N dordre : 2007-33

Anne 2007

THSElcole Centrale de LyonPour obtenir le titre de Docteur Spcialit Mcanique Prsente devant

Par Farhat ZEMZEMI Sujet de la thse : CARACTERISATION DE MODELES DE FROTTEMENT AUX INTERFACES PIECE-OUTIL-COPEAU EN USINAGE : APPLICATION AU CAS DE LUSINAGE DES ACIERS ET DE LINCONEL 718

Soutenue le 4 dcembre 2007 devant le jury compos de :

Prsident : Rapporteurs :

PARIS Henri, Professeur de lUniversit Joseph Fourier de Grenoble (France) BEN FREDJ Nabil, Matre de Confrences lcole Suprieure des Sciences et Techniques de Tunis (Tunisie) POULACHON Grard, Matre de Confrences HDR lENSAM de Cluny (France)

Examinateurs : DOGUI Abdelwaheb, Professeur lcole Nationale dIngnieurs de Monastir (Tunisie) KAPSA Philippe, Directeur de recherche CNRS LTDS de lcole Centrale de Lyon (France) RECH Jol, Matre de Confrences lcole Nationale dIngnieurs de Saint-Etienne (France)

Thse en cotutelle Ecole Nationale dIngnieurs de Monastir - Ecole Centrale de Lyon

Table des matiresIntroduction gnrale1 Usinage et usinabilit de lInconel 718 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 LInconel 718 : caractristiques mtallurgiques et comportements mcaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1 Historique et domaines dapplications . . . . . . . . . 1.2.2 Caractristiques mtallurgiques . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.1 La matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.2 La matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.3 La matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.4 La matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.2.5 Les carbures . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.3 Mise en forme de lInconel 718 . . . . . . . . . . . . . 1.2.4 Proprits mcaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Usinage de lInconel 718 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Les problmes dusinage de lInconel 718 . . . . . . . . 1.3.2 Le choix de loutil de coupe . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.2 Matriaux outils pour lusinage de lInconel 1.3.2.3 Revtements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2.4 Formes et gomtries de loutil de coupe . . . 1.3.3 Choix des conditions de coupe . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Choix de la nature et du mode de lubrication . . . . 1.3.5 Usinage de lInconel 718 avec assistance . . . . . . . . 1.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Tribologie en usinage 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Gnralits sur la formation du copeau 2.3 Analyse exprimentale de la coupe . . 2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . 2.3.2 Etude du frottement en usinage 5 3 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 4 . 4 . 6 . 7 . 7 . 7 . 8 . 9 . 10 . 11 . 13 . 13 . 15 . 15 . 15 . 19 . 21 . 23 . 25 . 26 . 27 31 31 32 35 35 35

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . par des essais

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de coupe instruments

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2

TABLE DES MATIRES

2.4 2.5

2.3.2.1 Analyse mcanique de la coupe . . . 2.3.2.2 Analyse thermique de la coupe . . . 2.3.2.3 Essai de coupe interrompu . . . . . 2.3.3 Etude du frottement en usinage par des essais 2.3.3.1 Tribo-systmes ferms . . . . . . . . 2.3.3.2 Tribo-systmes ouverts . . . . . . . Les modles de frottement en usinage . . . . . . . . . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . tribologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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36 37 39 39 40 43 44 47 49 49 50 50 50 53 56 56 57 59 60 60 61 64 64 64 66 66 67 70 70 70 72 72 73 74 75 76 77 77 78 79 79

3 Modlisation exprimentale du frottement 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Dispositif exprimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Description du nouveau tribomtre . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1 Conguration " plan - plan " . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2.2 Conguration "sphre-plan" . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Instrumentation du porte-pion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Procdure dessai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Prparation des pions et des prouvettes . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 talonnage de la machine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Traitement des rsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 tude de dlit du systme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Rsultats des essais de frottement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Essais de frottement sur 27MnCr5 (180 HB) . . . . . . . . . . . . 3.5.1.1 Conditions dessais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.2 Inuence de la vitesse de frottement . . . . . . . . . . . 3.5.1.3 Inuence de leort appliqu . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1.4 Inuence du revtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Essais de frottement sur lacier 42CrMo4 (290HB) . . . . . . . . 3.5.2.1 Conditions dessais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2.2 Inuence de la vitesse de frottement . . . . . . . . . . . 3.5.2.3 Inuence de la pression de contact . . . . . . . . . . . . 3.5.2.4 Inuence du revtement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Essais de frottement sur lInconel 718 . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3.1 Conditions dessais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3.2 Inuence de la vitesse de frottement et de la pression de 3.5.3.3 Inuence des revtements . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Frottement grande vitesse entre Inconel 718 - Pions c-BN . . . 3.5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4.2 Dispositif exprimental : tribomtre radial . . . . . . . . 3.5.4.3 Comparaison entre le tribomtre axial et radial . . . . . 3.5.4.4 Essais de frottement Inconel-c-BN . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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3

TABLE DES MATIRES

3.5.5

3.5.6

3.5.4.5 Conclusion partielle . . . . Mesure de la temprature de contact 3.5.5.1 Introduction . . . . . . . . 3.5.5.2 Dispositif exprimentale . . Conclusion . . . . . . . . . . . . . .

