Soutenance mémoire
GENERALITES SUR LA COUPE DES METAUX
La coupe de métaux, procédé d’usinage dont l’origine est très ancienne, a connu une grande expansion avec la mécanisation de plus en plus poussée des ateliers de fabrication. Malgré l’apparition de nouvelles techniques au cours des dernières années, elle reste à l’heure actuelle l’un des procédés les plus largement utilisés. Pour se convaincre de son importance économique, il suffit de considérer le volume des dépenses faites aux U.S.A. pour l’usinage des métaux. Il représente 5% du produit national brut, ce qui est énorme pour une seule technique [1] [2]. La recherche d’une productivité toujours meilleure de la coupe des métaux est donc une préoccupation majeure. Cette amélioration permanente repose plus ou moins directement sur l’étude approfondie des mécanismes physiques et des lois régissant ce procédé. Celle-ci reste donc un objectif essentiel. Son intérêt ne peut être éclipsé par le développement de nouveaux moyens d’usinage ou de nouvelles techniques de commande et de programmation même si ces derniers points participent aussi au développement de la fabrication à grande vitesse. La mise en œuvre rationnelle de ces techniques passe en effet par une connaissance approfondie du processus de coupe et une maîtrise des paramètres qui le contrôlent.
Définition de la coupe
Afin de mieux situer les techniques, on peut dire que la coupe des métaux intervient dans un ensemble de procédés d’élaboration de pièces, par enlèvement de matière en quantités pouvant représenter une proportion notable du matériau brut. Cet enlèvement est alors réalisé par l’action d’un outil possédant un ou plusieurs tranchants de section convexe animé d’un mouvement relatif à la pièce appropriée. Une machine outil fournit à la fois la puissance mécanique nécessaire et réalise le contrôle du mouvement relatif. Les outils de coupe sont habituellement identifiés par leur forme, adaptée à une opération d’usinage, et leur matière. La partie active, le plus souvent amovible (alors appelée plaquette) est maintenue sur le corps d’outil par un moyen de fixation approprié. En résumé, l’usinage par enlèvement de copeaux désigne l’ensemble des techniques qui permettent d’obtenir une surface par enlèvement de matière à l’aide d’un outil tranchant. Cette technique ancienne est souvent appelée coupe onéreuse dans la mesure où la mise en forme de la pièce entraîne une transformation de matière noble en déchets (copeaux). Cependant, elle reste une technique de fabrication importante et répandue .
L’étude des divers modes de mise en œuvre de la coupe des métaux
A partir de la définition précédente plusieurs critères de mise en œuvre peuvent être dégagés [3]. Une classification peut être envisagée en fonction de :
a) la nature du mouvement relatif outil/pièce et accessoirement des mouvements outil/bâti de la machine (translation, rotation, mouvement hélicoïdal, …),
b) la géométrie de la surface usinée : plane, de révolution concave ou convexe,
c) la géométrie de l’ensemble outil/pièce.
Cette classification suggère les différents cas que l’on peut rencontrer dans l’étude des phénomènes de coupe, ces divers cas se différencient par une complexité plus ou moins grande, suivant la nature des mouvements relatifs outil/pièce, la multiplicité des tranchants et la variabilité des profils d’arête et des conditions locales. Dans les études fondamentales, on s’efforce de définir de façon univoque et la plus simple possible un certain nombre de paramètres mesurables, en vue de conduire l’analyse et l’exploitation des résultats. Malgré le caractère restrictif de ces choix, la généralisation des résultats ainsi obtenus est recherchée ensuite. Elle est parfois difficile à établir .
Les autres cas que l’on peut rencontrer relèvent en effet des mêmes lois fondamentales. Ainsi dans le cas d’un outil dont le ou les tranchants travaillent dans des conditions variables suivant le point considéré de l’arête (forêt par exemple) on peut décomposer ce tranchant en plusieurs segments de petites dimensions opérant chacun dans des conditions déterminées (Vc, angles caractéristiques…) et constituant autant d’outils élémentaires assimilables à l’outil de base précédemment défini[4] [5].
Définition de l’usinabilité
L’usinage est exclusivement une opération de mise en forme par outil coupant avec formation de copeaux. Il a pour but de fabriquer des pièces avec une précision macro géométrique et micro géométrique imposée. Pour un prix de revient minimal [6], la solution adoptée en pratique, sera toujours une affaire de compromis car en dehors des progrès techniques, toute précision n’est accrue qu’en augmentant le prix de revient. Ceci permet de définir deux premiers critères caractérisant l’aptitude à l’usinage et qui seraient donc:
● La précision de cotes macro et micro géométriques,
● Le prix de revient.
D’autres facteurs qui définissent l’aptitude à l’usinage sont :
● La durée de vie de l’outil (endommagement des outils),
● L’état de surface,
● Les efforts de coupe,
● La morphologie du copeau.
