Soutenance mémoire
Influence du mode de lubrification
Plusieurs études ont prouvé que la lubrification à quantité minimale présente un compromis entre l’usinage à sec et l’usinage à lubrification abondante amenant à de meilleurs résultats du point de vue intégrité de surface. (Sreejith, 2008), (Dhar et al., 2006), (Kouam et al., 2012), (Ramana et al., 2014). Plusieurs travaux se sont focalisés sur la réduction de la quantité des fluides de coupe comme solution aux divers problèmes économiques, environnementaux et juridiques liés à l’usinage conventionnel afin d’assurer un usage optimal de la lubrification afin d’aboutir à de meilleurs résultats du point de vue qualité de surface. Sreejith a analysé les effets de l’usinage à sec, à quantité minimale de lubrification et à lubrification abondante sur la rugosité en tournage de l’alliage d’aluminium 6061-T6. Une étude comparative a mené au fait que la quantité minimale de lubrification peut remplacer la lubrification abondante. La MQL a donné des résultats semblables à ceux de la lubrification abondante (figure 1.4) et est la plus adéquate afin d’améliorer l’usinabilité et pour le respect de l’environnement et des raisons économiques (Sreejith, 2008) (figure1.4)
Dhar et al. ont conclu, suite à une étude expérimentale sur l’acier AISI-4340, que l’usinage à quantité minimale de lubrification est meilleur que l’usinage à lubrification abondante et que l’usinage à sec en fournissant une rugosité de surface améliorée due à la réduction de l’usure et les dommages qui peuvent avoir lieu à la pointe de l’outil de coupe (Dhar et al., 2006) (figure 1.5). Les travaux de Kouam et al. (Kouam et al., 2012) ont montré qu’à différentes conditions de lubrification, la vitesse de coupe n’intervient pas sur la rugosité de surface en usinage en tournage de l’alliage d’aluminium 6061-T6. Cependant, ils ont montré qu’elle dépend essentiellement de la vitesse d’avance qui a présenté le meilleur état de surface pour une valeur minimale (figure 1.6). Leppert a analysé l’influence de la vitesse d’avance sous différentes conditions de lubrification sur la rugosité de surface. Il a constaté que l’augmentation de la vitesse d’avance entraine une augmentation de la rugosité de surface et que la quantité minimale de lubrification garantit un meilleur état de surface permettant aussi d’améliorer les conditions écologiques d’usinage en évitant d’utiliser beaucoup de fluide de coupe ou d’usiner à sec (Leppert, 2011) (figure 1.7).
Influence des paramètres de coupe sur les contraintes résiduelles
Une surface intègre est une surface qui présente toutes les qualités nécessaires afin d’assurer une utilisation optimale et une durée de vie satisfaisante. Parmi ces qualités à contrôler et d’un point de vue mécanique, une pièce doit absolument être capable de supporter les chargements mécaniques auxquels elle sera soumise une fois en service. Les contraintes résiduelles, qui sont des contraintes statiques auto-équilibrées existant dans un solide en équilibre soumis à aucune sollicitation externe, sont l’une des composantes principales de l’intégrité de surface. En usinage, ces contraintes peuvent être générées par la séparation du matériau au niveau de l’arête de coupe, ce qui engendre une augmentation de la température à la surface et une déformation plastique non homogène. Les propriétés du matériau usiné, les caractéristiques et états d’usure des outils de coupe, et les conditions de coupe influent sur l’état des contraintes résiduelles (Cordebois et Colombié, 2008) . Les contraintes résiduelles peuvent être classées en fonction de leurs échelles d’apparition en trois catégories. La figure 1.8 illustre les trois ordres des contraintes résiduelles (Lu, 2006). Les contraintes d’ordre I, ou contraintes macroscopiques, sont des contraintes homogènes qui s’étendent sur plusieurs grains à l’échelle de quelques dixièmes de millimètre. Quant aux contraintes d’ordre II, ou contraintes microscopiques homogènes, sont des contraintes homogènes qui s’étendent sur de petits domaines, c’est-à-dire sur un grain ou une portion de grain à quelques dizaines de micromètres. Les contraintes d’ordre III, ou contraintes microscopiques hétérogènes, sont, quant à elles, des contraintes qui s’étendent sur quelques distances interatomiques à une échelle de quelques dizaines de nanomètres. Dans un matériau, la superposition des trois ordres nous renseigne sur l’état des contraintes résiduelles d’un point de vue macroscopique et d’un point de vue microscopique.
