Plan d’expériences et procédure d’essais

Ce second plan d’expériences est complémentaire de la première campagne d’essais. Quatre axes principaux sont étudiés. Tout d’abord, durant les essais SRT, et conformément aux observations de travaux précédents [PPDD18], nous avons remarqué la forte influence de l’état de surface des frotteurs sur l’apparition du grippage. En conséquence nous utilisons des frotteurs fabriqués et polis de façon à présenter des rugosités arithmétiques moyennes Ra égales à 0,2, 0,35 et 0,60 µm, permettant de couvrir une large gamme d’états de surface. En plus de l’effet de la rugosité, l’effet de la pression sur l’initiation du grippage est regardé en appliquant des charges normales Fn comprises entre 100 et 600 N. L’effet de la lubrification est également investigué. Quatre types de lubrification sont testés : aucun lubrifiant, une huile

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minérale pure de référence et deux lubrifiants industriels, un lubrifiant solide et une huile additivée. L’huile minérale pure est la même que celle utilisée lors des essais SRT. L’huile additivée est de l’Illoform TDN81. Elle est notamment utilisée pour la mise en forme à froid des aciers inoxydables, des alliages de nickel et des alliages d’aluminium. Les deux huiles ont été analysées par fluorescence de rayon X à l’Université Technique du Danemark afin de connaitre leur composition chimique [MVMD20]. L’huile pure ne contient aucun additif et l’Illoform contient essentiellement des additifs chlorés avec des traces de phosphore et de soufre. Les propriétés des deux lubrifiants sont données dans le tableau 4.10. Enfin, l’influence de la vitesse de glissement sera également regardée dans une configuration lubrifiée. L’ensemble de ces configurations est détaillé dans le tableau 4.11.

Tableau 4. 10: Propriétés des lubrifiants utilisés

Lubrifiant Description volumique ^Masse

(kg/dm3)

Viscosité dynamique 40°C (mPa.s)

additifs

HM Pure Huile minérale pure 0,88 66 aucun

HM Additif ^{Huile minérale additivée} _{(Illoform TDN81)} 1,18 165 _{phosphore et de souffre} ^{Chlore + traces de}

Tableau 4. 11: Campagne d’essais pion-plan

Charge

Fn (N) ^Rugosité (µm) (mm/s) ^{Vitesse Lubrification répétitions Objectif}

100 0,20 0,35 0,60 5  3 Effet de la 300 0,20 0,35 0,60 5  3 charge normale 500 0,20 0,35 0,60 5  3 600 0,20 0,35 0,60 5  3 5→600 0,20 0,35 0,60 5  3 Effet combiné 5→600 0,20 0,35 0,60 5  MoS2 3 de la charge 5→600 0,20 0,35 0,60 5  HM Pure 3 normale et de 5→600 0,20 0,35 0,60 5  HM Additif 3 la lubrification

100 0,20 0,35 0,60 5  HM Pure 3 Effet de la vitesse

100 0,20 0,35 0,60 10  HM Pure 3 de glissement

Procédure expérimentale

La géométrie des pions et des éprouvettes est présentée en figure 4-21. Les pions sont en X38CrMoV5 et les éprouvettes sont en alliage d’aluminium 6082-T6. Pour garantir la répétabilité des mesures expérimentales, chaque configuration est répétée trois fois. Chaque éprouvette est utilisée pour neuf essais consécutifs. Les neuf essais correspondent à une ligne du tableau 4.11 : un chargement, trois rugosités, répétées trois fois. Les essais sont alors espacés de 8 à 10 mm pour ne pas affecter les zones de test voisines. Chaque essai est réalisé avec un pion neuf frottant sur une surface neuve. Quatre-vingt-dix pions répartis en trois lots ont ainsi été fabriqués pour cette campagne d’essais : le lot 1 composé de 30 pions avec une rugosité moyenne de 0,2µm, le lot 2 composé de 30 pions avec une rugosité moyenne de 0,35 µm et le lot 3 composé de 30

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pions avec une rugosité moyenne de 0,60 µm. Des analyses par profilométrie 3D ont été réalisées avant les essais afin de mesurer la rugosité des pions et la forme de la surface de contact. Il apparait que l’ensemble des pions présente une surface de contact convexe avec un défaut de planéité de l’ordre de 1% (Fig. 4-22). Ce défaut sera pris en compte lors des simulations numériques.

(a) (b)

Figure 4- 21: Dimensions des pions (a) et éprouvettes (b) pour la campagne d’essai pion-plan

Figure 4- 22: Profil de la surface de contact des pions et profil moyen équivalent.

La rugosité des frotteurs a été mesurée selon la procédure proposée par K. Le Mercier [Leme17]. La forme convexe de la surface est éliminée par un polynôme de degré 4 puis quatre profils sont mesurés dans des directions différentes. Huit paramètres de rugosité sont calculés pour chaque surface (Tableau 4.12). Ceux-ci correspondent à cinq paramètres d’amplitude, un paramètre hydride (équivalent à l’angle moyen des aspérités) et deux paramètres fonctionnels, notamment relatifs à la surface portante et à l’homogénéité des profils [DeKB14]. La synthèse des mesures des paramètres Ra et Rdq, qui serviront notamment à alimenter le modèle

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numérique, est présenté en figure 4.23. Nous remarquons que la variabilité des valeurs mesurées augmente avec la valeur moyenne et que les valeurs hautes du lot 2 (Ra = 0,35 µm) coïncident avec les valeurs basses du lot 3 (Ra = 0,6 µm).

Figure 4- 23: Moyennes des mesures réalisées : (a) Moyennes des Ra (b) Moyennes des 𝐑_𝐝𝐪

Pour les essais lubrifiés le lubrifiant est appliqué directement sur l’éprouvette et recouvre toute la surface de celle-ci. Pour les huiles, l’épaisseur du film lubrifiant est de l’ordre de 1 mm. Le lubrifiant solide à base de bisulfure de molybdène est pulvérisé sur la surface suivant le protocole établi dans la thèse de TT. Pham [Pham15]. L’épaisseur est homogène et égale à 50 µm. Dans le cas des essais à charge constante, l’effort normal est appliqué, puis la table support d’éprouvette se translate avec une vitesse constante sur 80 mm. Pour les essais à charge croissante, un effort de 5 N est appliqué pour assurer le contact entre le pion et l’éprouvette, puis l’éprouvette translate alors que l’effort normal augmente à une vitesse constante de 7,5 N.mm-1.

Tableau 4. 12: Paramètres de rugosité retenus pour l’étude

Paramètres d’amplitude (µm)

Ra Rugosité arithmétique moyenne

Rv Profondeur des vallées

Rp Hauteur des pics

Rc Hauteur moyenne des éléments de profil (Moyenne des hauteurs totales Rt)

Rz Somme de 𝑅_𝑝 et 𝑅_𝑣 Paramètre hybride (°)

Rdq pente moyenne quadratique Paramètres fonctionnels (%)

Rmr Ratio de la surface portante

Rdc Hauteur de la section de profil entre deux 𝑅_𝑚𝑟 différents (homogénéité du profil)