La qualite de surface – son importance en tribologie

Les industriels et en particulier ceux en rapport avec l’industrie mécanique sont souvent préoccupés par la recherche de nouvelles solutions et des méthodes permettant l’amélioration de la qualité des surfaces des produits manufacturés. En effet, au cours de leurs mises en service, les surfaces des pièces sont les plus exposées aux agressions telles que l’usure, la corrosion et la fatigue, ce qui compromet leurs fonctionnements et réduit leurs durées de vie. En générale, lors du fonctionnement d’un système mécanique, c’est au niveau de la surface que se produisent les phénomènes de frottements, de grippage, où les couches superficielles sont fortement influencées par la qualité de finition de la surface ainsi que les conditions de fonctionnement telles que la lubrification, la température et les sollicitations.

Lors de leur fabrication, les surfaces présentent des irrégularités qui sont dues au passage de l’outil et aux vibrations de la machine-outil, ce qui se manifeste par des défauts de troisième et quatrième ordre, caractérisés par la rugosité. L’étude du comportement de cette dernière est un élément important et peut contribuer à augmenter les performances et la durée de vie des mécanismes, car la rugosité est un paramètre qui peut être contrôlé dès la conception des pièces [1]. Le plus souvent l’écart arithmétique moyen “Ra” constitue un paramètre pertinent et est considéré comme indicateur de la qualité de surface, or ce paramètre ne reflète pas réellement le profil de rugosité. En effet plusieurs profils différents peuvent avoir la même rugosité “Ra”. Afin d’apporter une meilleure appréciation, l’état de surface peut être approché par la géométrie fractale. Cette approche a été déjà testée dans des applications concrètes comme le contact inter aspérités où une modification de la topographie de surface due à l’usure ou au procédé d’usinage peut se traduire par une simple variation de la dimension fractale “Df” [2]. Cette dernière permet d’estimer le degré des irrégularités et de brillance des surfaces usinées [3]. Elle a été introduite dans beaucoup de domaine de l’ingénierie en particuliers dans la mécanique de contact pour caractériser l’aire réelle des surfaces de contact et décrire l’endommagement de la topographie de surface engendrée par l’usure et les frottements. De nos jours le secteur industriel est plus exigeant sur le plan spécification des caractéristiques des surfaces réalisées par différents procédés de finition. Parmi ces procédés, les traitements mécaniques de surface (TMS) en l’occurrence, le brunissage qui en opérant sans perte de matière, confère aux surfaces traitées une amélioration des propriétés physique et géométrique grâce à la déformation plastique des couches superficielles.

Son application est conditionnée par l’aptitude des matériaux à subir une déformation plastique superficielle (D.P.S) [4]. Parmi ces matériaux les alliages non ferreux tels que les alliages d’aluminium qui sont reconnus pour leurs ductilité et aptitude à subir des déformations plastiques sous l’action d’une force de pression leur permettant d’améliorer leurs caractéristiques mécaniques. Bien que ce procédé ait été utilisé dans beaucoup d’expérimentations, il est indispensable de les adapter et d’apporter d’autres perspectives afin de répondre aux exigences actuelles de l’industrie.

