Performance des revêtements en fraisage  et taillage a la fraise-mère

CONCEPTION DES DENTURES

La conception des engrenages est une affaire de compromis. Le cahier des charges d’une denture comporte les éléments suivants : la démultiplication, le volume disponible, le couple à transmettre, les contraintes admissibles par le matériau, la tenue à l’écaillage, l’acoustique et les contraintes d’industrialisation.
A titre d’exemple, la boîte de vitesses dénommée ‘MA’ du groupe PSA Peugeot-Citroën . Cet organe équipe une partie importante des véhicules d’entrée de gamme du groupe : Saxo, 106, 206, C3, etc. Elle est produite à environ 4500 exemplaires par jour.
L’architecture classique des boîtes de vitesses manuelles se retrouve. La puissance est transmise à un arbre primaire équipé de 6 dentures (5 vitesses de marche avant et 1 vitesse de marche arrière).
La rotation est transmise à des pignons tournant librement autour de l’arbre secondaire (dénommé pignons ‘récepteurs’ ou pignons ‘fous’). Ceux-ci peuvent être rendus solidaires de l’arbre secondaire par l’intermédiaire d’un système de crabotage mis en action par le conducteur.
A ce moment, la puissance est transmise à l’arbre secondaire, qui entraîne à son tour le boitier de différentiel relié aux roues du véhicule. Les boîtes de vitesses automobiles manuelles à 5 rapports possèdent environ 15 systèmes de dentures différentes. Ces dentures sont le plus souvent conçues avec des modules de l’ordre de 2 à 3. Les boîtes de vitesses automatiques possèdent une architecture complètement différente, et utilisent plutôt des modules de l’ordre de 1 à 1.5. D’un point de vue plus global, la mécanique générale ou l’industrie des véhicules lourds travaillent majoritairement avec des dentures à module compris entre 2 et 6, mais certaines applications peuvent aller jusqu’à des modules de 10 (organes de transmission de puissance de très grosses puissances, exemple : moteur de paquebot). A l’opposé de cela, il est possible de citer l’industrie de l’horlogerie qui produit des quantités très importantes de dentures dans des valeurs de modules inférieures à 0.5 dans des alliages cuivre-bérylium ou des aciers de décolletage à fort taux de carbone. Les matériaux composant les dentures en mécanique générale sont souvent des aciers de construction du type 42 Cr Mo 4, alors que l’industrie automobile privilégie l’emploi d’aciers à cémentation ou à carbonitruration avec des taux de carbone compris entre 0.15 et 0.3 % de carbone (27 Mn Cr 5, 27 Cr Mo 4, 16 Mn Cr 5).

STRATEGIES D’INDUSTRIALISATION DES DENTURES

Les stratégies d’industrialisation des dentures sont directement liées à la cadence de production, ainsi qu’à la classe de précision spécifiée pour l’application.
(Remarque : La classe 1 implique une précision telle que les techniques actuelles ne permettent pas de la réaliser).
Comme cela a déjà été précisé, l’automobile, et notamment les boîtes de vitesses manuelles constituent 80 % de la production de roues dentées en Europe. A paramètres géométriques et matériaux constants, les stratégies développées par les fabricants de boîtes de vitesses dépendent des critères suivants :
Prix de revient des dentures finies ; Précision macro et micro-géométrique ; Acoustique des engrenages en fonctionnement.
Les critères n’étant pas fixés au même niveau en fonction du segment de marché du véhicule, les stratégies d’industrialisation associées peuvent donc varier de façon significative. Certains fabricants privilégient le coût de production aux questions d’acoustique, et préfèrent neutraliser les bruits par des éléments d’isolation externe, alors que d’autres privilégient la limitation des bruits à la source. D’autres éléments d’ordre psychologique interviennent également dans les choix d’industrialisation, car les mécaniciens passionnés se laissent parfois dépasser par leurs volontés de fabriquer des dentures de haute précision (au delà du cahier des charges) au détriment des coûts. Cette situation a tendance à s’estomper avec le poids des critères de coût qui devient de plus en plus important, et qui oblige les hommes ‘méthode’ à remettre à plat leurs préjugés et leurs envies. Ainsi, il apparaît deux grandes familles de stratégies . Une première stratégie consiste à finir géométriquement les dentures à l’état recuit, puis à faire le traitement de durcissement associé. Cette stratégie implique d’anticiper les déformations éventuelles lors de la phase d’usinage. La classe de tolérance visée est de l’ordre de 7 à 8. Une deuxième stratégie consiste à ébaucher les dentures à l’état recuit, et à calibrer la géométrie à l’issue du traitement thermique. Il paraît clair que la deuxième stratégie permet d’obtenir une classe de précision bien supérieure à la première (jusqu’à classe 3), alors que la première stratégie permet d’obtenir des dentures avec des coûts de production notablement réduits. D’un point de vue caricatural, il est possible de dire que l’industrie automobile française a opté pour la première solution, alors que l’industrie automobile allemande a opté pour la deuxième solution.

