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Endommagement des outils de coupe :
Le choix des meilleures conditions d’usinage vis-à- vis de l’usure, que ce soit avec des vitesses conventionnelles ou à grande vitesse, cons iste à trouver les condiitions de coupe en tournage, en établissant un coompromis entre la vitesse de coupe et la duréede vie des outils.
La durée d’utilisation de l’outil étant limitée parson degré d’usure, il en résulte que le temps d’usinage sont en rappport direct avec l’usure. Le coût de l’usinagee, qui intéresse en définitive l’entreprise, est unne conséquence de latenue des outils à l’usu re. Les méthodes pour la recherche des conditioons opératoires d’un Couple Outil Matière m ettent en évidence la nécessité d’établir la capaacité d’usinabilitéantavtout autre mesure de ces caractéristiques
La qualité du travail d’un outil dans le processus d’usinage déppend de son degré d’usure. L’importance de cettee usure a une influenc directe sur :
-La qualité et la précisiion dimensionnelle de la surface obtenue -La tenue de l’outil dans le temps.
-La puissance nécessaire à la coupe.
La définition de la duréée de vieT d’un outil selon la norme ISO 36855 :
« C’est le temps de cou pe total d’un outil nécessairepour atteindre un critère de durée de vie spécifique».
Il faudra donc maîtriserr cette durée de vie ainsi que son évolutioon par rapport aux paramètres d’usinage. Dans laa pratique, on pourra amener cette durée de vie à des élément plus concrets sur le poste de trravail comme :
-Un volume de copeau produit entre deux changements d’arêt . -Un nombre de pièces usinées entre deux hangements d’arêtes. -Une longueur d’usinagee entre deux changements d’arêtes.
L’analyse du mécanissme de la coupe montre l’importance dees phénomènes de déformation plastique et de fissuration au sein du matériau usiné, mais aussi celle des phénomènes interfaciaux qui déterminent les actions réciproques del’outill et du copeau.
Dans l’usinage des méttaux, on constate que la formegéométrique et l’état physique d l’outil sont modifiés par l’action combinée des forces de coupe et par la température atteinte par le tranchant. Ces modificaations qui augmentent progressivement avec la durée d’usinage, sont couramment regroupées sous le terme usure de l’outil. (fig1.4).
Influence des paramètres de coupe sur l’usure :
On peut observer deux grands groupes de paramètres dans le processus de coupe.
Le premier est formé par la matière usinée et les onditionsc de coupe (vitesse de coupe, avance, profondeur de passe, lubrification) :
Vitesse de coupe : la température de coupe étant croissante avec la vitesse de coupe,ce paramètre aura une très grande influence sur l’usure.
Avance de coupe : Les grandes avances font augmenter l’intensité des efforts de coupe et diminuent la durée de vie de l’outil.
Profondeur de passe : La variation de la profondeur de passe modifie légèrement l’écoulement de la chaleur de long de l’arête tranchante et son influence reste modeste sur l’usure.
Matériau usiné : Son influence sur l’usure dépend de ses propriétés physiques (conductibilité thermique), de ses propriétés mécaniques (pression spécifique de coupe) et de ses propriétés chimiques (% de ces certains éléments d’addition).
Lubrification : Son influence permet une amélioration de 25% sur la durée de vie.
Méthodes de mesure des endommagements
Réduire l’usure des outils de coupe, soit par un choix optimisé des conditions de coupe, soit par la sélection du matériau d’outil le mieuxadapté, soit par l’emploi d’un matériau usiné moins endommageant, répond à un double souci :
-Quantitatif : réduire le coût des pièces usinées .
-Qualitatif : obtenir des surfaces ayant des géométries et micro géométries optimales.
Pour atteindre ces objectifs, il est nécessaire :
-Au minimum de pouvoir faire des bilans, c’est-à-di re de pouvoir mesurer, dans des bonnes conditions de précision et de reproductibilité, les conséquences de toute action concernant le trinôme matière usinée-outil-machine.
-Au mieux d’identifier les mécanismes d’endommagement et d’en déduire des innovations. -Quelle que soit la voie d’étude retenue, de capitaliser les résultats, de les organiser et de les utiliser en production avec l’assistance de l’o util informatique.
