Endommagement des matrices après usinage

Le processus d’usinage engendre des dégradations ou modifications micro structurales du matériau de la matrice de part le couplage des effets thermo mécaniques dus à la coupe. Dans les travaux de El-Wardany et al. [WAR 00] des essais de coupe orthogonale en tournage ont été réalisés sur un acier trempé de structure martensitique (60-62 HRc) correspondant à un matériau de matrice de forge. L’étude porte sur l’état métallographique du matériau après usinage. Cette étude met avant le fait que les particules de carbures présentes dans la microstructure de la pièce tendent à se déformer plastique-ment à cause de la forte chaleur de coupe produite pendant le tournage. Ceci a pour effet d’induire des

microfissures dans les grains contenant des carbures à cause de leur faible déformabilité. Ces microfis-sures ont pour effet de produire des criques et des retasmicrofis-sures au-dessous de la surface usinée (figure 15). Ces altérations de la microstructure sont observées lorsque les vitesses de coupe atteintes sont trop fai-bles par rapport aux vitesses de coupe spécifiées.

Les travaux de Bosheh & al. [BOS 05] et de G. Poulachon [POU 06] mettent en avant la formation d’une couche blanche au niveau de la micro structure de la surface usinée lors du tournage dur de maté-riau d’outillage (54-56 HRc). Le terme de couche blanche est lié aux observations de ces surfaces qui apparaissent blanches au microscope ou appareil équivalent. Dans la littérature ce terme est devenu générique et se réfère aux couches de matériau très dur se formant dans les matériaux ferreux sous dif-férents types de condition. Cette couche a des effets négatifs sur la tenue en fatigue du matériau usiné. En effet, elle se compose de grain de martensite très dur rendant la surface cassante causant la propaga-tion de fissures. L’apparipropaga-tion de ce type de surface est particulièrement liée au processus de coupe déga-geant de la chaleur et favorisant ainsi des transformations métallurgiques du matériau et donnant la possibilité d’interaction chimique du couple outil/matière. L’épaisseur de cette couche est d’environ 10 µm, néanmoins elle peut varier selon les propriétés chimiques et mécaniques du matériau usiné. Sous cette couche se trouve une couche de transition relativement fine jusqu’au matériau de base non affecté thermiquement par le procédé d’usinage. Les propriétés mécaniques de cette dernière couche restent similaires à celles du matériau avant usinage. Cette couche blanche peut être préjudiciable à la durée de vie d’une matrice d’outillage (propagation de fissures). Ainsi minimiser ou éliminer la couche blanche permettrait de réduire le temps et le coût de post finition. Une des observations effectuée dans le cadre de ces travaux est la réduction de l’épaisseur de la couche blanche lors de l’augmentation de la vitesse de coupe (figure 16). Pour une vitesse de coupe de 100 m/min, la première couche observée est une zone affectée thermiquement, elle se distingue par une couche continue de martensite non revenue d’épaisseur approximative de 2,3 µm. Sous cette couche on distingue une zone déformée plastiquement avec une structure de grain fin. La troisième couche observée est la structure du matériau de base sans déformation plastique et altération thermique. Les observations effectuées pour des vitesses de coupe de 400 m/min et 700 m/min donnent respectivement des épaisseurs de couche blanche de 0,26µm et 0,17µm. Une des raisons principales évoquées dans ces travaux est que la température dégagée est plus élevée dans le cadre du premier essai (100 m/min) que dans les deux autres essais (400 et 700 m/min). Une autre raison évoquée est la diminution de la déformation plastique du matériau due à

l’augmenta-Figure 15 : Micrographie montrant la structure sous la surface usinée

Particule de carbure Microfissures

tion des vitesses de coupe et donc la réduction des efforts de coupe étant donné que le débit d’évacua-tion du copeau augmente (le matériau est soumis alors à des contraintes mécaniques plus faibles).

