Matériaux d’outils
La sélection d’un outil de coupe ne peut pas être faite de manière absolue en choisissant le meilleur outil disponible, car cet outil n’existe malheureusement pas.
Il faut effectuer la sélection selon plusieurs critères dont les coûts d’usinage, le type d’opération, la géométrie et le matériau de la pièce à usiner, la rigidité du montage, le fini de surface requis, la machine-outil utilisée ainsi que le type de parcours programmé. Jusqu’à nos jours, les matériaux d’outils utilisés essentiellement sont les aciers rapides, les carbures, les céramiques et le CBN. Les aciers rapides : sont des aciers fortement alliés, ils possèdent une très grande ténacité et une dureté très élevée, grâce à de fortes teneurs en éléments carburigènes (tungstène, molybdène, vanadium et chrome) . Ils offrent des arrêtes très tranchantes, ce qui permet la réalisation d’usinage sans bavures. Les aciers rapides présentent également l’avantage d’avoir une haute limite élastique ainsi qu’une résistance à la rupture et à la fatigue élevée. Pour améliorer leur dureté à chaud, le cobalt peut être également ajouté (5 à 10 %). Les carbures cémentés : le carbure cémenté est un produit de la métallurgie des poudres. Il est constitué de particules dures et résistantes à l’usure appelées carbures et agglomérées au moyen d’un liant métallique. Ces particules sont principalement des carbures de tungstène, de titane, de tantale et de niobium, liées en général avec du cobalt.
Le carbure cémenté à base de carbure de tungstène (WC) est, sans conteste, le matériau d’outils de coupe le plus versatile. Il présente une dureté à chaud qui lui permet d’être utilisé à des températures avoisinant les 1200°C. Sa ténacité et sa dureté peuvent être modifiées selon sa composition et il présente une rigidité élevée.
L’ajout de carbure additionnel (TiC, TaC, NbC) permet de diminuer l’usure en cratère qui survient lors de l’usinage de l’acier avec des outils en WC-Co. Il est donc important de choisir le bon carbure pour le matériau utilisé afin d’obtenir une durée de vie acceptable de l’outil.
Les cermets : Le nom cermet provient de (céramique / métal) car il s’agit d’un matériau constitué de particules de céramiques (les carbures de titane) dans un liant métallique qui est le cobalt. Comparativement aux carbures cémentés, les cermets possèdent une ténacité faible, ce qui les rend particulièrement sensibles aux chocs mécaniques et thermiques. Les cermets présentent une plus grande dureté à chaud que les carbures, donc une résistance plus élevée aux fortes températures, ce qui permet souvent d’augmenter les vitesses de coupe, d’obtenir une meilleure durée de vie, ainsi que la génération d’un fini de surface de qualité plus élevée.
Les céramiques : les céramiques sont principalement composées d’oxyde d’aluminium Al2O3 (même matériau que le papier à poncer) ou de nitrure de silice (Si3N4).
Les outils en céramique offrent une dureté à chaud très élevée, ils peuvent être utilisés à des vitesses de coupe très élevées. Leurs ténacités sont très faibles, inférieures à celles des cermets, ils sont extrêmement sensibles aux conditions d’entrée dans la matière, ce qui exige de préparer la géométrie de la pièce afin d’assurer une entrée en matière graduelle, ce qui augmente les coûts. Ils sont donc principalement utilisés en tournage et pour des productions importantes.
Les nitrures de bore cubique (CBN) : le CBN possède une dureté extrêmement élevée, dépassée seulement par le diamant. Sa dureté à chaud est excellente et il peut être utilisé jusqu’à 2000°C, il possède une excellente résistance à l’usure par abrasion et est relativement fragile, mais toutefois moins que les céramiques.
Diamant polycristallin (PCD) : Le PCD est un diamant synthétique qui possède une dureté qui approche celle du diamant naturel .Ce matériau est très dispendieux et ses applications sont limitées à l’usinage des matériaux non ferreux, le PCD possède une faible dureté à chaud, limitée à 600°C.
