Chapitre 2: Étude expérimentale de l’usinage du Ti-6Al-4V 2.2 Démarche expérimentale : méthodologie Couple Outil Matière Afin de caractériser le procédé d’usinage de l’alliage Ti6-Al-4V la méthodologie normalisée Couple Outil-Matière (COM) est utilisée. Cette étude permet de définir les plages de fonctionnement des paramètres de coupe : la vitesse de coupe Vc , et la vitesse d’avance f . A l’issue de l’étude, doivent être identifiées les valeurs maximale et minimale des vitesses de coupe et d’avance permettant de ne pas avoir une usure prématurée des outils, un mauvais état de surface, etc. Deux paramètres peuvent être observés à l’issue d’une étude COM afin de juger si les conditions permettent un usinage stable ou pas. Ces paramètres sont les efforts de coupe (ou la puissance de coupe) et l’usure de l’outil. Dans le cadre de notre étude, nous nous intéressons plus spécifiquement à l’évolution des efforts de coupe. Le protocole de l’étude COM est défini dans les normes NF E66-520-1 à NF E66-520-4. 2.2.1 Protocole expérimental Le protocole COM se fait en plusieurs étapes : - Détermination du point de qualification : il s’agit de choisir une condition de coupe ( cq V , et fq) employée couramment pour l’alliage et l’outil considéré. Cette condition servira de point de référence pour l’étude. - Détermination de la vitesse de coupe stable (Vcs). Pour se faire, l’avance du point de qualification est utilisée ( fq). La vitesse de coupe est ensuite variée autour du point de qualification. - Détermination de la vitesse d’avance stable ( fs). La vitesse de coupe stable est utilisée (Vcs) et on fait varier la vitesse d’avance autour du point de qualification. On utilise ensuite les conditions stables obtenues pour définir la plage dans laquelle notre étude sera conduite. 2.2.2 Détermination de la vitesse de coupe stable Des conditions de coupe couramment utilisés pour l’usinage de pièces de turbine en Ti-6Al-4V sont données par Donachie [2]. Pour un outil en carbure de tungstène en tournage, les vitesses de coupe entre 45 et 90m/min et les vitesses d’avance entre 0,152mm/tr et 0,254mm/tr sont proposées. Pour notre étude, le point de qualification adopté est défini par une vitesse de coupe de 75m/min et une vitesse d’avance de 0,1mm/tr. La valeur de la vitesse d’avance de 0,1mm/tr est choisie afin de pouvoir tester des vitesses de coupe plus élevées que 75m/min sans détériorer l’outil prématurément. Des vitesses de coupe sont donc choisies de part et d’autre de la valeur du point de qualification. Le Tableau II. 2 indique les conditions testées. Les essais ont été répétés 3 fois. Pour chaque essai, le signal des efforts est d’abord filtré afin de réduire les bruits en utilisant un filtre médian. Puis la moyenne est calculée. La Figure II. 6 illustre ce traitement. Tableau II. 2 Essais réalisés pour la détermination de la vitesse de coupe stable (COM). Essai N°1 N°2 N°3 N°4 N°5 N°6 N°7 Vitesse de coupe (m/min) 10 25 50 75 100 150 250 Vitesse d’avance (mm/tr) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 Figure II. 6. Effort de coupe mesuré pour Vc=75m/min et f=0,1mm/tr. La Figure II. 7(a) montre l’évolution des efforts de coupe en fonction de la vitesse de coupe). On y distingue deux domaines : - Un premier domaine où l’on peut noter une baisse des efforts quand la vitesse de coupe augmente, jusqu’à 100m/min. Cette baisse peut être attribuée à l’élévation de la température. Plus la vitesse de coupe est élevée, plus la chaleur générée par frottement est élevée et plus le coefficient de frottement baisse. Ce qui a pour effet d’intensifier l’effet de l’adoucissement thermique du matériau usiné. - Puis un deuxième domaine où les efforts augmentent avec la vitesse