Notions générales sur l’usinabilité

Notions générales sur l’usinabilité

Définition et critères d’évaluation

Dans un cadre industriel, le terme usinabilité définit la capacité à obtenir une pièce de bonne qualité, économique et avec un bon cadencement [Davim, 2014]. D’un point de vue scientifique, l’usinabilité désigne l’aptitude d’un matériau, compte tenu de toutes ses propriétés, à être mis en forme par un outil-coupant. Cette dernière définition est celle qui sera retenue dans le cadre de ce projet.  l’usinabilité ne peut pas être simplement liée uniquement aux propriétés du matériau usiné mais est plutôt considérée comme la réponse globale d’un système d’usinage affecté directement ou indirectement par : les propriétés des matériaux usinant et usiné, les paramètres de coupe et les moyens d’usinage tels que la machine, le fluide de coupe, le revêtement et les conditions de coupe. Tout paramètre du système d’usinage pourrait affecter de manière significative la physique de la coupe et donc l’usure, les efforts de coupe, l’intégrité de surface peuvent tous être considérés comme des critères d’usinabilité. En effet, l’usinabilité ne peut pas être évaluée de manière quantitative selon un critère universel mais résulte de plusieurs critères selon le contexte adopté et les objectifs visés.

Enfin, l’usinabilité peut être étudiée à plusieurs échelles. En principe,  l’usinabilité est régie par des paramètres d’entrée. Ces paramètres peuvent être macroscopiques tels que les paramètres machine-outil ou bien vus à une échelle plus méso/microscopique tels que le comportement thermomécanique et métallurgique des matériaux usinant et usiné. Ces paramètres d’entrée ont des conséquences sur les mécanismes, les efforts et les températures de coupe qui vont eux-mêmes agir sur l’intégrité de surface de l’outil, de la pièce usinée ainsi que sur la formation du copeau.

Cas des aciers inoxydables austénitiques

Comme mentionné par Trent et Wright [Trent et al., 2000], l’usinabilité des matériaux dépend de plusieurs propriétés. Parmi les matériaux difficiles à usiner, les aciers inoxydables austénitiques prennent une place importante en raison :
♦ D’une faible conductivité thermique (14 à 29 Wm-1K-1) pour des températures allant de 20 °C à 1000 °C [Korkut et al., 2004].
♦ De leur aspect réfractaire (point de fusion élevé pouvant atteindre 1700 °C) [F. Klocke, n.d.].
♦ D’une tendance élevée à la formation d’arête rapportée [Paro et al., 2001]. Ce phénomène est dû au fait que les aciers inoxydables austénitiques sont ductiles et donc fortement écrouissables.

En effet, une faible conductivité ou diffusivité thermique provoque un échauffement important dans la zone de contact outil-copeau, et ne favorise pas une bonne évacuation de la chaleur produite par le cisaillement dans la zone primaire et aux interfaces de contact outil/copeau et outil/pièce.

Parmi les autres propriétés physiques, il est à noter que le coefficient de frottement et le coefficient de dilatation thermique ont une influence directe sur la déformation de la pièce pendant l’usinage. En ce qui concerne le frottement, les aciers inoxydables austénitiques possèdent des valeurs élevées comme illustré dans la TABLE 1-1 qui peuvent engendrer des risques de collage et donc une dégradation prématurée de l’outil de coupe par adhésion. Plusieurs travaux ont été effectués sur l’usinage des aciers inoxydables austénitiques. Par exemple, Maranhao et Davim [Maranhão et al., 2010] se sont intéressés au cours de leurs travaux à l’évaluation du coefficient de frottement, qu’ils ont déterminé expérimentalement à partir des efforts de coupe mesurés en se basant sur le modèle de Merchant.

D’autres études numériques et expérimentales conduites par Bonnet, Valiorgue et Rech [Bonnet et al., 2008a, 2008; b; Valiorgue et al., 2008] ont souligné l’importance d’une compréhension fondamentale des phénomènes se produisant à l’interface outil/copeau pour une meilleure maîtrise des conditions tribologiques lors de la coupe des aciers austénitiques. En particulier, des modèles de frottement ont été proposés afin de caractériser la vitesse de glissement du copeau pendant le tournage en coupe orthogonale avec un outil en carbure de tungstène revêtu par TiN.

Généralités sur le perçage

Définition et spécificités générales 

Le perçage est l’opération d’usinage la plus répandue dans l’industrie mécanique. Il consiste à réaliser un trou dans une pièce par enlèvement de matière. Ce trou peut être débouchant quand il traverse la pièce ou borgne dans le cas inverse. L’opération de perçage peut être effectuée à l’aide d’un outil tournant coupant appelé foret.

Parmi les principales difficultés intrinsèques à la coupe en perçage, il peut être cité :
♦ L’enlèvement de matière se fait dans une zone confinée ce qui gêne l’évacuation des copeaux formés et de la chaleur générée dans la zone de coupe.
♦ Une géométrie de coupe évolutive et très complexe qui fait que les conditions de coupe varient le long des arêtes et donc engendre une répartition inégale des efforts affectant par la suite les mécanismes de coupe.
♦ Une vitesse de coupe variable, plus un talonnement possible au centre du foret.
♦ Une accessibilité délicate à la zone de coupe pour caractériser les phénomènes physiques.