Méthodes d’examen et d’analyse de la surface des outils et des pièces usinées
Ces méthodes très diverses peuvent être plus ou moins longues, coûteuses, avec des équipements d’ateliers ou de laboratoires très spécialisés. L’examen d’un outil avec une bonne loupe devrait être une pratique courante d’atelier.On peut ainsi assez souvent identifier le ou les mécanismes endommageant. De même, l’examen sommairedu copeau ne doit pas être négligé : la micro géométrie de la surface qui a glissé sur’outil, de la surface externe, leur couleur, la dureté du copeau, sa fragilité, son épaisseur (comparée à l’avance) sont autant d’indications quasi gratuites. L’examen de la micro géométrie dessurfaces usinées et la comparaison des paramètres de description de celle-ci au profil théorique nécessite des équipements courants de métrologie. Il peut être utile d’identifier aussi’écrouissagel superficiel et de mesurer par rayons X les contraintes résiduelles. La quantification des paramètres macroscopiques d’usure, tels que le VB sur la face Aα ou le KT sur la face A peut être faite en atelier avec des équipements d’optique et de métrologie conventionnels.
L’identification de la nature du corps B nécessite les équipements lourds d’un laboratoire compétent en matériaux. Les analyses fines doiventêtre faites avec une microsonde sur des outils peu usés. La microscopie électronique à balayage permet d’examiner des outils très usés.
L’identification du corps B n’est pas toujours poss ible à partir de sa seule composition chimique (d’autant que selon la nature du corps A, on ne peut pas toujours faire un bilan complet de tous les éléments utiles). Certains auteurs utilsent les rayons X pour avoir une information sur la cristallographie des phases observées.
Méthodes de mesure des efforts et des puissances de coupe
Ces mesures sont nécessaires pour un choix optimisédes conditions de coupe valorisant les puissances installées. Elles sont précieuses pour neu description mécanique du système tribologique outil-pièce-copeau.
Les mesures de puissance ne posent pas de difficultés particulières tant que les courants et tensions sont sinusoïdaux (ce qui n’est pas toujour s le cas, en particulier avec des électro broches utilisant des variateurs de fréquence).
Les techniques employées pour mesurer les efforts de coupe ne doivent pas modifier la rigidité du contact outil-pièce. L’usage est quasi généralisé de n’utiliser que des capteurs contenant des quartzs piézoélectriques qui ont uneexcellente sensibilité, une très grande rigidité et une fréquence propre très élevée. Pour les signaux correspondant à des opérations de coupe discontinue, il est nécessaire de bien définir une politique d’échantillonnage (combien d’informations veut-on pendant une rotation de l’ou til, combien d’informations peut-on stocker, quelle est la fréquence d’acquisition, etc.).
Poste d’essai d’usinabilité instrumenté: un poste d’essai d’usinage, qu’il soit en atelier ou en laboratoire, est choisi avec un très grand soin. La machine-outil utilisée doit être de conception moderne, bien entretenue et utilisée en deçà des maxima de sa puissance et de sa vitesse de broche. Des équipements de mesures physiques adaptés doivent y être installés : mesure de puissance, capteur des composantes de l’effort de coupe, éventuellement lunette pyrométrique, accéléromètre, etc. Ces appareils sont reliés à une électronique performante (amplificateurs, filtres). Les mesures sont mémorisées sur ordinateur puis traitées, affichées sur écran et éditées sur table traçante ou imprimante.Un soin tout particulier est apporté à l’archivage des données dont le volume nécessite unstockage approprié, à l’étalonnage des appareils de mesure et à la maintenance de la machi ne d’essai.
Dans la coupe orthogonale l’outil exerce sur la pièce une force de coupe ou bien « Efforts de coupe ». Dans la pratique, on considère que ces efforts se repartissent suivant les deux directions principales définies par la direction de coupe et la direction d’avance. On répétera identiquement l’usinage pour que les lectures successives de flèches soient cohérentes pour le même outil, on fera varier successivement la naturede la matière façonnée sans toucher à la section du copeau, puis la section du copeau sans changer de matière façonnée. On en déduira que les efforts varient dans le même sens que la section du copeau et la ténacité de la matière ainsi que sa résistance. L’expérience met en évidence les trois actions de al matière sur l’outil à la résistance du métal à usiner dans la direction de l’avance et des forces de frottement, sa détermination est nécessaire dans le calcul de la igiditér de l’appui du mandrin et du mécanisme des avances de la machine-outil.
