Corrélation "procédé-intégrité de surface"

Comme nous l’avons défini précédemment, l’intégrité de surface peut être considérée comme une signature résiduelle laissée par un procédé de fabrication sur la surface produite et conditionnant la qualité de la surface obtenue. L’analyse de cette signature résiduelle peut être un outil pertinent pour arriver à comprendre les mécanismes responsables de la génération des propriétés de la surface et des sous-surfaces [BRI 14].

En ingénierie mécanique, le nombre de publications scientifiques relatives à l’usinage est très important. Dans l’objectif de réaliser une transposition au domaine dentaire, l’étude bibliographique de la corrélation "procédé-IS" est restreinte à quelques matériaux et à deux procédés les plus similaires à ceux utilisés en dentisterie restauratrice. En ce qui concerne les matériaux retenus, nous nous concentrons sur les matériaux métalliques couramment usinés en fraisage par coupe (aciers, alliages de titanes, alliages d’aluminium) et les matériaux céramiques (alumines, zircones) proches des matériaux de restauration prothétique. Le premier procédé retenu est le fraisage par coupe avec une fraise à bout hémisphérique. Ce procédé et cette géométrie d’outil sont similaires à ceux utilisés en CFAO dentaire. Le second, le polissage abrasif, est aussi un procédé assez semblable à la CFAO dentaire. Il est riche d’enseignements, de par le phénomène d’enlèvement de matière et les vitesses de coupe qui sont du même ordre de grandeur qu’en CFAO dentaire. En ingénierie mécanique, la signature résiduelle est très souvent abordée par l’observation des composantes d’intégrité de surface des matériaux usinés. La rugosité possède des caractéristiques relatives au procédé d’obtention de la surface. Dans une revue de littérature, Benardos et al. [BEN 03] ont recensés les facteurs affectant la rugosité lors de l’usinage des matériaux métalliques (Fig.I.11). Il en ressort quatre familles de facteurs affectant la rugosité : les caractéristiques de la pièce (dureté du matériau usiné et dimensions), les caractéristiques de l’outil de coupe (géométrie et matériau), les paramètres d’usinage (vitesses d’avance et de coupe, inclinaison d’outil, …) et le phénomène de coupe (efforts, vibration, formation du copeau, …). Parmi les nombreux facteurs recensés par Benardos et al. ceux liés au procédé d’usinage et à l’outil semblent prépondérants.

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Diagramme d’Ishikawa des facteurs affectant la rugosité [BEN 03].

Plusieurs auteurs s’accordent à dire que la rugosité et les contraintes internes obtenues lors du fraisage par coupe de matériaux métalliques avec une fraise à bout hémisphérique sont fortement liées à l’inclinaison de l’outil par rapport à la surface usinée [DAY 09] [ASP 07] [AXI 02] [QUI 08]. L’usinage est dit en bout (l’axe de l’outil est colinéaire à la normale de la surface usinée) lorsque l’outil travaille avec son extrémité où le diamètre effectif de coupe est presque nul, voire nul et en flanc (l’axe de l’outil est perpendiculaire à la normale de la surface usinée) lorsque l’outil travaille avec la zone latérale, où le diamètre effectif de coupe est proche du diamètre nominal. Une topologie de la surface isotrope associée à une rugosité élevée et des contraintes internes résiduelles de compression sont obtenues lors du fraisage en bout. Ces résultats s’expliquent par la vitesse de coupe nulle sur l’axe outil, générant du frottement et un phénomène de labourage au niveau de la zone de coupe. Une rugosité et des contraintes internes de compression plus faibles ainsi qu’une topologie de la surface anisotrope sont observées pour des plus grandes valeurs d’angles d’inclinaison de l’axe de l’outil par rapport à la normale à la surface, offrant des vitesses de coupe plus élevées et moins de frottement.

32 La microstructure des matériaux métalliques est déformée par le fraisage en bout contrairement aux autres inclinaisons testées. Les déformations sont causées par la pression exercée par l’outil de coupe, plus importante en bout [GIN 09] [DAY 09]. Il n’est pas noté de différence appréciable de la micro-dureté surfacique des matériaux métalliques fraisés avec une fraise hémisphérique, quelle que soit l’inclinaison de l’outil par rapport à la normale de la surface [AXI 02] [ASP 07].

Qu’il s’agisse de fraisage par coupe ou d’abrasion, une augmentation de la vitesse d’avance génère une augmentation de la rugosité et diminue les contraintes internes de compression. La relation entre la rugosité et la vitesse d’avance ne semble pas linéaire [QUI 08] [RED 08] [AXI 02] [GOP 03].

La vitesse de coupe impacte aussi significativement la rugosité et la formation des bavures. Qu’il s’agisse du fraisage par coupe de matériaux métalliques ou de l’abrasion, une augmentation de la vitesse de coupe permet de diminuer la rugosité, mais provoque des bavures plus importantes sur les arêtes vives de la pièce [RED 08] [HUA 03] [JAH 11] [AUR 05].

L’abrasion de différents matériaux, montre que la taille des grains de diamant de l’outil et le matériau usiné impactent la rugosité de la surface et la densité de dislocations (microstructure) [WU 01] [GOP 03] [HUA 03]. Plus les grains de diamant sont de petites tailles plus la rugosité est faible.

L’endommagement des sous-couches en abrasion est plus important pour les matériaux ductiles contrairement aux matériaux fragiles [ZHA 03].

En conclusion, l’usinage en bout semble défavorable à l’IS. Une augmentation de la vitesse d’avance accroit la rugosité mais diminue les contraintes internes de compression. L’augmentation de la vitesse de coupe augmente les bavures mais diminue la rugosité. L’augmentation de la taille des grains de diamant abrasifs augmente la rugosité et la densité des dislocations présentes dans la microstructure. En abrasion, la rugosité et l’endommagement des sous-couches sont dépendants du matériau.

Pour toutes les composantes de l’intégrité de surface observées, une influence évidente du Couple Outil-Matière (COM) existe. Le COM est une notion intégrant les paramètres liés à l’outil usinant la pièce, au matériau prothètique employé ainsi que tous les paramètres liés au procédé d’usinage. En effet, en complément de l’outil et du matériau, les paramètres du procédé récurrents et influents sont la vitesse d’avance, la vitesse de coupe et l’inclinaison outil. Concernant le COM dentaire, ces paramètres devront être pris en considération.

33 La maitrise de l’intégrité de surface dentaire passe alors nécessairement par une bonne compréhension du COM retenu.