par abrasion très réduite.

est évidement très diérent en fraisage, avec de très nombreux chocs à chaque entrée

de la dent dans la matière.

Le fort collage de l'aluminium sur l'arête agit comme une protection de la couche et en

limite son usure. Cependant, il dégrade la qualité de la coupe, augmente les eorts et

réduit la qualité de l'état de surface nal de la pièce.

A travers ces essais simples, il a été mis en évidence les avantages du revêtement diamant,

tant sur les eorts de coupe, que sur la température en bout d'outil ainsi que sur la durée

de vie de celui-ci. Ces essais ne mettent pas en évidence les diérents stades d'usures

habituellement observés au travers de la littérature, dont principalement l'écaillage de la

couche. Nous avons alors déni une autre série d'essais an de montrer les diérents stades

d'endommagement de l'outil revêtu en fonction de la vitesse de coupe utilisée. Cette série

d'essais, réalisée dans un alliage de titane est décrite dans la suite de ce chapitre.

Dans le document Etude expérimentale et numérique de l'adhérence d'un dépôt diamant CVD sur un substrat carbure de tungstène : application à l'usinage (Page 63-66)