Q UANTIFICATION DES PERFORMANCES OBTENUES EN USINAGE

Afin de quantifier les performances des 2 modes de préparation d’arête retenus comparativement à des plaquettes rectifiées, des essais de surfaçage ont été réalisés.

Matière usinée

Acier 27 Mn Cr 5 recuit à HB 200 avec une structure ferrito-perlitique d’une taille de grains de 30 à 50 µm. Des détails sur la composition et la microstructure de ce matériau sont présentés en annexe 4.

Outil de coupe

Les plaquettes fabriquées ont été montées sur une fraise à surfacer (ISCAR, référence F45E D50- 22) avec un diamètre de 50 mm (figure 4-24). Une plaquette unique a été montée pour chaque

essai. Sur les 4 arêtes de coupes disponibles, seules les 2 arêtes entourées sur la figure 4-14 ont été retenues ; arêtes présentant des stries inclinées par rapport aux arêtes actives.

Fig. 4-24 : Configuration des essais de fraisage et

porte-fraise utilisé (D = 50 mm).

Machine et instrumentation utilisée

Les essais ont été réalisés sur un centre d’usinage C800V de l’ENISE. La machine était munie d’un chaîne d’acquisition de puissance.

Détermination des conditions d’essais

Les conditions d’essais ont été déterminées sur la base d’une démarche appropriée du couple outil-matière (NFE 66-520). Ainsi, la profondeur de passe axiale ap = 2.5 mm et l’engagement

radial a_e = 10 mm ont été figés. L’ensemble des essais ont été réalisés à sec. Le détail de la détermination du domaine de fonctionnement des différents outils est présenté en annexe 6. Les conditions de coupe retenues correspondent au cas d’une opération d’ébauche afin de se rapprocher des conditions de sollicitations d’une fraise-mère : V_c = 100 m/min – f_z = 0.3 mm/tr.

Suivi des essais d’usure

Le suivi des essais d’usure a été réalisé par l’analyse de la fraise montée sur un montage spécifique et placé sous une loupe binoculaire LEICA MZ12.5. Les modes d’usure observés ont toujours été de l’usure en dépouille maximale, relevée sur l’arête latérale ou inférieure. La valeur relevée sur les courbes était mesurée comme illustré dans le figure 4-25.

Les outils ont été considérés comme usés lorsque la valeur maximale de l’usure en dépouille atteignait la valeur de VBmax = 0.15 mm. En effet, une analyse statistique de l’ensemble des

courbes d’usure tracées a permis de voir qu’au delà de cette valeur, la vitesse d’usure avait tendance à croître rapidement, ce qui laisse présager des casses aléatoires inadmissibles industriellement.

VBmax

Fig. 4-25 : Vue de gauche : Photo de la loupe binoculaire / Vue de droite : Exemple de relevé de

l’usure en dépouille maximale sur l’arête latérale.

L’analyse des résultats de la figure 4-26 permet de voir que les outils les plus performants sont les plaquettes qui ont subi une opération de rodage ‘léger’ (100 inch3 _{de pâte extrudée). Ces} plaquettes conduisent à un mode d’usure en dépouille homogène et progressif ; signe d’un mode d’usure stable et reproductible. Il est d’ailleurs remarquable de voir que les bonnes performances de ces plaquettes ont été reproduites de façon assez constante. Ce type de préparation d’arête semble donc adapté à l’évaluation des performances des revêtements.

Les plaquettes ayant subi un rodage plus important avec respectivement 300 et 500 inch3 _{de pâte} abrasive ont conduit à des résultats en retrait par rapport au cas précédent. Les rayons d’arête obtenus sont vraisemblablement trop importants par rapport à l’épaisseur de copeau enlevé. Les plaquettes sablées ont montré qu’elles étaient capables d’obtenir de bonnes performances, notamment dans le cas des opérations à forte épaisseur de copeau et cela pour toutes les rugosités initiales. Elles ont cependant une très grande instabilité de résultat, car une même famille de plaquette est capable du meilleur comme du pire. L’analyse statistique des arêtes de coupe sablées, et présentant des bonnes performances montre que celles-ci ont été sablées correctement (figure 4-28) aussi bien sur la face de coupe que sur les deux faces de dépouilles (donc aussi dans le coin), alors que les plaquettes présentant des résultats catastrophiques ne l’ont pas été (figure 4-29). Il apparaît dès lors nécessaire d’optimiser et de fiabiliser davantage l’opération de micro- sablage sur ce type d’outil en vue de l’utiliser comme support d’évaluation de la tenue des revêtements en coupe interrompue.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Durée de vie [min] (VB

max = 0.15 mm) 1 2 3 4 5 6 7 8 Rectification sablage Rodage (100) Rodage (300) Rodage (500) Vc = 100 m/min - fz = 0.3 mm/tr Ra ~ 0.1 µm (rectif) Rectif Sab lage Rodage (100) Rodage (300) Rodage (500)

Fig. 4-26 : Durées de vie

obtenus lors des essais de fraisage.