Plusieurs travaux sur la prédiction des contraintes résiduelles en tournage ont été élaborés en optant pour différentes approches scientifiques soient expérimentalement, analytiquement ou numériquement. Pour ce qui est de l’approche expérimentale, des études ont mis le point sur l’influence des paramètres de coupe tels que la vitesse d’avance, la profondeur de passe, la vitesse de coupe et le rayon du bec de l’outil. À chaque modification du paramètre de coupe, les contraintes résiduelles sont obtenues à l’aide de plusieurs méthodes de mesures non-destructives telle que la technique de diffraction des rayons X. Dans ses travaux de recherche sur l’acier, Capello (2005, 2006) a identifié l’effet de la vitesse d’avance, du rayon du bec de l’outil, de la profondeur de passe et de l’angle d’attaque sur trois aciers différents du point de vue propriétés mécaniques, sur les contraintes résiduelles. Cela a été mené en optant pour la méthode des plans d’expérience et une analyse ANOVA suite à l’usinage en tournage et des mesures des contraintes par la méthode de diffraction des rayons X. La variation des contraintes résiduelles est illustrée dans la figure 1.9, où l’avance et le rayon de bec de l’outil sont les paramètres les plus influents et figurent dans le modèle de prédiction proposée. De plus, Capello et al.(Capello et al., 1999) ont abouti, dans leurs études sur les aciers C45 et 39NiCrMo3 usinés en tournage, au fait que, principalement, les contraintes résiduelles de surface obtenues sont essentiellement de traction. Ces contraintes sont influencées par la vitesse d’avance et par le rayon du bec de l’outil. L’angle d’attaque et la vitesse de coupe n’ont présenté qu’une influence négligeable. (figures 1.10 et 1.11).
Jang et al. ont étudié les effets de la vitesse d’avance, de la profondeur de passe et du rayon du bec de l’outil en tournage sur les contraintes résiduelles de l’acier inoxydable AISI 304. Ils ont conclu que le rayon du bec de l’outil a l’effet le plus significatif (Jang et al., 1996). Garcia Navas et al. ont étudié l’effet de la vitesse de coupe, de la vitesse d’avance, du rayon du bec et du revêtement de l’outil. Ils ont conclu que l’augmentation du rayon du bec de l’outil entraine des contraintes résiduelles de traction plus élevées à cause de l’élévation de la température due au frottement dans la zone de coupe où la pression par unité de surface diminue, ce qui entraine une plus faible déformation plastique. Pour ce qui est de la vitesse d’avance, plus elle augmente, plus les contraintes résiduelle augmentent (García Navas et al., 2012). Les travaux de Gunnberg et al. ont montré que les contraintes résiduelles de compression augmentent avec l’augmentation de la vitesse d’avance lors de l’usinage en tournage de l’acier 18MnCr5, et que la valeur des contraintes résiduelles de compression diminuent avec l’augmentation du rayon du bec de l’outil. (Gunnberg et al., 2006). Les travaux de Javidi et al. viennent appuyer cette constatation (Javidi et al, 2008). Dahlman et al. ont expliqué dans leur étude sur l’influence de l’angle de coupe, de la vitesse d’avance et de la profondeur de passe sur les contraintes résiduelles que la profondeur de coupe n’affecte pas les contraintes résiduelles et que l’augmentation de la vitesse d’avance entraine la génération de contraintes résiduelles plus compressives (Dahlman et al., 2004). Da Silva et al. ont prouvé que la MQL n’a pas d’effet néfaste sur l’intégrité de surface. Tous leurs tests, dont le mode MQL a présenté les plus grandes valeurs, ont enregistrés des contraintes résiduelles de compression (da Silva et al., 2007).
