E FFET DU LUBRIFIANT EN FRAISAGE SUR L ’ ENERGIE SPECIFIQUE DE COUPE (W C ) 

La  phase  d’étalonnage  des  outils  est  d’une  importance  majeure  surtout  pour  le  bon  déroulement des essais en fraisage où les efforts de coupe peuvent être davantage concernés par les  instabilités et les vibrations. De plus, la préparation des arêtes de coupe des fraises étant un procédé  extrêmement  délicat,  elle  n’est  souvent  pas  parfaitement  maîtrisée.  Tout  défaut  (écaillages  des  arêtes  de  coupe  ou  écarts  entre  les  longueurs  des  dents)  peut  avoir  un  effet  très  significatif  sur  l’énergie spécifique de coupe (Wc) et la durée de vie de l’outil (T) obtenues. 

La  procédure  d’étalonnage  commence  donc  par  la  vérification  de  l’affûtage  des  fraises  en  observant les arêtes de coupe sous la loupe binoculaire. Le moindre défaut oblige à éliminer l’outil  examiné. Trois mesures à sec avec chacune des nouvelles fraises sont réalisées dans les conditions de  coupe suivantes : Vc = 100 m/min, fz = 0.11 mm/tr/dent, ae = 2 mm et ap = 2 mm. Suite à l’étalonnage, 

seuls  les  outils  pour  lesquels  les  dispersions  entre  les  valeurs  moyennes  (issues  de  trois  mesures  réalisées à sec) de l’effort spécifique de coupe sont faibles (maximum 5%) et dont l’observation sous  la loupe binoculaire n’a pas montré de traces d’usure, sont retenus. Un coefficient de correction est  appliqué  afin  d’atténuer  les  différences  qui  peuvent  exister  d’un  outil  par  rapport  à  l’autre.  Cette  correction permet ainsi d’admettre que toutes les fraises utilisées "travailleront" de la même façon  dans ces conditions particulières. 

En  ce  qui  concerne  les  conditions  de  coupe,  les  mesures  sont  effectuées  selon  une  simple  matrice  qui  permet  d’étudier  à  la  fois  l’effet  de  la  vitesse  de  coupe  et  de  l’avance  par  dent  sur  l’énergie spécifique de coupe (cf. Tableau II‐8). Trois vitesses de coupe et trois avances par dent sont  choisies  de  telle  manière  que  la  plage  entière  de  conditions  de  coupe  applicables  à  l’outil  utilisé  (depuis  des  valeurs  Vc  et  fz  faibles  jusqu’à  des  valeurs  très  élevées)  soit  balayée.  Pour  diminuer 

encore le risque d’influence de l’outil sur les mesures des efforts de coupe, un seul outil pour deux  séries de mesures est utilisé de la même manière qu’en tournage. Une série de neuf mesures à sec  suivie  d’une  série  de  neuf  mesures  avec  l’un  des  lubrifiants  testés  (HB Yu4  ou  HB Yu4+ADDS1)  est  donc  effectuée.  En  appliquant  cette  démarche,  le  gain  relatif  en  fraisage  avec  l’un  des  lubrifiants  testés  par  rapport  au  fraisage  à  sec  est  obtenu.  Cette  démarche  nécessite  néanmoins  de  poser  l’hypothèse  que  l’influence  de  l’usure,  que  l’outil  subit  pendant  les  neuf  premières  mesures,  sur  la  deuxième  série  de  mesures  avec  l’un  des  lubrifiants  testés  (HB Yu4  ou  HB Yu4+ADDS1)  est  négligeable. L’engagement radial (ae) et la profondeur de passe (ap) de la fraise sont fixés à 2 mm. La 