LA QUALITE DE SURFACE – SON IMPORTANCE EN TRIBOLOGIE 

L’état de la couche superficielle d’une surface et sa micro-géométrie (Rugosité) sont les principaux éléments qui définissent sa qualité [5,6], en conséquence la rugosité joue un rôle crucial dans l’évolution des phénomènes de frottement, usure, lubrification et fatigue [7] des contacts mécaniques. Par ailleurs, lors de la fabrication l’état de surface d’une pièce est quantifié par sa rugosité qui représente les irrégularités dues aux procédés de mise en œuvre. Au cours des dernières années des progrès technologiques ont été réalisées pour maitriser de façon précise l’état de surface en l’occurrence la rugosité [8]. Le processus de finition joue un rôle important dans la détermination de la qualité des surfaces qui devant être réalisées. Ce chapitre s’articule autour de l’importance de l’état de surface en tribologie faisant intervenir un aperçu sur l’historique de la tribologie, les frottements, l’usure et la lubrification. Les principaux paramètres de rugosité contribuant dans les fonctionnalités des surfaces ont été présentés. L’approche fractale a été introduite afin de caractériser la qualité de surface et montré son importance dans différents phénomènes (frottement, usure…etc) à travers les revues de littérature. A la fin de ce chapitre, l’importance des procédés de traitement mécanique superficielle (TMS) dans le fini de surface a été exposée, en particulier le brunissage à la bille où des revues de littératures ont été citées afin de montrer l’extension de son application.

Historique de la tribologie

Au cours des dernières décennies la tribologie a pris un élan considérable [9], bien que ces effets se soient manifestés depuis la genèse de l’univers ce pendant les notions de frottement et d’usure remontent à la plus lointaine antiquité et ont accompagné les progrès de l’humanité. L’historique de la science est orné des faits marquants liés à la tribologie dont on peut citer les plus importants [6].
– Les égyptiens 2400 avant J-C avaient déplacé une statue dont le poids a pu être estimée à soixante tonnes sur un chemin de bois posé sur le sol sablonneux et lubrifié avec de l’eau versée à l’avant du traîneau Figure I.1. L’importance de la lubrification est ainsi déjà reconnue à cette lointaine époque.
– Les sumériens 700 ans avant J-C avaient déplacé une statue lourde. La figure I.2 illustre ce concept où on peut observer à l’avant de la statue plusieurs personnes ayant la charge de glisser des rondins cylindriques sous la Statue afin de faciliter le déplacement de cette dernière [7].
– La période moyen âge des progrès dans les technologies liées au contact ont réapparu ils portent sur l’utilisation du système bielle manivelle pour puiser de l’eau, entre XIII et XIV ème siècle (Figure I.3), et les huiles végétales et animales pour la lubrification.
– A la renaissance des nouveaux concepts dans la science ont relancé la progression de la prise de conscience des problèmes de tribologie. En effet, Léonard de Vinci entre 1452- 1519 et Coulomb entre 1737-1806 ont utilisé des dispositifs pour étudier le frottement de glissement (Figure I.4) [10].
– Plus récemment des scientifiques connus ont abordé les difficultés rencontrés en tribologie d’une façon descriptive puis quantitative tels que :
❖ les expressions des premières lois de frottement ont été élaborées par AMONTONS en 1699.
❖ La prise en considération de l’influence de l’état de surface sur les frottements par Belidor en 1737
❖ L’introduction de l’angle de frottement par Léonard Euler 1750 en utilisant l’approche analytique.
❖ Finalisation des lois de frottements par Coulomb en 1782.
– Au début du XIXième siècle le domaine de lubrification fût développé par beaucoup de mathématiciens tels que Navier et Stoks en 1822 qui proposent les équations générales du mouvement des fluides en tenant compte leur frottement interne, Gustav Adolph Hirn 1847 qui a travaillé sur la lubrification hydrodynamique. C’est à la fin XIXième siècle que Reynolds en 1886 apporta l’approche scientifique du roulement et la lubrification [9] et en 1971 l’équipe de Kenneth L. Johnson à Cambridge a réalisée le couplage entre élasticité et énergie superficielle permettant de comprendre le phénomène d’adhérence naturelle des solides [6].

L’approche industrielle de l’usure a changé au cours de ce siècle, quelques décennies auparavant l’ingénieur devait fabriquer des équipements qui fonctionnaient. Aujourd’hui, l’utilisateur est de plus en plus exigeant sur la longévité de ces équipements. La prédiction de la durée de vie d’un système frottant, ainsi que la compréhension des mécanismes du frottement et de l’usure constituent le problème actualité.

