AUX OPERATIONS DE COUPE DISCONTINUE
REVETEMENTS SUR LES FLUX DE CHALEUR TRANSMIS AU SUBSTRAT
5.8. A NALYSE DES ZONES DE CONTACT OUTIL / COPEAU
A l’issue de chacun des essais précédemment décrits (mesures de températures, de flux de chaleurs, d’efforts de coupe), les plaquettes ont fait l’objet d’analyses à la loupe binoculaire et au microscope à balayage (+ analyse chimique EDS) afin de qualifier l’influence des revêtements sur la zone de contact outil/copeau.
Seule une synthèse de l’ensemble de ces investigations sera présentée. Analyses à la loupe binoculaire
Cette méthode rapide à mettre en œuvre permet dans une première approche qualitative d’estimer visuellement la surface de la zone de contact outil/copeau. La figure 5-33 présente les photos prises à l’issue des mesures de température par caméra thermique. Celle-ci permet de voir une réduction très significative de la zone de contact outil/copeau entre un outil non revêtu et les
outils revêtus. Par contre, les écarts entre les différents revêtements ne semblent pas très significatifs en première approche. NB : La quantification de ces écarts sera présentée plus avant.
Fig. 5-33 : Visualisation à la loupe binoculaire des plaquettes après 10 s d’usinage
- Vc = 200 m/min – f = 0.15 mm/tr – ap = 3 mm – Acier 42 Cr Mo 4 U -
L’observation des faces de dépouille permet de voir que le contact outil/pièce est très réduit (figure 5-34) ~ 50 µm, comparativement à la zone de contact outil/copeau ~ 500 µm. Il existe donc un rapport de 1 à 10 entre les deux surfaces. Cette vérification permet de conforter l’hypothèse implicitement faite depuis le début de ce chapitre, à savoir que la majeure partie du flux de chaleur transmis au substrat provient de la zone de contact outil/copeau. La zone de contact pièce/outil ne contribue pas de façon significative à ce flux de chaleur.
0.5 mm
0.5 mm 0.5 mm
Arête de coupe
Sens d’écoulement du copeau sur la face
de coupe
Plaquette revêtue (Ti,Al)N+MoS2
Plaquette revêtue (Ti,Al)N
Plaquette revêtue TiN Plaquette non revêtue
Analyses au microscope à balayage
L’analyse des zones de contact outil/copeau permet de distinguer une zone présentant une forte adhésion et une zone présentant un frottement avec peu d’adhésion (figure 5-35 et 5-36).
Fig. 5-35 : Vue au MEB de la zone de contact outil/copeau d’une plaquette revêtue (Ti,Al)N après 10 s
d’usinage - Vc = 200 m/min – f =0.1 mm/tr – ap = 3 mm – acier 27 Mn Cr 5 -
Face de coupe Face de coupe Zone de frottement Zone d’adhésion Arête de coupe Face de dépouille Zone de contact outil/pièce
Fig. 5-34 : Vue face de dépouille d’une
plaquette non revêtue 10 s d’usinage
Outil Plaquette carbure TPKN Non revêtue Conditions de coupe Vc = 200 m/min, f = 0.15 mm/tr ap = 3 mm Matière usinée acier 42 Cr Mo 4 U -
Fig. 5-36 : Photographie de la zone de contact outil/copeau prise au MEB (vue de gauche) – Représentation de
l’analyse EDS linéaire associée - Cas d’une plaquette revêtue TiN – Tournage orthogonal en plongée radiale - Vc
= 150 m/min – f = 0.1 mm/tr – ap = 3 mm – acier 27 Mn Cr 5 -
Lors de séries d’essais identiques, la comparaison des analyses EDS linéaires et surfaciques des zones de contact outil/copeau (figure 5-37 et 5-38), permet de voir que l’adhésion est très supérieure dans le cas des outils non revêtus, comparativement au cas des outils revêtus. On observe ainsi une couche massive dans toute la largeur, alors que les outils revêtus présentent uniquement des adhésions dans les creux des stries de rectification. Ceci s’explique notamment par la difficulté de créer des liaisons entre un matériau céramique et un matériau métallique.