Composante radiale Fr : de même direction que le mouvement de profondeur (Fy), elle est la cause du fléchissement de l’ébauche sur le planhorizontal, diminue la pression d’usinage des ébauches longues et provoque les vibrations, non souhaitées.
Composante tangentielle Ft ; même direction que le mouvement de coupe (Fz), elle est la principale et la plus importante. Elle est la somme des actions des forces de résistance du métal : rupture, déformation du copeau, Frottement… etc.
La force résultante Fr est : F r F Z2FY2F 2X (1.4)
Notions du couple outil/matière
Pour qu’un outil fonctionne dans des conditions correctes, il faut que l’épaisseur de copeau générée soit comprise dans une certaine gamme.
-La valeur minimale est appelée copeau minimal et notée h min. Cette épaisseur minimale varie de quelques centièmes (2 à 3) jusqu’à quelques millimètres (de 1,5 à 2) et est influencée principalement par : la finesse de l’arête (valeurde la préparation d’arête différente d’un type d’outil à un autre), de la matière usinée, de la rigidité et de l’orientation de l’arête. Le fait d’usiner à grande vitesse de rotation (supérieure à 14 000 t r /mn en général) provoque un décalage de cette épaisseur minimale vers le bas.
– La résistance mécanique et thermique de l’arête dcoupe, la génération de vibrations par efforts de coupe trop importants impliquent la prise en compte d’une valeur maximale de l’épaisseur de copeau.
– De plus, la vitesse de coupe agit directement sur le mode de formation du copeau.
– Le non respect d’une vitesse de coupe minimale, notée Vc min entraîne inévitablement la formation d’un copeau adhérent (portion du copeau qui se colle sur la face de coupe de l’outil). Ce copeau adhérent provoque une « arête rapportéesur» l’outil générant des vibrations de coupe.
– Le respect d’une durée de vie d’outil technico-économiquement viable entraîne la prise en compte d’une vitesse de coupe maximale à respecter. La dimension économique est très importante.
En ce qui concerne l’usinage à grande vitesse, la notion de couple outil/matière ne suffit plus. Plus exactement, la broche (montée sur le bâti machine) intervient d’une manière si prépondérante pour le bon déroulement de l’usinage que la notion de triplet outil/matière/environnement est couramment employée (environnement désigne ici l’environnement du couple outil matière, principalement la broche).
Il apparaît donc que le bon déroulement d’un usinage dépend de plusieurs paramètres (liés à l’outil, la matière usinée, la pièce, la machine… ). La prise en compte de tous ces paramètres est indispensable dans la détermination des conditionsd’utilisation d’un outil.
Conditions d’utilisation d’un outil
Dans le but de déterminer les conditions optimales, Taylor [7] le premier et depuis de nombreux expérimentateurs ont cherché à établir leslois de la coupe, en particulier la relation entre la durée de vie de l’outil et la vitesse de coupe quand sont stabilisées un certain nombre de variables : dimensions de la section du copeau, matière de la pièce et de l’outil, géométrie de ce dernier. Ils sont parvenus, pour la plupart, à des formules semblables, mais les coefficients de celles-ci présentent une dispersion importante pourplusieurs raisons :
-deux matériaux de même composition chimique et de ême dureté peuvent avoir des usinabilités différentes.
-outils géométriquement différents.
-essais n’ayant pas porté sur le même champ des variables ci-dessus (en particulier vitesses de coupe).
-impossibilité d’éviter des erreurs de mesure dontl’effet cumulatif peut être important.
-durée de vie de l’outil dépendant d’autres variables méconnues telles que : état de surface des arêtes de coupe, finesse de l’arête, machinesutils-o elles-mêmes, mode de fixation de l’outil et de la pièce, forme et dimension de cette dernière,section d’outil, refroidissement, etc.