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Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : LA QUALITE DE SURFACE – SON IMPORTANCE EN TRIBOLOGIE
I.1 Introduction
I.2 Historique sur la tribologie
I. 3 Contexte scientifique de la tribologie
I.4 La tribologie
I.4.1 Les frottements
I.4.2 L’usure
I.4.2.1 Usure par abrasion
I.4.2.2 Usure par adhésion
I.4.2.3 Usure par corrosion
I.4.2.3 Usure par fatigue
I.4.3 Lubrification
I.5 Rôle de la surface en tribologie
I.6 Etat de surface système mécanique
I.6.1 Définition d’un état de surface
I.6.2 Relation entre qualité de surface (état de surface) et rugosité
I.6.3 Définition de la rugosité
I.6.4 Les différents paramètres de rugosité
I.6.4.1 Les principaux paramètres d’amplitude
❖ Ecart arithmétique moyen “Ra”
❖ Rugosité moyenne quadratique “Rq”
❖ Le coefficient de symétrie “SK”
❖ Le coefficient d’aplatissement “EK”
I.6.4.2 Les principaux paramètres d‘espacement
• l’espacement moyen entre pics du profil “Rsm”
• Le nombre de point hauts “Pc”
I.6.4.3 Les paramètres Fonctionnels
I.6.5 Importance de la topographie et des paramètres (3D) d’une surface
I.6.5.1 Paramètres d’isotropie
I.6.5.2 Paramètres fonctionnels de volume
I.6.6 Relation entre l’état de surface et fonctionnalité d’une pièce
I.6.7 Différence entre Profil de rugosité de surface et l’indice de rugosité Ra
I.7 Introduction sur la géométrie fractale
I.7.1 Caractérisation fractale des profils de rugosité de surface
I.7.2 Introduction de la géométrie fractale dans la caractérisation des surfaces usinées
I.8 Procédés de traitement mécanique
I.9 Conclusion
CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES EXPERIMENTALES
II.1 Introduction
II.2 Matériels utilisés pour l’expérimentation
II.2.1 Matériau
II.2.1.1 Composition chimique du matériau
II.2.1.2 Microstructure
II.2.1.3 Mesure de la Dureté
II.2.1.4 Mesure de la micro dureté
II.2.1.5 Essai de traction
II.2.2 Outil de coupe
II.2.3 Dispositif de brunissage
II.2.4 Machine outil
II.3 Méthodologie expérimentale
II.4 Mesure de rugosité
II.4.1 Mesure 2D (profil)
II.4.2 Mesure 3D (surface)
II.5 Montage des pièces
II.6 Préparation des échantillons sur tour
II.7 Traitement par brunissage
II.7.1 Traitement de la pièce 2
II.7.2 Traitement de la pièce 3
II.8 Conclusion
CHAPITRE III : MESURE ET TRAITEMENT DES DONNÉES
III.1 Introduction
III.2 Procédure de mesure
III.3 Mesure et traitement des données relatifs à la pièce
III.4 Résultats de mesures relatifs à la pièce (2) après l’opération de brunissage
III.4.1Traitement des résultats de mesure (cas 2D)
III.4.1.1 Rugosité “Ra”
III.4.1.2 Dimension fractale d’un profil “Dfp”
III.4.2 Traitement des résultats de mesure (cas 3D)
III.4.2.1 Dimension fractale surfacique “Dfs”
III.4.2.2 Paramètres de volume
– Le volume de la matière des pics “Vmp”
– Le volume de matière du cœur “Vmc”
– Le volume du vide des vallées “Vvv”
III.4.2.3 L’indicateur d’isotropie “Str”
III.4.3 Traitement des résultats de mesure de la dureté superficielle “Hv”
III.5 Résultats des mesures relatifs à la pièce
III.5.1 Surface non traitée
III.5.2 Surface traitée par brunissage
III.5.2.1 Régime optimal correspondant à “Ra”
III.5.2.2 Régime optimal correspondant à “Dfp”
III.6 Conclusion
Conclusion générale

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