Etude expérimentale de la coupe

Fig. 1. 2 : Différentes configurations de coupe : n- coupe réelle et coupe orthogonale, Y- Coupe oblique [10].

La coupe orthogonale est particulièrement adaptée aux études de la modélisation puisqu’elle permet de ramener le problème tridimensionnel de la coupe (coupe réelle 3D) à un problème bidimensionnel (coupe 2D). En effet, les simplifications géométriques et cinématiques simplifient l’étude des phénomènes apparaissant lors de la coupe. Il faut noter qu’en dehors du cas de la coupe orthogonale ; le cas de la coupe tridimensionnelle peut être considéré comme un cas de coupe orthogonale lorsque le rayon de bec de l’outil est très faible et négligeable selon les hypothèses de Merchant [11].

2 Etude expérimentale de la coupe

Les procédés d’usinage par enlèvement de matière sont des techniques de mise en forme largement utilisées dans l’industrie. Il existe de nombreux procédés d’usinage : le fraisage, le perçage, le tournage, le découpage, etc. La Fig. 1. 3n (Luttervelt et al. [12]) montre que la méthode expérimentale représente plus de 45% de l’ensemble des méthodes d’études des procédés d’usinage.

En outre, le tournage représente presqu’un tiers des opérations d’usinage dans l’industrie devant le fraisage (Fig. 1. 3o).

Fig. 1. 3 : n- Méthodes et démarches d’étude de l’usinage ; o- Taux d’utilisation des différents types de procédés dans l’industrie [12]

Bien que cette synthèse date de 1998, elle montre l’importance des études expérimentales qui permettent de mieux comprendre le procédé d’usinage. Elle montre également que le tournage reste toujours le procédé le plus utilisé dans l’industrie et le plus étudié.

L’approche expérimentale de la coupe a plusieurs objectifs : o Etudier et caractériser l’usure d’un outil de coupe.

Chapitre 1 : Bibliographie générale sur l’usinage

o Etudier l’usinabilité d’un nouveau matériau (matériaux durs, composites) et l’influence des paramètres de coupe.

o Mettre en place un nouveau système d’usinage (usinage assisté par laser, usinage cryogénique, usinage à jet d’eau…).

o Caractériser les propriétés des surfaces usinées.

o Comprendre et optimiser le procédé d’usinage.

o Valider les études numériques.

o ...

L’approche expérimentale permet de mieux comprendre les phénomènes mécaniques, thermiques et physico-chimiques ainsi que leurs interactions. Ces phénomènes sont encore plus complexes et critiques en usinage à grandes vitesses [13, 14]. Leur compréhension passe par la mesure des efforts, de la puissance et/ou de l’énergie, de la température, des paramètres d’usure aussi par la caractérisation de l’outil de coupe usé et de la pièce usinée.

L’analyse proposée dans le paragraphe suivant porte essentiellement sur des études de l’usure des outils de coupe par des approches d’usinage.

Wanigarathne et al. [15] ont étudié l’usure progressive d’un outil de coupe en carbure fritté revêtu (revêtements : TiN/TiCN/TiC) et comportant des brises-copeau. Leur étude a eu pour objectif d’analyser, aux échelles macroscopique et microscopique, l’usure des outils en fonction de la température. L’étude menée a été réalisée en coupe orthogonale de l’acier C45 (AISI 1045) avec des vitesses de coupe de 200, 250 et 300 m/min, des vitesses d’avance de 0,15 et 0,2 mm/tr et une largeur de coupe de 3 mm. Les auteurs ont montré par cette étude que la température de la face de coupe augmente en fonction de la vitesse de coupe. L’augmentation de la température induit une usure de l’outil plus sévère. Toutefois, les auteurs n’ont pas étudié les différents mécanismes d’usure qui sont responsables cette dégradation sévère.

Certains travaux ont été menés pour caractériser et comprendre le comportement des interfaces de frottement et l’usure des outils de coupe [16-21]. En particulier, Gegonde et Subramanian [17]