Paramètres de coupe
Les paramètres de coupe sont, d’une part, des valeurs qui caractérisent les déplacements de l’outil et de la pièce usinée (paramètres de coupe cinématiques) et, d’autre part, les valeurs des surépaisseurs d’usinage et des dimensions de coupe (paramètres de coupe géométriques). Les conditions de coupe sont une notion plus large qui inclut les paramètres géométriques et cinématiques de coupe en plus d’autres facteurs qui influencent l’usinage tels que le matériau usiné, le matériau et la géométrie de l’outil, le type de machine, la puissance de la machine et le type de l’opération.
Vitesse de coupe : dans le cas du tournage, la vitesse de coupe constitue la grandeur cinématique de base du couple outil / pièce, elle correspond au déplacement (en mètres) effectué par un point de la pièce pendant une minute.
Vitesse d’avance : est la vitesse de déplacement de l’outil sur la trajectoire d’usinage. C’est cette trajectoire qu’il faut suivre afin que l’outil usine la forme souhaitée. Elle est exprimée en [mm/min]. Profondeur de passe : la profondeur de passe est le volume de la matière enlevée qui dépend de l’engagement de l’outil dans la pièce. Elle est exprimée en [mm].
Rugosité de surface
La rugosité des surfaces des pièces usinées par tournage joue un très grand rôle sur la qualité du produit fini. Notre étude consiste à développer des modèles basés sur des expériences pour la prédiction de la rugosité. Beaucoup de paramètres influent sur la rugosité d’une façon directe ou indirecte, tels que les paramètres du régime de coupe (l’avance par tour, la vitesse de rotation, la profondeur de passe) et les efforts de coupe générés aux contacts outil – pièce. L’influence des vibrations sur le processus de coupe et leur utilisation dans la prédiction des états de surface est le principal objet de notre étude.
la rugosité est l’ensemble des irrégularités d’une surface à caractère micrographique et macrographique . Les surfaces usinées ne sont jamais parfaites, elles présentent au contraire des défauts de toutes sortes dus aux procédés d’usinage, aux outils, à la matière, à la rigidité du montage et de la machine, à la formation des copeaux, aux efforts de coupe,…etc. On sait depuis longtemps que ces défauts influent profondément sur le fonctionnement et la tenue en service des mécanismes et la bonne exécution de leurs fonctions : guidage, étanchéité,…etc. Plus la qualité d’une surface est proche de la perfection, plus elle est difficile à obtenir et plus son coût est élevé. Des surfaces inutilement précises causent des pertes économiques qui peuvent être considérables.
Lignes de référence
Ce sont les lignes à partir desquelles les paramètres du profil sont déterminés. Les lignes moyennes : moyenne arithmétique, moyenne des moindres carrés. Les lignes enveloppes : enveloppe supérieure, enveloppe inférieure.
La ligne moyenne arithmétique : C’est la ligne de référence qui a la forme du profil géométrique et qui divise le profil de telle sorte qu’à l’intérieur de la longueur de base (L), la somme des aires entre elle et le profil soit égale de part et d’autre.
La ligne des moindres carrés : est la ligne de référence qui a la forme du profil géométrique et qui divise le profil de telle sorte qu’à l’intérieur de la longueur de base (L), la somme des carrés des écarts entre elle et le profil soit minimale de part et d’autre.
La ligne enveloppe supérieure : est la somme des segments de droite qui joignent les points les plus hauts des saillies locales du profil.
La ligne enveloppe inférieure : est la somme des segments de droite qui joignent les points les plus bas des creux locaux du profil.