Essais en laboratoire sur la capacité de coupe
La seule méthode fiable de comparaison de performances des matériaux de coupe est la méthode couple outil/matière, une comparaison ne sera efficace que si elle est réalisée avec des données comparables. Par exemple, un des paramètresdu COM est Vc m/min c’est-à-dire la vitesse de coupe (m • min 1) en dessous de laquelle il ne faut pas descendre sous peine d’un mauvais fonctionnement de l’outil. L’expérience montre que ce Vc min dépend, entre autres, du couple nuance outil de coupe-matière usinée. Ce quiveut dire que deux nuances de carbure ou de céramique n’auront pas la même Vc min dans la mêmatière usinée. La comparaison de ces deux nuances ne pourra donc s’effectuer qu’aux vitesses de coupe supérieures à la plus grande des deux vitesses minimales de coupe.
Il est donc impératif, avant d’effectuer des essaiscomparatifs de deux nuances de coupe, de s’assurer que les comparaisons seront réalisées dans des zones communes à l’emploi des deux nuances.
Matériaux de coupe
Carbures métalliques
La famille des carbures métallique est née en 1923,ce sont des alliages frittés à base de carbure de tungstène (WC) des carbures de titane (TiC),de carbure de tantale (TaC) lié par le cobalt (Co). Ils permettent une vitesse de coupe dans l’acier jusqu’à 300m/mn, leur dureté varie au voisinage de 9HRC. [8].
Dès 1930 de nouveaux matériaux de type (Ti, Mo) C-Ni/Co/C ; Ta C-Ni ;(Ti, Ta)C-Co ; Tic-Vc-Ni/Fe ; ont été développés mais n’ont jamaispu concurrencer les carbures classiques à base de (WC). [9]
Les premiers carbures revêtus sont apparus sur le marché en 1969, le revêtement consiste en une couche mince (quelques microns d’épaisseur) de TiC obtenu par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et permet d’accroître la résistance à l’usure en dépouille de l’outil. Au début de l’année 1970 apparut le revêtement TiN qui permettait de combattre l’usure en cratère d’ou le développement aussitôt du revêtement bicouches (TiC + TiN), puis le revêtement de Ti(C, N), une troisième couche d’alumine (Al2O3) est apparut qui s’est montré efficace comme barrière à la diffusion du fer vers l’outil .et enfin d’autres types de revêtement ont été développés (salions ZrO2, SiC). [10,11]
Les premières applicati ons des carbures de coupe se sont faites sous forme de plaquettes à braser sur des corps d’outils en acier ordinaire, la partie active de ces outilss étant réaffûtée au fu et à mesure de son usure.
Vers 1958 ont été créés les outils à plaquettes amovibles (figure 1-6 ). Ce type d’outil a été rapidement adopté car les avaantages des plaquettesamovibles sont nombreux :
-suppression de l’affûtagge.
-absence de brasure, donnc une nuance plus dure peut souvent être utiliée (risque de crique éliminé).
-conditions de coupe pluus sévères
-indexage (repérage m écanique) de la plaquette pourremplacer une arête usée ou u changement de nuance plus rapide que le changement d’un outil brasé.
-affilage d’arête recommandé dans le tournage de l’acier, exécuté ‘une façon automatique par le fabricant de plaquettes alors que, pour l’outil brasé, il est réalisé à laa main par l’opérate.
Carbures métalliquees sans revêteme
La dureté des carbures méalliques (environ 1 500 à 2 500 HV), trèss supérieure à celle des aciers rapides surcarburés (HHRC 66 soit environ 865 HV), jointe à une résistance importante (résistance à la flexion de 800 à 2 200 MPa), ils sont les plus utilisés. Leurr dureté à chaud permet l’usinage jusqu’à une tempéra ture de 1 000° C.
La symbolisation des carbures a fait l’objet de la recommandation N F E 66-304 (ISO 513), les nuances y sont divisées en trois grandes catégories :
P : métaux ferreux à coppeaux longs ;
M : métaux ferreux à copeaux longs, à copeaux courts et métaux non ferreux ;
K : métaux ferreux à coppeaux courts, métaux non ferreux et matières non métalliques
Dans chaque catégorie,, un nombre allant de 01 à 50 indique la téénacité croissante et la diminution de la résistance à l’usure.
Les nuances modernes de carbures étant de plus en plus polyvalentes et performantes, il devient difficile de les classeer ainsi. Cela implique des difficultés croissantes pour établir des équivalences directes entre faabricants. La notion COM est là encore indispeensable pour classer et comparer les performances des différents carbures
Il est important de noteer que l’emploi de nuances de carbures nonn revêtus a quasiment disparu pour certaines technologies telles que les plaquettes amovibles de tournage.