D’autre part l’analyse des duretés selon la profondeur des couches observées montrent que la dureté au niveau de la surface usinée peut atteindre jusqu’à 1,5 fois la dureté du matériau de base (figure 17). Cette dureté peut-être attribuée à la couche blanche. La dureté diminue ensuite dans la zone déformée plastiquement jusqu’à atteindre la dureté du matériau de base. Il est aussi observé que lorsque la vitesse de coupe augmente la dureté de la surface usinée diminue. La dureté est plus élevée au niveau de la sur-face usinée étant donné les influences thermiques. Pendant l’usinage, la température de la sursur-face aug-mente fortement (environ 280°C dans le cadre des essais proposés) suivi d’une chute brutale de température. Ainsi une micro trempe est réalisée au niveau des couches usinées ce qui peut expliquer l’augmentation de la dureté. D’autre part, le haut pourcentage de carbone présent à la surface favorise un effet de carburation du matériau et donc une augmentation de la dureté.

Les travaux de Mativenga & al. [MAT 03] confirment la formation d’une couche blanche lors de la finition en fraisage UGV d’acier pour outillage et pour deux types de matériau outil. En effet pour les outils micro-grain non revêtus et les outils revêtus TiAlN + WC/C, pour des vitesses de coupe particu-lières l’état de surface est environ quatre fois supérieur à ceux produit par d’autres types d’outils

revê-Figure 16 : Epaisseur de la couche blanche [BOS 05]

tus. La formation d’une couche blanche apparaît donc liée au matériau de l’outil. La possibilité d’interactions chimiques entre les matériaux est l’une des causes de la détérioration de l’intégrité de la surface. Ceci peut s’expliquer par la richesse en carbone des deux types de matériau qui peuvent engen-drer une carburation superficielle du matériau usiné.

D’après ces travaux nous constatons qu’il existe un lien fort entre l’usinage et les altérations micro structurales subies par les surfaces usinées. Les surfaces obtenues par UGV sont soumises à de haute température ou de forts gradients de températures. En conséquences, des microfissures apparaissent ayant pour effet de produire des criques et des retassures au-dessous de la surface usinée. D’après les expérimentations effectuées, ce type d’altérations est lié à la vitesse de coupe. Plus les vitesses effecti-ves de coupe atteintes sont faibles par rapport aux vitesses de coupe spécifiées, plus ce phénomène d’altération est prononcé. Ainsi, la formation de microfissures dès l’usinage d’une matrice ne peut qu’initier prématurément les fissures générées par endommagement thermique (faïençage thermique) sur la matrice. Ainsi, une variation trop importante de la vitesse de coupe lors de l’usinage a un effet sur l’origine de certains endommagements subis par la matrice lors du processus de forgeage.

D’autre part une variation trop importante de la vitesse de coupe engendre la formation d’une couche blanche d’épaisseur variable (zones affectées thermiquement). Ainsi, les épaisseurs de cette couche et de ses sous-couches (zones déformées plastiquement) sont directement liées à la variation de la vitesse de coupe engendrant une surface de matrice hétérogène en terme de comportement thermomécanique (épaisseurs différentes de chaque couche) au niveau de la surface de mise en contact du lopin ou de la préforme lors de la frappe. De plus la micro trempe réalisée au niveau des couches usinées engendre une augmentation de leurs duretés, renforcées par un effet de carburation initié par des interactions chi-miques des matériaux du couple outil/matière. Or, comme nous l’avons vu précédemment la tempéra-ture d’usinage et par suite de trempe n’est pas homogène de part la variation de la vitesse de coupe. Ainsi, vient s’ajouter aux variations d’épaisseur des couches usinées des variations de leur dureté ren-forçant l’hétérogénéité du comportement thermomécanique de la surface de frappe de la matrice. Lors de la simulation du processus de forgeage ces hétérogénéités ne sont pas prises en compte. Or, dans les zones de forts glissements du matériau lors du forgeage ces variations d’épaisseur de matériau affecté par l’usinage peuvent initier une usure par abrasion (apparentée à du micro-usinage) d’épaisseur varia-ble. Ainsi, la durée de vie de l’outillage prévue à partir des simulations de forgeage est directement affectée par la naissance d’endommagements de la matrice causée par une variation trop importante de la vitesse de coupe. Les fissures initiées par fatigue mécanique dans les congés en fond de gravure (con-traintes de compression élevées) se situent dans les zones où, lors de l’usinage, se conjuguent une chute de la vitesse d’avance et une variation de la position de la zone de contact outil/pièce. Il apparaît donc important de minimiser ces chutes de vitesses et de variations de zone de contact outil/pièce pour limi-ter l’apparition des contraintes de compression dans les couches métallurgiques des raccordements de fond de gravure.