de coupe entre100m/min et 250m/min. Dans cette deuxième zone, on considère que les efforts augmentent du fait de l’effet de la vitesse de déformation et d’une augmentation de l’usure. Il est bien connu que la contrainte d’écoulement a tendance à augmenter avec la vitesse de déformation. L’augmentation de la vitesse de coupe entraine une augmentation de la vitesse de déformation dans le copeau. Ce qui a pour conséquence de générer des contraintes, et donc des efforts plus importants. (a) (b) Figure II. 7. Évolution des efforts en fonction de la vitesse de coupe pour f=0,1mm/tr. (a) Efforts de coupe. (b) Efforts spécifiques de coupe. Les effets de l’adoucissement thermique et de la vitesse de déformation sont présents dans les deux zones décrites ci-dessus. Cependant, l’effet thermique est plus important de 10 à 100m/min, tandis que l’effet de la vitesse de déformation prend le dessus au-delà de 100m/min. Afin de déterminer la vitesse de coupe stable, il est nécessaire de tracer l’évolution des efforts spécifiques de coupe en fonction de la vitesse. Cette courbe est présentée sur la Figure II. 7(b). L’effort spécifique de coupe ou pression de coupe (KC ) est le rapport de l’effort de coupe sur la section du copeau. L’équation (21) rappelle cette relation avec FC l’effort de coupe, f la vitesse d’avance et aP la largeur du copeau. . C C P F K f a = (21) Il permet de mesurer la contrainte moyenne s’exerçant sur la section du copeau et donc de comparer les efforts de coupe obtenus pour différentes conditions indépendamment de l’avance et de la largeur du copeau. La vitesse de coupe stable est alors déterminée en traçant la tangente aux deux zones décrites précédemment (Figure II. 7(b)). L’intersection des deux tangentes donne la vitesse de coupe stable qui est celle présentant l’effort de coupe spécifique le plus faible et donc la plus favorable pour le couple outil-matière. La vitesse de coupe stable retenue ici est de 100m/min. 2.2.3 Détermination de la vitesse d’avance stable Pour déterminer la vitesse d’avance stable, la vitesse de coupe est fixée à 100m/min et la vitesse d’avance varie autour du point de qualification choisi 0,1mm/tr. La vitesse de coupe stable est adoptée (100m/min). L’avance varie alors autour de 0,18mm/tr. Une valeur inférieure au point de qualification et quatre valeurs supérieures à ce point sont choisies. Au total, six conditions de coupe sont testées pour déterminer la vitesse d’avance stable (Tableau II. 3). L’évolution des efforts de coupe en fonction de la vitesse d’avance est présentée par la Figure II. 8(a). On observe une augmentation presque linéaire des efforts. Ce résultat est attendu et puisque l’augmentation de la vitesse d’avance équivaut à une augmentation du flux de matière enlevée. L’analyse des efforts spécifiques de coupe (Figure II. 8(b)) permet de distinguer deux zones : - Une zone de forte baisse de la vitesse d’avance de 0,05mm/tr à 0,15mm/tr. - Une seconde zone de 0,15mm/tr à 0,4mm/tr, avec une diminution plus faible des efforts spécifiques. Tableau II. 3 Essais réalisés pour la détermination de la vitesse d’avance stable (COM). Essai N°8 N°9 N°10 N°11 N°12 N°13 Vitesse de coupe (m/min) 100 100 100 100 100 100 Vitesse d’avance (mm/tr) 0,05 0,1 0,15 0,25 0,3 0,4 En traçant les tangentes à ces deux zones et en relevant leur intersection, la vitesse d’avance stable est estimée à 0,18mm/tr. (a) (b) Figure II. 8. Évolution des efforts en fonction de la vitesse d’avance pour Vc=100m/min. (a) Efforts de coupe. (b) Efforts spécifiques de coupe. Dans le document Étude expérimentale et modélisation multi-physique de l’évolution de la microstructure dans les procédés d’usinage de l'alliage de titane Ti-6Al-4V (Page 62-66)