Non Revêtue TiN (Ti,Al)N (Ti,Al)N+MoS2 Face de coupe Arête de coupe Sens d’écoulement du copeau A B A B Adhésions
Sens d’écoulement du copeau
Arête de coupe Fin du contact
Tournage orthogonal en plongée radiale Vc = 150 m/min f = 0.1 mm/tr ap = 3 mm acier 27 Mn Cr 5 Fig. 5-37 : Analyse
EDS linéaire sur des plaquettes TPKN après 10 s d’usinage.
(Ti,Al)N+MoS2 (Ti,Al)N TiN
Non Revêtue
Fig. 5-38 : Analyses EDS surfaciques dans la zone de contact outil/copeau
– Vc = 236 m/min – f = 0.1 mm/tr – ap = 3 mm – Temps de coupe : 10 s -
L’analyse spécifique des plaquettes revêtues (Ti,Al)N+MoS2 permet de voir que le revêtement MoS2 a tendance à partir très rapidement de la zone de contact outil/copeau, et cela d’autant plus que les essais sont réalisés à haute vitesse de coupe. La figure 5-38 précédente permet de voir l’absence de molybdène dans cette zone. Cela s’explique notamment par son oxydation à haute température.
A contrario, les essais à basse vitesse permettent de conserver le MoS2 dans les stries de rectification (figure 5-39) et de limiter l’adhésion de fer par rapport aux autres revêtements (figure 5-40). Comparativement, une plaquette revêtue TiN présente une adhésion nettement supérieure dans la même zone (figure 5-41).
Remarque : Le maintien du MoS2 dans les stries de rectification pourrait être un élément à prendre en
considération afin de ne pas chercher à obtenir des rugosités trop fines (voir chapitre 4).
Arête
(Ti,Al)N
MoS
2 0 2 4 6 8 Energy (keV) 0 10 20 30 cps O Mo S 0 2 4 6 8 Energy (keV) 0 20 40 60 80 cps Ti N Al Si Mo S Ti Ti Fe Fe 0 5 10 Energy (keV) 0 20 40 60 cps O Co W Ta W Nb S Ti Ti Cr Mn Fe Co Ta W Co Ta W Ta Ta W W Ta WLa quantification de la zone de contact outil/copeau a été faite uniquement sur la base de la zone présentant des adhésions importantes, car cette zone est plus stable à déterminer. Elle présente de
Arête Face de coupe 2 : Revêtement neuf 1 : Zone de contact
Fig. 5-40 : Analyses EDS réalisées sur la
face de contact outil/copeau sur une plaquette revêtue (Ti,Al)N+MoS2 – Vc = 60
m/min – f = 0.1 mm/tr – ap = 3 mm –
Temps de coupe : 10 s -
Fig. 5-41 : Analyses EDS réalisées sur la face
de contact outil/copeau sur une plaquette revêtue TiN.
Vc = 60 m/min – f = 0.1 mm/tr – ap = 3 mm
– Temps de coupe : 10 s.
Fig. 5-39 : Schématisation de la présence de
MoS2 dans les stries de rectification après
plus une liaison plus intime entre les deux éléments, ce qui permet un meilleur transfert de chaleur outil/copeau. A contrario la zone de frottement relatif ne permet qu’un contact sur les sommets des rugosités et donc un transfert de chaleur plus limité.
Dans le cas des essais de tournage orthogonal axial correspondant aux mesures de flux de chaleur (Vc = 236 m/min – f = 0.1 mm/tr – ap = 3 mm – acier 27 Mn Cr 5 - Temps de coupe : 10 s), la
largeur de contact outil/copeau mesurée vaut :
• Non revêtue : 0.69 mm+/- 0.03
• TiN : 0.53 mm+/- 0.02
• (Ti,Al)N : 0.53 mm+/- 0.02
• (Ti,Al)N+MoS2 : 0.46 mm+/- 0.03
Il apparaît ainsi que, dans les conditions d’essais choisies, la plaquette non revêtue conduit à une zone de contact outil/copeau plus importante comparativement aux autres plaquettes revêtues. La plaquette revêtue (Ti,Al)N+MoS2 se distingue des deux autres revêtements par une aire de contact plus réduite. On peut penser que les qualités lubrifiantes du revêtement MoS2 sont une explication de cette observation.