ont mené une étude pour caractériser le phénomène de diffusion des éléments chimiques de l’outil dans le copeau. L’étude a été réalisée en usinant les aciers C45 (AISI 1045) et C20 (AISI 1020) avec un outil en carbure fritté avec ou sans revêtement de TiN/TiC. Les auteurs indiquent que pour une vitesse de coupe inférieure à 100 m/min, il y a une adhésion de la matière usinée sur la face de coupe de l’outil et que cette adhésion est immédiatement évacuée à cause d’une faible force d’adhésion au niveau des jonctions. Par contre, à partir de la vitesse de coupe de 100 m/min, la force d’adhésion au niveau des jonctions est élevée. En conséquence, la rupture de l’adhésion est difficile, ce qui provoque une stagnation de la matière usinée sur la face de coupe. Il apparaît alors une diffusion de l’élément tungstène dans le copeau. Gegonde et Subramanian montrent également que ce phénomène de diffusion dépend de la température à l’interface de l’outil et des transformations de phase de l’acier usiné. Ils remarquent que la température maximale de la face de coupe est localisée au niveau de la profondeur maximale et correspond à la température de transformation de phase de l’acier qui est égale à 840°C. S’il est admis que la température est un paramètre important dans le cas de l’usure par diffusion, les études de Gegonde et Subramanian [17] ne correspondent pas aux observations faites par Trent [1]. Trent [1] indique que l’usure en cratère est un phénomène thermiquement activé qui reste prédominant jusqu’à 800°C, et qu’au-delà 14

Chapitre 1 : Bibliographie générale sur l’usinage

de cette température, c’est plutôt un phénomène de déformation plastique qui devient prépondérant.

En conséquence, il est important de noter que l’élévation de la température de l’outil, combinée avec des sollicitations mécaniques, provoque d’autres mécanismes d’usure comme la déformation, la fissuration ou l’écaillage, surtout pour les outils revêtus [22-25].

Si il est quasiment reconnu que les principaux modes d’usure qui apparaissent sur la face en dépouille sont l’abrasion, l’adhésion et dans une moindre mesure la diffusion [21, 26] ; ceux qui gouvernent l’usure de la face de coupe (usure en cratère) restent à identifier précisément.

Compte tenu des difficultés d’études des interfaces de frottement en usinage (inaccessibilité des interfaces de contact, non maîtrise des sollicitations mécaniques) d’autres études complémentaires sont souvent réalisées. Ainsi l’approche tribologique permet d’éliminer l’influence des paramètres du procédé et les caractéristiques géométriques de l’outil sur le comportement des interfaces de frottement. Cette approche permet également une meilleure maîtrise des sollicitations appliquées.

En revanche l’approche tribologique n’intègre pas l’interaction plus complexe qui peut exister entre l’outil et la matière usinée dans le cas d’un procédé d’usinage.

Ce paragraphe représente une introduction aux approches tribologiques de l’étude de l’usure des outils de coupe.

Une synthèse bibliographique plus détaillée en sera faite dans le chapitre 2 puisqu’une telle approche a été effectuée dans le présent travail de thèse. Il ne faut pas considérer qu’une approche tribologique soit assimilable à un processus d’usinage. Son apport majeur est d’aider à la compréhension des mécanismes et phénomènes qui se produisent aux interfaces de frottement en usinage tant du point de vue macroscopique (coefficient de frottement, paramètres d’usure) que microscopique (transformations microstructurales, mécanismes d’usure, modifications des propriétés des interfaces…). De telles approches sont souvent réalisées en tenant compte de l’évolution de la température aux interfaces de frottement.

Les travaux de Grzesik et al. [27] constituent un exemple d’étude de l’usure des outils de coupe par une approche tribologique. Ces travaux ont été réalisés pour étudier l’influence de revêtements multicouches sur l’usure des outils de coupe.

Fig. 1. 4 : Schéma de la configuration de frottement de Grzesik et al. [27]

Pour s’approcher des conditions de frottement observées en usinage (surface de frottement très faible et très localisée), Grzesik et al. [27] ont adopté une configuration de frottement pion/disque comme illustrée en Fig. 1. 4. Cette configuration a pour objectif d’augmenter la pression de contact et de s’approcher au mieux des conditions de la coupe orthogonale.

Chapitre 1 : Bibliographie générale sur l’usinage

La Fig. 1. 3n montre que les études expérimentales constituent les approches les plus fréquemment mises en œuvre pour améliorer la compréhension du procédé d’usinage. Cependant ces approches demeurent coûteuses. De plus, il est difficile de connaître certaines grandeurs comme la température et la pression de contact aux interfaces outil/copeau et outil/pièce. En conséquence, des approches de modélisation du procédé d’usinage sont souvent développées pour prédire et estimer de telles grandeurs.

Sont successivement abordées dans le paragraphe suivant la description des mécanismes et la modélisation de la formation du copeau puis la modélisation thermique des échanges aux interfaces outil/copeau et outil/pièce.