Table des matières
INTRODUCTION
1. USINAGE
1.1. Introduction
1.1. a. Définition de l’usinage
1.1. b. Définition du tournage
1.2. Outils de coupe
1.2.1. Géométrie de l’outil de coupe
1.2.2.1. Éléments de l’outil
1.2.2.2. Angles de l’outil de coupe
1.2.3. Matériaux de l’outil
1.2.3. 1. Les aciers rapides
1.2.3.2. Les carbures cémentés
1.2.3.3. Les cermets
1.2.3.4. Les céramiques
1.2.3.5. Les nitrures de bore cubique (CBN)
1.2.3.6. Diamant polycristallin (PCD)
1.3. Paramètres de coupe
1.3.1. Vitesse de coupe
1.3.2. Vitesse d’avance
1.3.3. Profondeur de passe
1.4. Conclusion
2. RUGOSITE DE SURFACE
2.1. Introduction
2.2. Définition
2.3. Défaut de surface
2.3.1. Ordre 1
2.3.2 Ordre 2
2.3.3. Ordre 3
2.3.4. Ordre 4
2.4. Définition des différents types de lignes
2.4.1. Longueur de base, d’évaluation
2.4.2. Lignes de référence
2.4.2.1. La ligne moyenne arithmétique
2.4.2.2. La ligne des moindres carrés
2.4.2.3. La ligne enveloppe supérieur
2.4.2.4. La ligne enveloppe inférieure
2.5. Critère de rugosité
2.6. Modélisation des états de surfaces usinées
2.6.1. Modèle mathématique de la rugosité des surfaces usinées par enlèvement de matière
2.6.1.1. Caractère réel de la rugosité obtenue
2.6.1.2. Valeurs extrêmes de la fonction
2.6.1.3. Méthodologie de recherche théorique
2.7. Influences des vibrations sur l’état de surface
2.8. Estimation de la rugosité moyenne par le comportement vibratoire de l’outil de coupe
2.9. Conclusion
3. VIBRATIONS
3.1. Introduction
3.2. Définition
3.3. Les vibrations périodiques
3.4. Les vibrations transitoires
3.5. Les vibrations aléatoires
3.6. Caractéristiques des vibrations
3.6.1. Amplitude des vibrations
3.6.2. Fréquence des vibrations
3.7. Appareils de mesure des vibrations
3.7.1. Définition
3.7.2. Capteurs de vibrations
3.7.2.1. Capteurs de déplacement
3.7.2.2. Capteurs de vitesse
3.7.2.3. Capteurs d’accélération
3.8. Analyse vibratoire
3.8.1. Prise de mesures
3.8.2. Paramètres mesurés
3.8.3. Caractérisation du système
3.8.4. Surveillance vibratoire
3.8.4.1.1. Le suivi périodique
3.8.4.1.2. Le suivi continu
3.8.5. Méthodes d’analyse des vibrations
3.8.5.1. Les méthodes temporelles
3.8.5.1.1. La valeur efficace
3.8.5.1.2. Les indicateurs crêtes
3.8.5.1.3. Le Kurtosis
3.8.5.2. Les méthodes fréquentielles
3.8.5.2.1 L’analyse en fréquence
3.8.5.2.2. L’analyse d’enveloppe
3.8.5.2.3. Le cepstre
3.8.6. Diagnostic vibratoire
3.8.6.1. Diagnostic de l’usure par analyse vibratoire
3.8.6.2. Surveillance en ligne des outils coupants du process d’usinage par les réseaux se neurone
3.8.6.3. Analyse temps -fréquence appliquée aux signaux vibratoires relevés en tournage
3.8.6.4 Analyse des signaux vibratoires en utilisant des approches temporelles et fréquentielles
3.9. Conclusion
4. PROBLEMATIQUE, OBJECTIFS ET DONNEES
4.1. Problème à étudier
4.2. Objectifs
4.3. Données
4.3.1. Matière de la pièce à usiner
4.3.2. Outil de coupe
4.3.3. Capteur utilisé
4.3.4. Machine-outil
4.3.5. Module d’alimentation
4.3.6. Application Mécasim
5. PLAN DES EXPERIENCES
5.1. Définition
5.2. Expériences préliminaires
5.3. Résultats expérimentaux des rugosités mesurées de surfaces et des accélérations
vibratoires enregistrés
6. RESULTATS, ANALYSE ET TRAITEMENT
6.1. Résultats des spectres vibratoires et des FFT enregistrés pour différents régimes de coupe expérimentés
6.2. Modélisation de la rugosité de surface et de l’accélération vibratoire
6.3. Interpolation au sens des moindres carrés
6.3.1. Méthode des moindres carrés
6.4. Applications de la méthode des moindres carrés
6.5 Vérification de résultats
6.5.1 Vérification du Polynôme
6.5.2 Applications du polynôme obtenu
CONCLUSION GENERALE
Références bibliographiques
Annexe I
Annexe II
Annexe III