TECHNIQUES D’EBAUCHE DES DENTURES

Les techniques d’ébauche des dentures sont multiples. Elles vont de la méthode artisanale à la méthode de production de masse, car cette phase est commune à toutes les gammes de fabrication de dentures. Il est possible de distinguer les techniques suivantes :
Fraisage de forme à la fraise 2 ou 3 tailles, dénommée aussi fraise module ; Taillage à l’outil crémaillère ; Taillage à l’outil pignon ; Taillage à la fraise-mère.
Ces techniques permettent d’atteindre des classes de tolérance de l’ordre de 9 à 10, alors que les dentures automobiles françaises sont généralement spécifiées dans des classes de tolérance de l’ordre 7 à 8, et que les dentures automobiles allemandes sont dans des classes de tolérance de l’ordre 5 à 6. Ces 4 techniques de génération de dentures ne sont donc pas en mesure de réaliser des dentures finies.

TECHNIQUES DE FINITION DES DENTURES

Tout d’abord, il faut distinguer les techniques de finition avant traitement thermique (rasage) et les techniques de finition après traitement thermique (rectification, rodage, skiving, etc.).
L’industrie automobile française utilise quasiment exclusivement la technique de shaving, sauf lorsque les déformations ne sont pas suffisamment maîtrisées. Dans ce cas, ils utilisent la rectification par meule-mère comme l’industrie allemande. (Remarque : la technique de rodage est parfois utilisée en complément de la rectification pour limiter les problèmes d’acoustique).

RASAGE OU SHAVING

La shaving est une méthode d’usinage par enlèvement de copeaux sur les flancs de dents des engrenages (surépaisseur de 0.03 à 0.05 mm ). C’est une technique d’usinage par copeau ‘gratté’ qui s’apparente au travail de l’alésoir monobloc. Il permet d’améliorer la forme et l’état de surface, ainsi que d’atténuer le battement et l’erreur de division (définition voir [Henr_83]). Des classes de précision de l’ordre de 5 à 6 sont atteintes. Celles-ci deviennent des classes 7 à 8 après le traitement thermique.
Au cours de l’usinage, la pièce est entraînée par le couteau sans synchronisation par la machine. Le couteau et la pièce ont un angle d’hélice, et forment un engrenage à axes croisés . Le rasage est basé sur une propriété de ce type d’engrenage : le glissement longitudinal. Il faut déplacer le point de croisement des axes par un mouvement longitudinal ou transversal de la pièce par rapport au couteau sur toute la largeur de la denture ou bien corriger l’outil afin d’obtenir une épaisseur uniforme de la dent.
La géométrie des dentures après rasage devra tenir compte des déformations de traitement thermique, valeurs et sens des déformations étant obtenus après une série d’essais.
C’est un procédé très simple et très performant. Son seul inconvénient est de ne pas s’appliquer après traitement thermique. Il ne peut donc pas s’appliquer lorsque les dispersions de déformation sont trop importantes.

RECTIFICATION

C’est une opération de finition des dentures qui s’effectue après traitement thermique et qui permet de rattraper les déformations dues au traitement thermique. La rectification permet d’appliquer les corrections de denture demandées au plan. La surépaisseur enlevée est très supérieure à la surépaisseur enlevée en shaving : environ 0.1 mm par flanc, ce qui autorise de récupérer des déformations importantes. Par voie de conséquence, il est nécessaire d’appliquer des profondeurs supérieures de traitement thermique. Plusieurs procédés existent :
Par meule-mère, principe identique au taillage par fraise-mère, l’outil est une meule de grand diamètre. C’est le procédé le plus courant et le plus productif  ;
Par meule-assiette, le travail est effectué flanc par flanc, comme en taillage par crémaillère. Cette technique est réservée à la rectification de dentures de très petites séries dans des géométries spéciales ;
Par meule-module, principe identique au fraisage à la fraise-module. Cette technique a retrouvé de l’intérêt en production de moyenne série depuis l’apparition de meules c-BN à liant métallique qui suppriment le dressage des meules et accroissent, la qualité des surfaces obtenues.
La technique de rectification par meule-mère est de loin la technique la plus répandue. Ses limites techniques sont liées à l’utilisation d’outils de grands diamètres pour obtenir les vitesses de coupe suffisantes. Il faut donc de l’espace autour de la denture à rectifier. Le principal inconvénient de la rectification est son investissement initial, son entretien, ainsi que son prix de revient très élevé. Remarque : Certaines méthodes de rectification nécessitent une opération supplémentaire de honing pour effacer des défauts de surface très gênants du point de vue acoustique.

RODAGE OU HONING

C’est une opération de finition après traitement thermique. La qualité obtenue est intermédiaire entre le rasage et la rectification. L’outil comporte une denture intérieure qui engrène à axes croisés avec le pignon à usiner . Comme pour le rasage, la surépaisseur est faible, de l’ordre de 0.02 à 0.04 mm . Il n’est donc pas possible de rattraper des défauts trop importants. Ce procédé peut s’utiliser seul, en alternative à la rectification, ou en complément de celle-ci pour améliorer les défauts de surface, nuisibles à l’acoustique.