Terminologie sur la géométrie d’un foret

Le vocabulaire décrivant les différentes parties d’un foret . Un foret est constitué principalement :
♦ D’arêtes de coupe principales : elles servent à couper la matière et à former le copeau.
♦ De listels : ceux sont les arêtes de coupe secondaires qui assurent le rôle de guidage du foret pendant dans le perçage.
♦ De goujures : elles correspondent à la face de coupe de l’outil et servent principalement à l’évacuation des copeaux formés.
♦ Une queue : elle assure le positionnement et l’entrainement du foret par l’attachement.

Effet des paramètres d’usinage sur la coupe des aciers inoxydables austénitiques 

Influence des conditions de coupe

L’optimisation des conditions de coupe (avance, vitesse de coupe, revêtement et lubrification) est indispensable pour améliorer la durée de vie des outils coupants. Leur maîtrise est primordiale pour prédire le comportement de l’outil de coupe. Ce point est fondamental dans une étude d’usinabilité. Plusieurs travaux sur l’usinage des aciers inoxydables austénitiques se sont focalisés sur les conditions de coupe que ce soit en perçage, en tournage ou en fraisage. Mahdavinejad et Saeedy [Mahdavinejad et al., 2011] ont mené une étude paramétrique sur l’effet des conditions de coupe avec et sans fluide de coupe en tournage d’un acier inoxydable AISI 304. les résultats montrent que l’usure est intimement liée à la vitesse de coupe Vc et elle diminue considérablement avec l’augmentation de Vc jusqu’à une vitesse donnée (175 m/min) pour augmenter ensuite. Selon Mahdavinejad et Saeedy l’augmentation de l’usure avec la vitesse de coupe est due à une mauvaise évacuation de la chaleur de coupe produite en raison de la faible conductivité thermique de l’alliage AISI 304. Selon l’auteur, la rugosité de la surface usinée est l’un des critères les plus pertinents pour évaluer l’usinabilité des aciers austénitiques. Dans cette optique, les résultats de Mahdavinejad et Saeedy ont montré que la rugosité de surface de l’alliage AISI 304 s’améliore avec l’augmentation de la vitesse de coupe. Cette tendance peut trouver son origine dans l’absence de l’arête rapportée à grande vitesse de coupe. Enfin, le fluide de coupe joue un rôle capital dans la coupe des aciers inoxydables réfractaires comme l’alliage AISI 304 pour refroidir la zone de coupe et favoriser la dissipation de la chaleur de coupe produite aux interfaces outil/copeau et outil/pièce [Mahdavinejad et al., 2011].

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Table des matières

Sommaire
Remerciements
Sommaire
Notations
0. Introduction générale et présentation de l’étude
0.1. Contexte de l’étude et objectifs industriels
0.2. Objectifs scientifiques de l’étude
0.3. Paramètres de l’étude
0.4. Démarche scientifique et organisation du mémoire
1. Etat de l’art
1.1. Notions générales sur l’usinabilité
1.1.1. Définition et critères d’évaluation
1.1.2. Cas des aciers inoxydables austénitiques
1.2. Généralités sur le perçage
1.2.1. Définition et spécificités générales
1.2.2. Différentes technologies de foret
1.2.3. Terminologie sur la géométrie d’un foret
1.3. Effet des paramètres d’usinage sur la coupe des aciers inoxydables austénitiques
1.3.1. Influence des conditions de coupe
1.3.2. Influence de la géométrie de l’arête de coupe
1.3.3. Influences du revêtement de l’outil
1.3.4. Influence des paramètres de coupe en perçage sur l’intégrité de surface des aciers austénitiques
1.4. Approches expérimentales en perçage
1.5. Synthèse et contributions à apporter
2. Analyse des efforts de coupe et du régime transitoire lors du perçage de l’AIAR
2.1. Introduction du chapitre
2.2. Démarche expérimentale
2.3. Article publié dans le journal IJAMT
1. Introduction
2. Experimental procedure, work materials and tool geometry
3. Mechanical analysis of transient state
4. Analysis of the local cutting forces
5. General conclusions
6. References
2.4. Analyses complémentaires
2.4.1. Stabilité du foret durant la pénétration
2.4.2. Analyse des efforts de coupe globaux en perçage
2.4.3. Analyse de la contribution des listels
2.5. Synthèse
3. Études de l’écrouissage lors de l’usinage de l’AIAR
3.1. Introduction du chapitre
3.2. Procédure expérimentale
3.3. Article publié dans le journal JMSE
1. Introduction
2. Investigations on drilling process
3. Mechanisms analysis in orthogonal cutting
4. Conclusions
5. References
3.4. Résultats complémentaires
3.4.1. Intégrité de surface du trou lisse
3.4.2. Analyse des modes de déformation de l’AIAR et l’état de surface usinée en coupe orthogonale
3.4.3. Analyse du retour élastique en rabotage
3.5. Synthèse
4. Investigations on drilling performance of high resistant austenitic stainless steel
4.1. Introduction du chapitre
4.2. Journal soumis dans JMP
1. Introduction
2. Experimental procedure and materials
3. Investigation of drill parameters on the tool life
4. Study of strain hardening during drilling
5. Conclusion
6. References
4.3. Analyses complémentaires
4.4. Synthèse
5. Conclusions générales

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