Méthodologie des plans d’expériences
La méthodologie des plans d’expériences est l’une des méthodes les plus utilisées en recherche et développement afin d’améliorer la qualité dans le milieu industriel. Le but principal est de déceler les facteurs principaux ayant un effet significatif sur une ou plusieurs réponses en exécutant un certain nombre d’essais expérimentaux et d’aboutir à une prédiction par modélisation exprimant la relation entre chaque réponse et les facteurs sélectionnés en vue d’optimisation d’une ou de plusieurs réponses simultanément. Plusieurs auteurs ont utilisé la stratégie des plans d’expérience afin d’étudier l’influence des conditions de coupe sur l’intégrité de surface de point de vue rugosité et présence de contraintes résiduelles. Kandananond a utilisé la stratégie des plans d’expérience pour obtenir les meilleures conditions de coupe qui minimisent la rugosité de surface. Il a abouti à un modèle de prédiction qu’il a jugé satisfaisant dans le domaine de variation des facteurs qu’il a étudiés et qui sont la vitesse de coupe, la profondeur de coupe et la vitesse d’avance (Kandananond, 2009). Makadia et Nanavati ont développé un modèle de surface de réponse quadratique de la rugosité de surface en tournage de l’acier AISI 410 en fonction des paramètres de coupe. Ils ont conclu que la vitesse d’avance est le paramètre le plus influent, suivi du rayon du bec de l’outil et de la vitesse de coupe. Suite à une optimisation, ils ont abouti à une combinaison optimale des paramètres d’usinage étudiés qui s’est avéré concluante avec un pourcentage acceptable (Makadia et Nanavati, 2013). Puertas Arbizu et Luis Perez ont montré qu’un plan d’expériences factoriel combiné avec des techniques de régression peut être appliqué afin de modéliser le comportement de réponses en fonction de plusieurs variables. Ils ont abouti à un modèle polynomial de deuxième degré décrivant la rugosité de surface en fonction de la vitesse d’avance, de la vitesse de coupe et de la profondeur de passe (Puertas Arbizu et Luis Perez, 2003).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Principes d’usinage
1.3 Processus de coupe
1.4 Influence des paramètres de coupe sur l’état de surface
1.4.1 Influence de la vitesse d’avance
1.4.2 Influence du rayon du bec de l’outil
1.4.3 Influence du mode de lubrification
1.5 Influence des paramètres de coupe sur les contraintes résiduelles
1.6 Méthodologie des plans d’expériences
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE
2.1 Introduction
2.2 Système technologique
2.2.1 Machine d’usinage
2.2.2 Outil de coupe
2.2.3 Matériaux
2.2.4 Modes de lubrification
2.2.5 Pièces
2.3 Équipements de mesure
2.3.1 Rugosité
2.3.2 Contraintes résiduelles
2.3.3 Essais de traction avec extensomètre
2.4 Plan d’expériences
2.4.1 Procédure et sélection de plan
2.4.2 Codage des variables
2.4.3 Modèles de prédiction
2.4.4 Analyse des résultats
2.4.5 Validation du modèle
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 ÉTAT DE SURFACE
3.1 Introduction
3.2 Définition des paramètres de rugosité
3.3 Résultats et analyse
3.3.1 Exemples de profils de rugosité de surface
3.3.2 Facteurs à effets significatifs sur les paramètres de rugosité
3.3.3 Étude des interactions et des effets principaux
3.3.4 Étude des paramètres de rugosité
3.3.5 Modélisation des équations de prédiction et surfaces de réponse
3.3.6 Optimisation de la rugosité de surface arithmétique Ra
3.3.6.1 Optimisation pour l’usinage à sec
3.3.6.2 Optimisation pour l’usinage à quantité minimale de lubrification MQL
3.3.6.3 Usinage à lubrification abondante
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 CONTRAINTES RÉSIDUELLES
4.1 Introduction
4.2 Analyse des contraintes résiduelles
4.2.1 Étude des effets principaux et des interactions sur les contraintes résiduelles
4.2.2 Analyse Pareto des contraintes résiduelles
4.2.3 Analyse de l’homogénéité de la variance pour les contraintes résiduelles
4.2.4 Analyse des résidus pour les contraintes résiduelles
4.2.5 Contours de la surface de réponse estimée pour les contraintes résiduelles
4.3 Modélisation des équations de prédiction des contraintes résiduelles
4.3.1 Modélisation des contraintes résiduelles pour le 2024-T4
4.3.2 Modélisation des contraintes résiduelles pour le 6061-T6
4.4 Optimisation des contraintes résiduelles
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSISTANCE À LA TRACTION
5.1 Introduction
5.2 Analyse des résultats
5.2.1 Étude des effets principaux et des interactions sur les contraintes ultimes
5.2.2 Étude des effets principaux et des interactions sur les contraintes à la rupture Rm
5.2.3 Étude des effets principaux et des interactions sur les contraintes élastiques Re
5.3 Modélisation des équations de prédiction des contraintes à la traction
5.4 Surfaces de réponses
5.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
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