Par contre, les carbures métalliques non revêtus sont de plus enn plus employés pour certains types d’outils en reemplacement de l’acier rapide. On peut citer : foret en carbure monobloc, foret à insert rapporrté en carbure, alésoir à plaquettes, al ésoir monobloc, taraud, insert brasé pour les outils de décollletage
RESULTATS DES EXPERIENCES, TRAITEMENT ET ANALYSE
D’après l’étude et l’analyse bibliographique, il ressort que :
– les carbures métalliques restent toujours les matériaux de coupe les plus utilisés dans nos ateliers mécaniques à cause de leur bon résultat enusinage classique (vitesse modérée) de leur prix (bon marché).
– les céramiques de coupe sont des matériaux à outil en pleine évolution, elles permettent des performances irréalisables avec les autres matériaux d’outil du point de vue :
-productivité
-coût, parce qu’elles sont utilisées dans l’usinage à grande vitesse, par conséquent une réduction considérable des temps d’usinage.
-elles offrent la possibilité d’usiner des matériaux difficilement usinables.
-elles permettent d’obtenir des qualités de surface, avec toute satisfaction, lors des opérations de finition.
Toutes ces performances nous ont poussés à faire l’étude comparative de quelques nuances de céramique de coupe et de carbures, alors nous avonsessayé de définir l’influence des éléments du régime de coupe sur deux paramètres technologiques d’optimisation, qui sont : l’usure et la rugosité, et par la suite définir les performancesdes différentes nuances de céramiques et de carbures utilisés.
Dans cette partie, nous présentons les résultats obtenuspar la méthode des plans d’expériences pour l’étude de l’évolution de l’usure et de la rugosité de 04 outils en céramique (AlO , Al2O3+ZrO2, Al2O3+ TiC, Al2O3+ TiC+ TiN) et le carbure P35 et de la rugosité des surfaces obtenue sous l’influence des paramètres du régime ed coupe à savoir:
-La vitesse de coupe
-L’avance
-La profondeur de passe
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Table des matières
CHAPTRE I : ETUDE ETANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Définition de la coupe des métaux
1.1.1 Définition de l’aptitude à l’usinage
1.1.2 Géométrie des outils
1.1.3 Description de la racine du copeau
1.1.4 Carte de température
1.1.5 Géométrie du copeau
1.2 Endommagement des outils de coupe
1.2.1 Influence des paramètres de coupe sur l’usure
1.2.2 Méthodes de mesure des endommagements
1.2.3 Méthode d’examen et d’analyse de la surface des outils et des pièces usinées
1.2.4 Méthodes de mesures des efforts et des puissances de coupe
1.2.4.1 Influence des composants de l’effort de coupe
1.2.4.2 Influence des propriétés mécaniques de la matière à usiner.
1.2.4.3 Influence de la géométrie de l’outil
1.2.4.4 Influence du liquide de lubrification et de refroidissement
1.3 Lois d’usure d’outil mesuré par des essais d’usinabilités
1.3.1 Choix des conditions de coupe en tournage (ISO3685)
1.4 Notion de couple outil/ matière
1.4.1 Condition d’utilisation d’un outil
1.4.2 Essais en laboratoire sur la capacité de coupe
1.5 Matériaux de coupe
1.5.1 Carbures métalliques
1.5.2 Carbures métalliques sans revêtement
1.5.3 Carbures métalliques avec revêtement
1.5.4 Céramiques
1.5.5 Les cermets
1.5.6 Diamants
1.5.7 Nitrure de bore cubique
1.6 Sélection des matériaux et vitesse de coupe
1.6.1 Utilisation des matériaux
1.6.2 Méthodologie du choix d’un matériau de coupe
1.6.3 Évolution des matériaux des outils de coupe
1.6.4 Texture des outils de coupe modernes
1.6.5 Les revêtements
1.7 Rôle de l’outil
1.8 Evolution des outils de coupes
1.9 Formation du copeau
1.9.1 Formation du copeau : méthode analytique
1.9.2 Formation du copeau : model numérique