Matière usinée 27 Mn Cr 5 – HB 200 Outil

Fraise à surfacer

Plaquettes SENM en ASP 2052 Revêtement (Ti,Al)N Conditions de coupe Vc = 100 m/min fz = 0.3 mm/tr ap= 2.5 mm, ae = 10 mm, à sec Fig. 4-27 : Courbes

d’évolution de l’usure au cours du temps lors des essais de fraisage.

Temps de coupe [min] 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0 20 40 60 80 100 120

Usure maximale en dépouille [mm]

Rectification Rectification Sablage Sablage Rodage (100) Rodage (100) Rodage (300) Rodage (500) Vc = 100 m/min - fz = 0.3 mm/tr Plaquettes rectifiées à Ra ~ 0.1 µm Matière usinée 27 Mn Cr 5 – HB 200 Outil Fraise à surfacer

Plaquettes SENM en ASP 2052 Revêtement (Ti,Al)N Conditions de coupe Vc = 100 m/min fz = 0.3 mm/tr ap= 2.5 mm, ae = 10 mm, à sec Arête correctement

sablée finale = 62 minDurée de vie

Fig. 4-28 : Observation d’une plaquette rectifiée à Ra ~ 0.1 µm et sablée (correctement) après 2.6 min de

Arête non correctement

sablée finale < 3.8 minDurée de vie

Fig. 4-29 : Observation d’une plaquette rectifiée à Ra ~ 0.1 µm et non correctement sablée après 2.6 min de

fraisage (Vc = 100 m/min – fz = 0.3 mm/tr).

Enfin l’observation des résultats obtenus avec les plaquettes rectifiées et non préparées montrent des résultats catastrophiques illustrant les conséquences des irrégularités d’arête observées précédemment. La figure 4-30 montre une arête observée après 3 minutes d’usinage. Il apparaît que l’arête s’est ébréchée ce qui a entrainé un décollage du revêtement.

Fig. 4-30 : Observation de l’état de l’arête

d’une plaquette en ASP 2052 rectifiée à Ra

~ 0.1 µm après 3.8 min d’usinage (Vc =

100 m/min – f_z = 0.3 mm/tr).

4.3. S

L

’

DISCONTINUE

L’analyse de la gamme de fabrication des outils en acier rapide fritté a ainsi fait ressortir que l’évaluation des performances d’un revêtement par rapport à un revêtement de référence, pour une application d’usinage en coupe interrompue, devait prendre en compte les moindres détails de cette gamme. Il a ainsi été montré que les éléments suivants devaient être considérés avec la plus grande attention, soit en terme qualitatif, ou quantitatif, mais surtout en terme de

♦ Intégrité des surfaces après rectification et ré-affûtage : contraintes résiduelles,

microstructure, rugosité des faces de coupe et de dépouille ;

♦ Limitation du temps de nettoyage ;

♦ Limitation de l’effet des réactions chimiques du liquide de déplaquage des

revêtements ;

♦ Choix judicieux des conditions de coupe pendant les essais (Domaine de

fonctionnement – Couple Outil Matière) ;

♦ Nécessité de prévoir une opération de préparation des arêtes de coupe aussi bien pour

les outils neufs que pour les outils ré-affûtés :

♦ Création d’un rayon d’arête optimum pour l’application considérée (épaisseur

de coupe, matière usinée, etc.) : rβ _min < rβ< rβ _max ;

♦ Création d’un état de contraintes résiduelles en compression

♦ Suppression des stries de rectification ou orientation des stries parallèlement

au sens d’écoulement des copeaux

♦ Choix d’une méthode de préparation reproductible.

Parmi les 2 procédés de finition des arêtes de coupe, il est ainsi apparu que le rodage permettait d’obtenir les résultats les plus performants et les plus constants à condition de réaliser un rayon d’arête de l’ordre de 10 µm.

Le micro-sablage permet également d’obtenir un niveau intéressant de performance lorsque les rayons d’arête sont de l’ordre de 10 µm. Par contre un système de micro-sablage automatisé et optimisé est obligatoire afin de s’assurer que le jet de sable atteint aussi bien les faces de dépouille et de coupe.

La suite du mémoire portera sur l’évaluation des performances des nouveaux revêtements sélectionnés en fraisage et taillage à grande vitesse de coupe et à sec, il apparaît que les essais applicatifs devront suivre avec rigueur et constance l’ensemble des opérations de fabrication des outils. Il sera aussi nécessaire de mettre en œuvre un procédé de préparation des arêtes de coupe. Le micro-sablage a été retenu, car c’est aujourd’hui le seul procédé utilisable industriellement pour les fraises-mères ; le rodage étant une solution prometteuse à approfondir dans l'avenir.

5. COMPORTEMENT THERMIQUE ET TRIBOLOGIQUE