Les mesures des cotes macro et micro géométriques et des efforts de coupe sont des mesures instantanées. Elles demandent un matériel adapté [7] qui est rarement mis en œuvre en permanence dans le cadre d’une production continue. En ce qui concerne les mesures relatives à la durée des outils, elles sont longues et délicates et demandent un temps considérable lorsqu’elles sont faites dans des conditions de production industrielles. En pratique, les variations d’usinabilité sont telles que, malgré l’utilisation de notions telles que celles de vitesses de coupe minimales ou d’avances minimales, il arrive d’obtenir des temps de tenues d’outils pratiquement nuls ou même des casses d’outil, ce qui est particulièrement coûteux. Les avantages industriels du maintien dans les limites aussi étroites que possible de l’usinabilité sont donc certains. Ceci est valable quelle que soit le facteur d’aptitude à l’usinage considéré. Cependant l’usage fait apparaître que le facteur qui concerne la tenue des outils a une importance majeure .
Usinage à sec
Les initiatives gouvernementales concernant la prévention de la pollution et le respect de l’environnement, de la sécurité et de la santé des populations exercent une pression croissante sur l’industrie afin qu’elle minimise ses rejets. Les industries du travail des métaux sont particulièrement concernées, notamment pour l’utilisation des fluides de coupe en usinage. L’usinage à sec est écologiquement souhaitable et devrait bientôt devenir incontournable. L’usinage à sec des aciers et des alliages à hautes caractéristiques mécaniques passe par la réalisation de nouveaux revêtements d’outils et l’optimisation des conditions de coupe. Les revêtements doivent être suffisamment durs et résistants pour travailler ces matériaux et avoir des propriétés autolubrifiantes afin de remplacer les fluides de coupe. Certains sont déjà disponibles et d’autres sont à l’étude.
Le fraisage
Le fraisage est, dans son principe, un procédé de fabrication mécanique par coupe (enlèvement de matière) faisant intervenir, en coordination, le mouvement de rotation d’un outil à plusieurs arêtes (mouvement de coupe) et l’avance rectiligne d’une pièce (dit mouvement d’avance). Aujourd’hui, toutefois, et on a également un déplacement de l’outil par rapport à la pièce, lequel peut s’effectuer pratiquement dans n’importe quelle direction. L’outil de fraisage, la fraise, comporte plusieurs arêtes de coupe dont chacune enlève une certaine quantité de métal sous forme de copeaux .
Paramètres de coupe
Pour configurer l’opération de fraisage, il faut commencer par établir certains paramètres (Figure I.3) définissant la dynamique de la fraise rotative, avec un diamètre spécifié (De), des diamètres maximums (Dc2 ou D3), un déplacement par rapport à la pièce, et un diamètre de coupe effectif (De), base de la vitesse de coupe.
La vitesse de coupe (vc) en m/min indique la vitesse de surface à laquelle l’arête de coupe usine la pièce. Il s’agit d’un paramètre d’outil faisant partie des conditions de coupe, qui garantit que l’opération est réalisée de manière efficace et dans le champ d’application recommandé du matériau de coupe.
La vitesse de rotation (n) en tr/min est le nombre de rotations par minute effectuées par la fraise sur la broche. Il s’agit d’un paramètre machine calculé à partir de la valeur recommandée de vitesse de coupe pour une opération donnée.
L’avance par minute, également appelée avance de table, avance machine ou vitesse d’avance (v/) en mm/min est l’avance de l’outil par rapport à la pièce en distance par unité de temps, liée à l’avance par dent et au nombre de dents de la fraise.
L’épaisseur de copeaux maximale (hex) en mm est le facteur limitant le plus important d’un outil pour une opération. L’arête de coupe d’une fraise est conçue et testée pour une valeur de départ recommandée, ainsi que des valeurs minimales et maximales.
En fraisage, l’avance par dent (fz) en mm/ dent est une valeur destinée à calculer l’avance de table. Etant donné que la fraise est un outil à plusieurs dents, il est nécessaire d’avoir un paramètre qui garantit que chaque dent usine sous des conditions satisfaisantes. L’avance par dent correspond à la distance linéaire parcourue par l’outil lorsqu’une dent donnée est en prise. La valeur de l’avance par dent est calculée à partir de la valeur de l’épaisseur de copeau maximale recommandée.