1.10 Usure des outils
1.10.1 Mécanisme d’usure
1.10.2 Usure visible sur l’outil
1.11 Lubrification
1.12 Etat de surface des pièces usinées
EXPERIENCES
2.1 Essais préliminaires
2.1.1 Moyens de réalisation
2.1.2 Choix de la méthode
2.1.3 Plan d’expériences
2.2 Méthodologie de recherche
2.2.1 Méthode uni factorielle
2.2.2 Méthode multifactorielle
2.3 Préparation des expériences et équipements utilisés
2.3.1 Essais de longue durée (essais d’usure)
2.3.2 Essais de rugosité
2.3.3 Machine outil utilisée
2.3.4 Matériaux à usiner
2.3.5 Outil de coupe utilisé
2.3.6 Conditions de coupe
2.3.6.1 Données expérimentales
2.3.6.2 Appareil de mesure des efforts de coupe
2.4 Mesure des efforts de coupe
2.4.1 Données expérimentales
2.4.2 Forme et dimensions des ébauches
2.4.3 Plaquettes d’outils utilisées
2.4.4 Appareils de mesure des efforts de coupe
CHAPTRE III : RESULTATS DES EXPERIENCES TRAITEMENT ET ANALYSE
3. Résultats des essais d’usure et de la rugosité des surfaces
3.1 Résultats des essais d’usure des outils céramiques et de la rugosité des surfaces
3.1.1 Résultats des essais d’usure des outils céramiques
3.1.1.1 Résultats des essais d’usure des outils céramiques obtenues par la méthode uni Factorielle.
3.1.1.2 Traitement des Résultats des essais d’usure des outils céramiques obtenues par la méthode uni factorielle
3.1.1.3 Détermination des durées de vie des différentes nuances de céramique
3.1.2 Résultats des essais d’usure des outils céramiques obtenus par la méthode Multifactorielle
3.1.2.1 Traitements des résultats d’usure VB des outils céramiques
3.1.2.2 Analyses de l’évolution de l’usure
3.1.2.3 Déterminations des durées de vie des deux nuances céramiques
3.1.2.4 Model mathématique des tenus au travail
3.1.2.5 Analyse des Model mathématique des tenus au travail
3.1.3 Résultat des essais de rugosité
3.1.3.1 Analyse de l’évolution du critère d’état de surface Ra
3.1.3.2 Model mathématique des rugosités
3.1.3.3 Analyse des modèles de rugosités surfaces de la pièce en Acier 30CD12
3.2.1 Résultat des essais de l’usure et de la rugosité
3.2.2 Traitement des résultats d’usure des outils en carbure
3.2.2.1 Evolutions de l’usure VB des plaquettes P35 en fonction du temps
3.2.2.2 Analyses de l’évolution de l’usure
3.2..2.3 analyse des résultats des durés de vie obtenues par différents régimes de coupe
3.2.2.4 Histogramme des durées de vie obtenues par différents régimes de coupe pour P35 sur l’acier 30CD12
3.2.2.5. Histogramme des rugosités Ra obtenues par différents régimes de coupe pour P35 sur l’acier 30CD12
3.3 Calcul et modélisation des efforts de coupe
3.3.1 Résultat expérimentaux
3.3.2 Mesure des efforts de coupe obtenue par lecture directe
3.3.3 Lecture des efforts de coupe sur ordinateur
3.3.4 Analyse des signaux reconstitués
3.3.5 Modélisation des efforts de coupe
3.3.6 Logiciel développé pour le calcul mathématique des efforts de coupe
3.3.7 Analyse de l’influence d’un paramètre (graphe 2D)
CHAPTRE IV : TENDANCE ACTUELLE DANS LA RECHERCHE DES MATERIAUX DE COUPE
4 Objectif recherchés
4.1 Présentation des données
4.1.1 Matériaux proposés et leurs performances
4.1.2 Environnement des expériences
4.1.3 Conception préliminaire des plaquettes
4.2 Modélisation proposée à l’effort de coupe
4.2 .1 Efforts du à l’action de coupe
4.2 .2 Action réciproque de la pièce et de l’outil
4.2 .3 Etude simplifié de la formation du copeau
4.2 .4 Détermination de l’effort de coupe Fc et l’effort d’avance Ff
4.2. 5 Modélisations de la température
4.2 .6 Résolution du problème
4.2 .7 Organisation du calcul
4.2 .8 Programme de calcul en annexe
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie
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