Synthèse sur la coupe tridimensionnelle

L’originalité de cette partie réside dans le fait qu’elle décrit la réponse de deux états métallurgiques différents du 100Cr6 pendant l’usinage et cela pour une large gamme de vitesses de coupe, d’avance, de profondeur de passe et de dureté. Il existe, certes, plusieurs études qui traitent ce sujet, mais peu d’entre elles utilisent autant de variables de coupe avec autant de duretés pour comprendre leur influence sur la coupe tridimensionnelle et les produits de coupe.

Au travers des résultats expérimentaux, cette étude a permis de mettre en évidence et d’expliquer l’influence des paramètres de coupe, de la microstructure et de la dureté du matériau usiné sur la coupe et sur les produits de coupe. A partir des résultats expérimentaux, nous pouvons ainsi définir des conditions de coupe et un état métallurgique optimaux permettant d’obtenir :

De bons états de surface ;

Des gradients de contraintes favorables à l’augmentation de la résistance en fatigue des pièces usinées en service ;

De faibles efforts de coupe afin de réduire l’usure de l’outil et d’augmenter ainsi sa durée de vie.

L’étude de la morphologie des copeaux en fonction de la dureté apparente du matériau usiné a montré que pour des paramètres de coupe fixés (Vc, f, ap) et une

Chapitre III : Analyse expérimentale de la coupe

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microstructure donnée (cas avec carbures), le copeau est parfaitement continu et sans instabilité à la dureté de 43 HRc. A 55 HRc, le copeau se forme par localisation de déformation et il est en dents de scie pour une dureté d’environ 60 HRc. Ces trois morphologies de copeau ont été observées auparavant par d’autres auteurs [Poulachon 1999].

L’étude des efforts de coupe et des pressions spécifiques de coupe a permis de montrer les points suivants :

D’une manière générale, la pression spécifique diminue avec la vitesse de coupe. Toutefois il faut noter la présence de deux points caractéristiques à 200 m/min et à 500 m/min où le matériau change de comportement ;

A vitesse de coupe et dureté constantes, la pression de coupe diminue sensiblement avec l’augmentation de l’avance et de la profondeur de passe ;

Pour des duretés allant de 43 HRc à 53 HRc (cas avec carbures), la pression spécifique de coupe augmente. On note la présence d’un maximum à une dureté de 53 HRc après laquelle on observe une diminution de la pression de coupe ;

A des vitesses de coupe extrêmes (50 m/min et 300 m/min), considérées par les fabricants de plaquettes comme condition en dehors des conditions de travail, la présence de carbures diminue la pression de coupe. Par contre, c’est l’inverse qui se produit entre ces deux valeurs de vitesses.

Durant cette étude, nous avons aussi étudié l’évolution de l’état de surface en fonction des conditions de coupe. Il ressort que :

L’état de surface est meilleur pour de faibles avances et pour des vitesses de coupe élevées ;

Avec l’évolution de la dureté et pour des conditions de coupe constantes (Vc, f, et ap), il

est à noter la présence d’un minimum en valeur de rugosité (Ra et Rt) à 55 HRc ;

A conditions de coupe et dureté similaires, la microstructure avec carbures donne un état de surface meilleur que celui obtenu pour un état sans carbure.

L’analyse des contraintes résiduelles en fonction des différents paramètres de coupe s’est avérée particulièrement intéressante et originale. Elle nous permet d’en déduire que :

Pour des vitesses de coupe variables et avance, profondeur de passe, dureté et microstructure du matériau constantes, l’évolution des contraintes axiales superficielles présente un maximum en compression dans l’intervalle de vitesses entre 200 m/min et 250 m/min dans le cas avec carbures. Il est maximal entre 150 m/min à 200 m/min pour le cas sans carbure ;

Les contraintes maximales superficielles de compression sont obtenues pour une faible avance (0,05 mm), pour des vitesses de coupe entre 150 m/min et 200 m/min et pour des duretés élevées du matériau initial ;

La profondeur affectée augmente sensiblement avec la profondeur de passe (pour une vitesse de coupe, avance, dureté et microstructures données) ; en revanche, la contrainte et l’écrouissage en extrême surface restent inchangés ;

Dans le cas avec carbures et pour des conditions de coupe données, la variation de la dureté du matériau initial montre que la profondeur affectée augmente avec la dureté jusqu'à ce qu’elle atteigne son maximum à 56 HRc ; ensuite, elle diminue sensiblement avec l’élévation de la dureté ;

Pour des conditions d’usinage constantes, il est montré que l’absence de carbure génère des contraintes superficielles de compression plus élevées et des surfaces usinées très écrouies.