longueur usinée est égale à 30 mm.      2 x 3 x 3 = 18 mesures réalisées au total pour une fraise donnée (9 à sec + 9 avec le lubrifiant testé)    Tableau II‐8 : Niveaux des facteurs du plan d’expérience    La Figure II‐10 montre l’effet de la vitesse de coupe sur l’effort spécifique de coupe avec l’huile  de base inerte (HB Yu4) et avec la même huile de base contenant l’additif soufré (HB Yu4+ADDS1) par  rapport au fraisage à sec, pour l’avance de l’outil fixe fz = 0.2 mm/tr/dent. De la même façon qu’en  tournage (cf. Figure II‐1), l’énergie spécifique de coupe diminue avec l’augmentation de la vitesse de  coupe  que  ça  soit  une  opération  réalisée  à  sec  ou  avec  l’un  des  lubrifiants  testés  (HB Yu4,  HB Yu4+ADDS1).  Les  explications  de  ce  phénomène  ont  été  données  antérieurement.  La  Figure  II‐ 10 (1) montre qu’il n’y a aucun gain relatif en terme d’énergie spécifique de coupe entre le fraisage  avec  l’huile  de  base  (HB Yu4)  et  à  sec  pour  trois  vitesses  testées.  Au  contraire,  l’effet  de  l’huile  de  base  (HB Yu4)  paraît  être  même  défavorable.  On  suppose  que  c’est  l’action  simultanée  de  deux 

Facteurs  Nb. de niveaux  N.1  N.2  N.3 

Sec/Lubrification  2  Sec  Lubrification   

Vc (m/min)  3  60  120  180 

Chapitre II – Etude mécanique et tribochimique de la performance lubrifiante d’un polysulfure dans  différentes applications d’usinage 

71

phénomènes, de nature différente, qui est à l’origine de cette détérioration. La formation de l’oxyde  sur la surface de l’outil peut être une première barrière naturelle de protection contre le grippage à  condition  qu’il  n’y  ait  pas  d’autre  élément  chimiquement  plus  actif  agissant  à  la  place  d’oxygène.  Sachant  que  la  concentration  de  l’oxygène  dans  la  base  lubrifiante  est  moins  importante  que  celle  dans  l’air,  la  formation  des  oxydes  peut  avoir  lieu  plus  facilement  et,  probablement  dans  une  quantité  plus  importante,  dans  le  cas  de  fraisage  à  sec.  Autrement  dit,  l’outil  serait  mieux  protégé  pendant  l’opération  réalisée  à  sec.  Le  deuxième  phénomène  impliquerait  plutôt  les  phénomènes  thermiques qui accompagnent la lubrification. Le refroidissement apporté uniquement par l’huile de  base  chimiquement  inerte  (HB Yu4)  lors  de  l’opération  d’usinage  aurait  un  impact  sur  le  comportement thermique du matériau usiné et il en résulterait une augmentation de sa contrainte  de  cisaillement  par  rapport  à  celle  du  matériau  coupé  à  sec.  De  plus,  il  peut  être  supposé  que  les  chocs thermiques locaux, par exemple à chaque entrée de l’arête de coupe dans la matière usinée,  peuvent  contribuer  à  la  rupture  prématurée  des  outils  utilisés  avec  la  base  lubrifiante  en  question  (HB Yu4). 

Comme  l’illustre  la  Figure  II‐10 (2),  le  fait  d’enrichir  l’huile  de  base  (HB Yu4)  avec  l’additif  soufré  permet  d’augmenter  efficacement  le  pouvoir  lubrifiant  du  mélange  (HB Yu4+ADDS1)  et  d’apporter un gain par rapport au fraisage à sec. Ce gain diminue cependant avec l’augmentation de  la  vitesse  de  coupe  (environ  15%  à  60  m/min,  contre  environ  9%  à  120  m/min).  Autrement  dit,  la  baisse des efforts de coupe en fraisage avec lubrifiant testé (HB Yu4+ADDS1) par rapport au fraisage  à sec est plus importante aux basses vitesses de coupe et diminue ou disparaît quasiment aux hautes  vitesses  de  coupe.  Ce  constat  peut  être  logiquement  expliqué  par  l’accès  réduit  du  lubrifiant  à  l’interface entre l’outil et la matière usinée ou le copeau – impliquant un temps d’action du lubrifiant  raccourci  –  car  la  vitesse  relative  de  surfaces  en  contact  est  trop  importante.  Quelle  que  soit  la  configuration testée : sec / HB Yu4 ou sec / HB Yu4+ADDS1, les mêmes conclusions ont été obtenues  pour les deux autres avances testées.                           Figure II‐10 : Effet de la vitesse de coupe sur l’énergie spécifique de coupe corrigée en fraisage avec (1) l’huile  de base (HB Yu4) et (2) avec le lubrifiant contenant l’additif soufré (HB Yu4+ADDS1) par rapport au fraisage à  sec pour l’avance fz = 0.2 mm/tr/dent    Quant à la Figure II‐11, elle illustre l’effet de l’avance de l’outil sur l’effort spécifique de coupe  avec  l’huile  de  base  inerte  (HB Yu4)  et  avec  la  même  huile  de  base  contenant  l’additif  soufré  (HB Yu4+ADDS1)  par  rapport  au  fraisage  à  sec,  pour  la  vitesse  de  coupe  fixe  Vc =  60  m/min.  En 

