Energie spécifique de coupe

Les expériences menées permettent d’établir les coefficients spécifiques de coupe qui caractérisent l’abrasion. Ces coefficients caractéristiques dépendent du couple outil matière. L’approche énergétique de [41] a montré que les transferts thermiques en rodage sont très faibles dès lors que la lubrification des abrasifs et suffisante. Nos expériences se positionnent toute dans un procédé de rodage lubrifié abondamment à l’huile entière. Nous allons déterminer à partir des expériences précédentes la puissance de coupe absorbée en fonction du débit de matière enlevée.

La valeur de la composante tangentielle de la force de coupe est directement lue sur le couple du moteur de rotation. La force axiale moyenne est issue des expériences (Partie 3.4.1 page 112). Connaissant les vitesses des déplacements et les forces, le calcul de la puissance de coupe est

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assez simple. Le croisement des données avec les expériences de débit de matière (Partie 3.3.1 page 103) permet de calculer l’énergie spécifique de coupe Psc du couple abrasif/matière. Cette

quantité exprime l’énergie nécessaire pour enlever 1mm³ de matière par abrasion. La force de coupe surfacique est prise sous la forme de Fc/Spierre. La vitesse de coupe Vc et le taux

d’enlèvement de matière τmat interviennent également dans l’équation :

mat pierre c c sc S V F P     (40)

On remarque d’une part que les énergies spécifiques de coupe d’ébauche diamant et de finition carbure de silicium sont très proches. Une vitesse de coupe élevée (60m/min) et une avance rapide (14µm/s) permettent d’obtenir des copeaux moins énergivores. Ce phénomène est plus marqué sur les abrasifs diamant. Par exemple, la finition avec un diamant D107 nécessite beaucoup plus de puissance qu’avec un IAS65 à faible vitesse alors qu’à forte vitesse cette conclusion est totalement inversée.

Le tableau 16 présente les énergies spécifiques de coupe des abrasifs utilisés pendant les expériences en ébauche et finition sous une expansion électromécanique.

On remarque d’une part que les énergies spécifiques de coupe d’ébauche diamant et de finition carbure de silicium sont très proches. Une vitesse de coupe élevée (60m/min) et une avance rapide (14µm/s) permettent d’obtenir des copeaux moins énergivores. Ce phénomène est plus marqué sur les abrasifs diamant. Par exemple, la finition avec un diamant D107 nécessite beaucoup plus de puissance qu’avec un IAS65 à faible vitesse alors qu’à forte vitesse cette conclusion est totalement inversée.

Tableau 16 : Puissance spécifique de coupe des abrasifs courants en ébauche et finition.

Vitesse de coupe =40 m/min Vitesse de coupe =60 m/min

Vitesse d'expansion = 7 µm/s Vitesse d'expansion = 14 µm/s

Taux d'enlèvement de matière Force de coupe Energie spécifique de coupe Taux d'enlèvement de matière Force de coupe Energie spécifique de coupe mm³/s/mm² N J/mm³ mm³/s/mm² N J/mm³ D126 0,06 612 5,40 0,18 700 3,09 IAS65/120 0,03 578 5,10 0,075 608 3,22 IAS65/80 0,025 520 5,50 0,05 570 4,52 D107 0,02 561 7,42 0,115 710 2,45

Le tableau 17 présente les énergies spécifiques de coupe des abrasifs utilisés pendant les expériences en plateau avec une expansion hydraulique. Les énergie sont plus importantes ici à cause de l’emploi d’abrasif avec des grains beaucoup plus fins. En augmentant la vitesse de coupe et la pression d’expansion on constate que l’énergie spécifique de coupe reste constante pour l’abrasif en carbure de silicium alors qu’elle est plus que doublée pour l’abrasif diamant.

Tableau 17 : Puissance spécifique de coupe des abrasifs courants en plateau.

