Intégrité de surface

Le phénomène d’extraction de particules avancé en présence d’un fluide de coupe est rendu possible par l’action de l’outil sur les particules. L’arête de coupe génère des décohésions de particules, ainsi que d’autres défauts de surfaces. La coupe des CM M_P semble donc avoir une incidence sur l’intégrité de surface. Les études portant sur l’intégrité de surface sont assez peu nombreuses en dépit de l’importante incidence de ces défauts sur la tenue en fonction de la pièce. L’observation de la surface usinée révèle plusieurs défauts localisés au niveau du renfort :

– particules extraites (figure 1.10 (b)) ; – particules fissurées (figure 1.10 (c)).

(a) (b) (c)

Figure 1.10 – Défauts de surface engendrés par l’usinage [22] : (a) décohésion, (b) particules fissurées, (c) particules extraites.

Mis à part la fissuration des particules qui provient du contact direct de l’outil avec le renfort, la décohésion renfort / matrice provient de l’écrouissage du matériau autour d’une particule rigide [22]. Le stade ultime de cette décohésion se traduit par l’évacuation de la particule qui va laisser la place à une porosité et amplifier le phénomène d’usure abrasive si elle reste au niveau de la zone de coupe. Ces défauts d’origine surfacique risquent de se propager au sein de la matière pour créer des dommages subsurfaciques.

Cette atteinte à l’intégrité sub-surfacique trouve son point de départ en surface par la coalescence des porosités en vue de former des micro-fissures. Ces dernières vont se propager d’un site particulaire à un autre, et ce développement sera d’autant plus rapide et profond que les particules seront proches les unes des autres. Ce mécanisme de propagation est aussi présent lors de la formation du copeau et favorise sa fragmentation par un processus de fissuration. Ces fissures ont été observées en tournage [22] et en perçage [23]. L’ordre de grandeur de pénétration de ces micro fissures en tournage est d’environ 10μm. El Gallab [22] et Kannan [20] (figure 1.11) ont effectué des mesures de microdureté à différentes distances de la surface usinée et ont constaté une épaisseur affectée par la coupe de l’ordre de 60 à 100μm pour le tournage, tandis que Tosun [23] obtient des épaisseurs beaucoup plus importantes (200 μm) dans le cas le plus défavorable de perçage.

La modification de la microdureté dans cette couche proviendrait de plusieurs phéno- mènes [22] :

– l’accroissement de la densité des dislocations, en raison des contraintes résiduelles générées par les forces de coupe, la température et la déformation plastique ;

0 20 40 60 80 100 120 140 100 105 110 115 120 125 130Microdureté HVN

Distance à la surface usinée (μm) à sec avec arrosage

Figure 1.11 – Évolution de la microdureté en sub-surface [20].

– la formation de grains fins ;

– le présence de précipité de silicate.

L’épaisseur de cette couche affectée varie en fonction des paramètres de la coupe. Conformément aux explications précédentes, tout ce qui va augmenter la température de la zone de coupe va accroître l’épaisseur affectée :

– augmentation de la vitesse de coupe ; – augmentation de l’avance ;

– augmentation de la profondeur de passe.

Ceci a été constaté pour le perçage et le tournage. Lors de l’analyse des essais de perçage, Tosun [23] a montré que la composition de la couche affectée est aussi modifiée par la nature du matériau de l’outil ainsi que par l’angle de pointe. Elle peut être constituée majoritairement du matériau de la matrice, ou de particules. Un foret en carbure va générer le plus souvent une couche fortement composée de renforts, contrairement aux forets en acier rapide (HSS) et en acier rapide revêtu de nitrure de titane (HSS+TiN) qui vont créer une couche à forte teneur en matériau de la matrice. Beaucoup d’autres paramètres influent sur la couche affectée :

– les conditions de coupe ; – l’état de livraison du CM M_P;

L’importance de l’analyse, de la compréhension et de la réduction des endommage- ments en surface et en sub-surface réside dans leurs impacts sur le comportement de la pièce mécanique en fonctionnement (tenue en fatigue . . .).

Afin de compléter et de comprendre les résultats obtenues lors de leurs précédentes études [15,22], El Gallab et al. [24] ont utilisé les éléments finis au niveau de la surface usi- née ainsi qu’en sub-surface. Cette modélisation a pour objet de lier les endommagements en subsurface aux paramètres de coupe, par l’analyse des différents champs de contraintes (contrainte de cisaillement, hydrostatique, résiduelle . . .). Dans la zone de cisaillement primaire, la contrainte de cisaillement a été calculée à 500 MPa à la pointe de l’outil et aux alentours de 400 MPa au niveau de la surface libre du copeau. Cette forte contrainte entraîne le cisaillement du matériau de la matrice. Quant à la contrainte hydrostatique, sa forte valeur compressive (-500 MPa) va devenir positive lors du déchargement et gé- nérer des fissurations dans le matériau. Ces fissurations sont facilitées par la création de porosités. Ces porosités apparaissent au voisinage des particules et sont la conséquence de la grande déformation plastique de la matrice dans la zone de cisaillement secondaire qui n’agit pas sur les particules de renforts. Le mécanisme de formation du copeau serait une combinaison entre le cisaillement et la propagation de fissures. Cette explication fournie par El Gallab et al. [24] explique aussi la fragmentation du copeau dans la plupart des conditions de coupe. Cette étude a aussi porté sur les endommagements subsurfaciques. L’utilisation d’un indicateur d’endommagement permet de qualifier la prédisposition à l’apparition de fissures. Cet indicateur est calculé comme le rapport entre la contrainte hydrostatique et la contrainte de cisaillement. Plus cet indicateur est élevé, moins l’en- dommagement sera important car la contrainte hydrostatique va tendre à refermer les fissures. L’influence de plusieurs paramètres a été étudiée :

– la vitesse de coupe ; – l’avance ;

– rayon de bec (figure 1.12 (a)) ;

– la profondeur de passe (figure 1.12 (b)).

Les simulations effectuées sur les deux derniers paramètres sont présentées figure 1.12. Afin de minimiser les endommagements subsurfaciques il est donc recommandé de mini- miser le rayon de bec (0,8 plutôt que 1,6 mm) ainsi que la profondeur de passe (1,5 plutôt que 2,5 mm).

L’amélioration des performances mécaniques par l’ajout de renforts a diminué l’usi- nabilité du matériau. En effet, ces renforts induisent un fort taux d’usure des outils, ils

0 100 200 300 400 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1