augmentant  l’avance  de  l’outil,  l’énergie  spécifique  de  coupe  à  réaliser  l’opération  de  fraisage  diminue  dans  les  trois  cas :  à  sec,  avec  l’huile  de  base  inerte  (HB Yu4)  et  avec  le  lubrifiant  (HB Yu4+ADDS1). L’effet global de l’avance de l’outil sur les efforts de coupe a été discuté auparavant  (cf. II.2.2. Effet du lubrifiant en tournage 3D sur l’effort spécifique de coupe (Kc)). Un effet bénéfique 

du  lubrifiant  par  rapport  au  fraisage  à  sec  est  constaté  uniquement  avec  le  mélange  contenant  l’additif  soufré  (HB Yu4+ADDS1).  De  plus,  le  gain  enregistré  avec  le  lubrifiant  semble  être  plus  important  pour  les  avances  de  l’outil  plus  importantes.  La  meilleure  efficacité  du  lubrifiant  aux  avances  plus  importantes  peut  être  expliquée  par  les  mêmes  facteurs  qui  mènent  à  la  baisse  de 

(1)  (2)

15%

Chapitre II – Etude mécanique et tribochimique de la performance lubrifiante d’un polysulfure dans  différentes applications d’usinage 

72

l’énergie spécifique de  coupe. La  géométrie  de l’outil  (coupe localement négative pour les avances  faibles)  ou  la  distribution  des  contraintes  (plus  forte  accumulation  des  contraintes  dans  la  zone  de  coupe pour les avances plus faibles) peuvent influencer les sollicitations aux interfaces de la coupe et  donc  faciliter  ou  contrer  l’action  du  lubrifiant.  Cependant,  dans  cette  configuration  expérimentale,  les  avances  les  plus  importantes  (fz = 0.3 mm/tr/dent)  engendrent  le  maximum  de  vibrations.  La 

dernière  mesure  avec  l’huile  de  base  (HB Yu4)  à  Vc = 60 m/min  et  à  fz = 0.3  mm/tr/dent  n’a  pas  pu 

être réalisée à cause d’un endommagement apparu sur l’une des arêtes de la fraise.                            Figure II‐11 : Effet de l’avance sur l’énergie spécifique de coupe corrigée en fraisage avec (1) l’huile de base  (HB Yu4) et (2) avec le lubrifiant contenant l’additif soufré (HB Yu4+ADDS1) par rapport au fraisage à sec  pour la vitesse de coupe Vc = 60 m/min   

Les  mêmes  tendances  sont  observées  pour  les  deux  autres  vitesses  de  coupe  testées  indépendamment  de  la  configuration  testée :  sec / HB Yu4  ou  sec / HB Yu4+ADDS1.  Les  graphes  rassemblant les mesures de l’énergie spécifique de coupe en fonction de trois différentes vitesses de  coupe  pour  trois  différentes  avances  et  dans  les  deux  configurations  testées  (HB Yu4,  HB Yu4+ADDS1)  par  rapport  aux  mesures  correspondantes  réalisées  à  sec  sont  présentés  dans  la  partie Annexes (cf. Annexe II § II.8).