Vitesse de coupe =40 m/min Vitesse de coupe =60 m/min

Pression d'expansion = 10 bars Pression d'expansion = 20 bars Taux d'enlèvement de matière Force de coupe Energie spécifique de coupe Taux d'enlèvement de matière Force de coupe Energie spécifique de coupe mm³/s/mm² N J/mm³ mm³/s/mm² N J/mm³ SC600 0,006 313 13,8 0,015 491 13,0 SD91 0,0025 133 14,1 0,0036 293 32,3

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Dans ce cas l’emploi d’un abrasif diamant ne semble pas intéressant sauf pour ses propriétés de durée de vie accrue. Ces énergies spécifiques de coupe sont propres au couple outil matière défini. Les valeurs observées confirment les tendances recensées dans l’étude de Felder [42]. Dans notre cas l’énergie spécifique de coupe est relativement faible puisque le matériau usiné est de la fonte à graphite lamellaire. L’énergie spécifique est ainsi proche de celle de l’usinage classique par coupe d’un acier. Cette conclusion confirme une fois de plus la pertinence du choix de ce procédé de finition.

3.5. Conclusion

L’ensemble des expériences menées a permis de caractériser les machines de rodage et les spécificités techniques liées au processus de rodage. L’étude précise du mécanisme d’expansion du rodoir avec ses ressorts de rappel a été réalisée notamment pour pouvoir en tenir compte dans le logiciel de simulation. Nous avons prouvé qu’au-delà d’une certaine accélération d’inversion et pour de fortes vitesses de rotation, une expansion parasite vient perturber le rodage.

L’étude de la dynamique de battement révèle des différences notoires entre les machines Gehring et Nagel dues à leur architecture et à leur commande. Les performances limites de ces machines ont été mises en évidence.

Dans le cadre de la recherche d’un moyen flexible pour le battement, les performances d’un robot six axes ont été complétement identifiées.

L’impact de la dynamique de battement sur les trois échelles de qualité a fait l’objet d’une étude approfondie qui a donné lieu à une publication internationale dans la revue Surface and Coating Technology [38]. Nous avons prouvé qu’il est impossible d’atteindre les exigences de qualité Renault avec des accélérations d’inversion inférieures à 10 m/s². Cette constatation a disqualifié la solution technique reposant sur le bras robotisé six axes.

La caractérisation physique de l’abrasion en rodage a été réalisée à travers les expériences de mesure d’enlèvement de matière. Cette étude a abouti à l’identification des caractéristiques de coupe des abrasifs.

Une étude originale de la formation de la texture en fonction de la durée du rodage a été menée sur des surfaces initialement très lisses ou très rugueuses. La rugosité converge vers le même état au bout d’un certain temps quel que soit l’état de surface initial. Cet état final caractérise le couple outil matière déployé. Cette expérience montre la validité du modèle d’enlèvement de matière développé dans la simulation.

Une série d’essais menée avec un système de mesure d’effort ont permis d’évaluer expérimentalement les forces de coupe mises en jeu avec des abrasifs courants. Ces données utiles pour le dimensionnement des axes du moyen de rodage ont également servi à déterminer les énergies spécifiques de coupe.

Les manipulations réalisées ont enrichi notre expérience du procédé et nous amènent à proposer deux améliorations technologiques. Sur une machine totalement instrumentée, il pourrait être envisageable de programmer un cycle de rodage intelligent pour déterminer les caractéristiques de l’abrasif employé et ainsi retrouver les spécifications nécessaires à la simulation. Les mesures de la qualité de l’état de surface pourraient être nettement améliorées et simplifiées avec l’utilisation d’un matériel d’acquisition de la micro-géométrie en 3D et sans contact directement avec le fût (capteur chromatique confocaux, exemple STIL ).

A travers les études précédentes, les caractéristiques techniques principales des machines ont été mesurées. Ces données physiques expérimentales montrent que les machines sont optimisées et dédiées à une méthode de rodage. Il n’est pas évident de faire émerger des propriétés de flexibilité du processus à l’issue de ces conclusions. Une étude plus abstraite est nécessaire. Le chapitre suivant présente cette approche organisationnelle du procédé de fabrication.

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