De l’ensemble des analyses, il est apparu que des vitesses de coupe allant de 150 m/min à 250 m/min pour le 100Cr6 avec carbures et de 100 à 250 m/min pour le 100Cr6 sans carbure et de faible avance favorisent la génération de contraintes résiduelles de compression en extrême surface. En plus de ces paramètres, la microstructure sans présence de carbure et la dureté élevée aident à la formation de contraintes de compression et la surface générée est plus écrouie. L’influence d’un revêtement sur la coupe est étudiée. Il ressort que le revêtement joue un rôle important sur la surface usinée. Il a peu d’effet sur les efforts de coupe mais a tendance à augmenter les contraintes résiduelles de compression en surface et à accroître la rugosité.

Les différences observées avec la littérature, s’expliquent par la différence existante entre la nature du procédé d’usinage utilisé. Dans notre étude sur le 100Cr6, nous avons étudié le cas d’une coupe tridimensionnelle contrairement à la plupart des auteurs qui traitent le cas d’une coupe orthogonale. La difficulté et la complexité des phénomènes intervenant pendant la coupe à l’interface outil-pièce-copeau rendent la comparaison difficile. Dans la zone de coupe, il y a couplage entre les phénomènes thermiques, mécaniques et métallurgiques et le découplage entre eux est impossible. Aussi, pour comparer nos résultats avec ceux de la littérature, il serait judicieux de les confronter avec des essais réalisés dans des conditions de coupe semblables dans une même configuration (coupe orthogonale ou chariotage). Ceci ne signifie pas qu’il n’est pas possible de déduire une conclusion, bien au contraire. Ces différentes études vont permettre de disposer d’une base de données expérimentales assez riche qui par la suite va aider à mieux comprendre la coupe, à optimiser la coupe et à valider des modèles numériques.

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La détermination du champ de température dans la zone de coupe en chariotage est faite à partir de la technique utilisant des caméras CCD-Infrarouge présentées précédemment. Un exemple de cartographie obtenue lors d’un essai de chariotage sur 100Cr6 et une vision dans le visible (avant essai) est présenté dans les Figure III-37a et Figure III-37b. La première caméra permet la visualisation du champ thermique relatif à l’émergence des zones ZII et ZIII, alors que la deuxième caméra permet une observation de

l’émergence de la zone ZI sur la face supérieure du copeau.

Par souci de précision, dans cette partie, nous n’avons pas présenté les résultats relatifs à la mesure du champ thermique de la coupe. En effet, on ne peut malheureusement pas connaître la température à l’interface outil-copeau en chariotage. Le copeau, très ondulant et continu vient s’interposer entre les caméras et la zone de coupe. Ainsi, il est difficile de définir la position de la plaquette par rapport au copeau (en-dessous ou au- dessus du copeau formé). La température ainsi mesurée peut correspondre à une température du copeau à un endroit inconnu. Compte tenu de la difficulté d’exploitation des cartes thermiques, nous avons décidé d’étudié la température de coupe en coupe orthogonale.

L’utilisation des caméras en coupe orthogonale va permettre de visualiser la zone de coupe et la zone latérale de coupe avec plus de précision. Connaissant les relations liant formation de copeau (couche blanche, transformation de phase…etc.) avec la température de coupe, nous avons décidé de consacrer le paragraphe suivant aux analyses thermique et microstructurale de la coupe dans la configuration de coupe orthogonale.

Figure III-37. Exemple de cartographie obtenue par caméra CCD-PIR en chariotage.

(b) Outil Copeau (a) Copeau Outil Zone de coupe Observation de la zone de coupe dans le visible

Champs thermiques

Face de coupe

Face latérale de coupe

Tmax=664°C