TAILLAGE DUR OU SKIVING

Les techniques de skiving sont au nombre de deux. Elles sont une émanation directe des procédés de taillage par fraise-mère et par outil-pignon. L’idée de ces techniques est de générer des dentures en laissant une surépaisseur de 0.2 à 0.3 mm à l’issue de la phase d’ébauche. Le skiving ‘fraise-mère’ utilise des fraises-mères en carbure brasé avec une coupe très négative permettant d’accepter des efforts et des pressions locales de coupe très importants. Cette technique reste encore marginale car elle ne permet pas d’obtenir les qualités de surfaces compatibles avec les critères acoustiques spécifiés, même si la macrogéométrie est de classe 6. Cette technique peut être mise en œuvre pour des opérations de taillage grossier dans des sociétés qui ne veulent pas investir dans une rectifieuse, mais qui possède déjà une tailleuse performante (haute rigidité, absence de jeux, etc.). Ce procédé pourrait cependant se développer dans la perspective de la suppression des lubrifiants sur les lignes de production de pignons (taxation des produits pétroliers), car, en association avec le rodage à sec, il permet de concilier une bonne macro et micro-géométrie.
Le skiving ‘outil-pignon’ présente une particularité par rapport au taillage par outil-pignon. En effet, l’outil ne possède pas de mouvement alterné et il engrène à axe croisé avec la denture à tailler. Cela provoque un glissement latéral important qui génère les copeaux.

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Table des matières

INTRODUCTION 
1. INDUSTRIALISATION DES DENTURES 
1.1. Mise en situation historique et technique des engrenages
1.2. Eléments de géométrie des dentures
1.3. Conception des dentures
1.4. Stratégies d’industrialisation des dentures
1.5. Techniques d’ébauche des dentures
1.6. Techniques de finition des dentures
2. ETAT DE L’ART DU TAILLAGE A LA FRAISE-MERE 
2.1. Comment décrire une opération de taillage ?
2.2. Comment évaluer une opération de taillage à la fraise-mère ?
2.3. Quelles sont les typologies d’application et leurs enjeux pour demain ?
3. ETAT DE L’ART DU TAILLAGE A LA FRAISE-MERE 
3.1. Quelles sont les fonctions d’un revêtement en usinage ?
3.2. Quelles propriétés doit avoir un revêtement ?
3.3. Comment réaliser un revêtement ?
3.4. Quelles sont les évolutions techniques des revêtements ?
3.5. Comment caractériser un revêtement pour outil-coupant ?
3.6. Caractérisation des revêtements utilisés en vue de leurs applications en coupe discontinue à grande vitesse de coupe et à sec
3.7. Quels revêtements pour le taillage à grande vitesse de coupe et à sec ?
4. CONDITIONS D’EVALUATION DES PERFORMANCES DES REVETEMENTS EN USINAGE
4.1. Prise en compte du cycle de vie des fraises-mères
4.2. Influence du mode de préparation des outils en coupe discontinue
4.3. Synthèse sur les conditions nécessaires à l’évaluation des revêtements en usinage en coupe discontinue
5. COMPORTEMENT THERMIQUE ET TRIBOLOGIQUE DES REVETEMENTS
5.1. Mise en situation
5.2. Etat de l’art des connaissances
5.3. Description de la démarche d’investigation
5.4. Etude analytique de l’influence des revêtements sur les modes de transfert de chaleur dans les outils
5.5. Etude expérimentale de l’influence des revêtements sur les flux de chaleur transmis au substrat
5.6. Influence des revêtements sur les actions mécaniques
5.7. Influence des revêtements sur le champ de température  aux interfaces pièce/outil/copeau
5.8. Analyse des zones de contact outil/copeau
5.9. Influence des revêtements sur la formation des copeaux
5.10. Synthèse des analyses thermiques et tribologiques
5.11. Extrapolation au cas des opérations à coupe discontinue
6. PERFORMANCE DES REVETEMENTS EN FRAISAGE  ET TAILLAGE A LA FRAISE-MERE
6.1. Cahier des charges des essais
6.2. Performance des revêtements en fraisage à grande vitesse
6.3. Performance des revêtements en taillage à grande vitesse
6.4. Performance des revêtements en taillage conventionnel
6.5. Bilan économique
7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES 
8. BIBLIOGRAPHIE
9. PUBLICATIONS ET COMMUNICATIONS
10. ANNEXES
10.1. Annexe 1 : Description des modes de dépôts CVD et PVD 
10.2. Annexe 2 : Fonction de transfert thermique d’un outil revêtu 
10.3. Annexe 3 : Caractéristiques de la nuance de carbure SM30 
10.4. Annexe 4 : Caractéristiques de l’acier 27 Mn Cr 5 – HB 200
10.5. Annexe 5 : Caractéristiques de l’acier 42 Cr Mo 4 – HB 290 
10.6. Annexe 6 : Détermination des conditions de coupe des essais de fraisage avec différentes préparations d’arêtes 

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