Le nombre de dents total de l’outil (zn), qui varie considérablement, est utilisé pour déterminer l’avance de table, tandis que le nombre effectif de dents (zc) est le nombre de dents en prise. Un certain nombre de facteurs influencent le nombre de dents qui convient le mieux : la matière et la largeur de la pièce, la stabilité, la puissance de la machine et l’état de surface.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre1: Etude et analyse bibliographique
I.1 GENERALITES SUR LA COUPE DES METAUX
I.1.1. Introduction
I.1.2 Définition de la coupe
I.1.3 L’étude des divers modes de mise en œuvre de la coupe des métaux
I.1.4 Définition de l’usinabilité
I.1.5 Usinage à sec
I.2 LE FRAISAGE
I.2.1 Paramètres de coupe
I.2.2 Géométrie de l’outil de coupe
I.2.3 Influence de la géométrie de l’outil en fraisage
I.2.4 Influence de la géométrie de coupe
I.2.5 Domaines d’application
I.3 MATERIAUX DE COUPE
I.3.1 Introduction
I.3.2 Matériaux de coupe et revêtements
I.3.3 Matériaux de coupe
I.3.4 Coût
I.4 USURE DES OUTILS
I.4.1.Introduction
I.4.2 Définition de l’usure
1.4.3 Les principaux modes d’usure des outils de coupe
1.4.3.1 Usure par abrasion
1.4.3.2 Usure par adhésion
1.4.3.3 Usure par diffusion
1.4.3.4 Usure par fatigue thermomécanique
1.4.4 Les principales formes d’usure des outils de coupe
1.4.4.1 Usure en dépouille
1.4.4.2 Arête rapportée et entaille
1.4.4.3 Usure en cratère
1.4.4.4 Autres formes d’usure des outils
1.4.5 Conséquence de l’endommagement sur la qualité de la pièce
I.4.6 Modèles de lois d’usure
I.4.6.1 Modèle de TAYLOR généralisé
I.4.6.2 Modèle de COLDING
I.4.6.3 Modèle de KONING-DEPIEREUX
I.4.6.4 Bilan des modèles d’usure
I.5.CARACTERISTIQUES DES SURFACES USINEES
I.5.1. Introduction
I.5.2. Analyse d’une surface
I.5.3. Texture de la surface
I.5.4 Effet du régime de coupe sur la rugosité
I.5.4.1 Influence des fluides réfrigérants et lubrifiants
I.5.4.2 Effet de l’épaisseur de copeau non déformé sur la rugosité
I.5.4.3 Effet de l’angle de coupe sur la rugosité
I.5.4.4 Influence du régime de coupe sur l’écrouissage superficiel
I.5.4.5. Influence de la machine
I.6 EFFORTS DE COUPE
I.6.1 Introduction
I.6.2 Intérêt de leur mesure
I.6.3 Génération des efforts de coupe
I.7 ETUDE DE LA FORMATION DU COPEAU
I.7.1 Introduction
I.7.2 Formation du copeau
I.7.2.1 Généralités sur la formation du copeau
I.7.2.2 Intérêt du contrôle de la formation du copeau
I.7.3 Types de copeaux rencontrés
I.7.3.1 Les différents types de copeaux
I.8 TRAITEMENTS THERMIQUES ET TREMPABILITÉ DES ACIERS
I.8.1 Introduction
I.8.2 Le durcissement par trempe des aciers au carbone et des aciers faiblement alliés
I.8.2.1 L’austénitisation
I.8.2.2 Trempe
I.8.2.3 Revenu
I.8.3 Structures de différents aciers après traitement par trempe
I.8.4 Relations entre les traitements thermiques et les procédés de fabrication
I.8.5 Traitements thermiques et usinage
I.9 LA DURETE DES ACIERS
I.9.1 Introduction
I.9.2 Capacité de durcissement
I.10 Conclusion
Chapitre II : Méthodologie et équipements de recherche
II.1 Equipements utilisés
II.1.1 Introduction
II.1.2 Machine-outil
II.1.3 Matière à usiner
II.1.4 Plaquettes et porte plaquettes
II.1.5 Appareils de mesure et de contrôle
II.1.5.1 Microscope pour la mesure de l’usure
II.1.5.2 Microscope optique
II.1.5.3 Rugosimètre
II.1.5.4 Duromètre
II.1.6 Four
II.1.7 Machine à polissage
II.1.8 Microscope pour micrographie
II.1.10 Conditions de coupe
II.2.Méthodologie de réalisation des expériences
II.2.1.Méthode unifactorielle
Chapitre III : Résultats et analyse
III.1 Introduction
III.2 Résultats et analyses des essais de la série 1
III.2.1 Résultats de l’usure
III.2.2 Analyse des résultats de l’usure
III.2.2.1 Observations microscopiques de la morphologie de l’usure
III.2.2.2 Modèles de la tenue en fonction de la vitesse de coupe
III.2.3 Résultats de la rugosité
III.2.3.1 Influence de l’usure sur la rugosité des surfaces usinées
III.2.3.2 Influence du temps sur la rugosité des surfaces usinées
III.2.3.3 Résultats de la rugosité selon la méthode unifactorielle
III.2.4 Analyse des résultats de la rugosité
III.2.4.1 Influence de l’usure sur la rugosité
III.2.4.2 Modèles de la rugosité en fonction du temps
III.2.5 Longueur et volume du copeau
III.3 Résultats et analyse des essais de la série 2
III.3.1 Résultats de la dureté
III.3.2 Analyse des résultats du traitement thermique et de la dureté
III.3.3 Résultats de l’usure
III.3.3.1 Résultats d’usure par plaquette et par arête
III.3.3.2 Résultats d’usure en fonction du matériau usiné
III.3.3.3 Résultats d’usure pour les différents matériaux traités
III.3.4 Analyse des résultats de l’usure
III.3.5 Analyse de la morphologie de l’usure
III.3.6 Influence du matériau de coupe sur la rugosité des surfaces usinées
III.3.6.1 Résultats de la Rugosité
III.3.7 Analyse des résultats de la rugosité de surface
III.3.8 Analyse de la morphologie du copeau
Conclusion générale