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. 81 . 81 . 81 . 81 . 84

4 Analyse et modlisation numrique du frottement adhsif : Modles de frottement 85 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 Dpouillement analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2.2 Dveloppement du modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2.3 Validation numrique du modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3 Dpouillement numrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.1 Prsentation du modle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.2 Comportement mcanique du pion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3.3 Comportement mcanique de la pice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.3.4 Cas de lacier 42CrMo4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3.4.1 Gestion de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.3.4.2 Proprits mcaniques de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3.4.3 Proprits thermiques de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.3.5 Conditions aux limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3.6 Rsultats de ltude numrique et modles de frottement . . . . . . . . . . . . 100 4.3.6.1 Identication du coecient de frottement adhsif . . . . . . . . . . . 100 4.3.6.2 Estimation de la pression de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3.6.3 Estimation de la temprature de contact . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.3.6.4 Estimation de la vitesse dcoulement de la matire sous le pion . . 109 4.3.7 Cas de lInconel 718 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.7.1 Identication numrique des paramtres de la loi de Johnson-Cook . 114 4.3.7.2 Modle numrique du frottement dans le cas de lInconel718 . . . . . 121 4.3.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Conclusion gnrale Annexes

127 141

4

Remerciements

Ce travail entre dans le cadre dune convention de cotutelle entre lEcole Nationale dIngnieurs de Monastir et lEcole Centrale de Lyon. Il a t ralis mi-temps entre le Laboratoire de Gnie Mcanique de lcole Nationale dIngnieurs de Monastir (Tunisie) et le Laboratoire du Tribologie et Dynamique des Systmes (Unit Mixte de Recherche 5513 associe au CNRS), lEcole Centrale de Lyon et lEcole Nationale dIngnieurs de Saint-tienne (France). Je remercie vivement Monsieur Philippe Kapsa, Directeur de recherche CNRS lECL et Monsieur Abdelwaheb Dogui, Professeur lENIM de mavoir guid ecacement pendant ces trois annes et de mavoir permis de mener terme cette thse. Que soit galement associ ces remerciements, Monsieur Jol Rech, Matre de confrences lENI Saint Etienne et Monsieur Wacef BEN SALEM, Matre assistant lIPEI de Monastir pour mavoir fait partager leur exprience sur la tribologie en usinage et pour leur disponibilit et leur participation active ce travail. Quils trouvent ici, lexpression de ma profonde reconnaissance et mon amiti sincre. Jadresse mes sincres remerciements Monsieur Grard Poulachon, Matre de confrences lENSAM de Cluny, et Monsieur Nabil Ben Fredj, Matre de confrences lESST de Tunis pour avoir consacr de leur temps lexamen de mon travail en tant que rapporteurs. Mes vifs remerciements Monsieur Henri PARIS, Professeur de lUniversit Joseph Fourier de Grenoble, pour avoir accept de participer mon jury de thse. Jadresse galement mes remerciements la Socit ASCOMETAL CREAS et la Socit AUBERT et DUVAL qui ont soutenu techniquement et nancirement cette tude. Que lensemble du personnel de lENISE et du LTDS voit ici lexpression de ma reconnaissance pour leur accueil au seins de ces entits. Un merci particulier Messieurs Dominique Bouchet, Florian Dumont et Luigi Mintrone, Techniciens du Ple Productique, qui ont grandement contribu la mise en place de la partie exprimentale de ce travail. Merci galement Isabelle, secrtaire de la recherche, qui nous donne tous les jours bien plus que son travail ne lexige et qui a fait de ces annes un agrable moment. Je tiens galement remercier tous les membres du LGM de lENIM pour leurs aides scientiques et morales. Un merci particulier Monsieur Mohamed Ben Tekaya pour son aide et ces conseils. Quil touve ici lexpression de ma profonde reconnaissance et mon amiti sincre Un grand merci enn ma famille et mes proches et particulirement mes parents, mes soeurs et mes frres pour leur soutien inconditionnel.

Introduction gnraleLimpact conomique des cots de fabrication et des exigences techniques sur la gomtrie ainsi que sur les dimensions du produit nal imposent la matrise globale et loptimisation du procd de fabrication. En comparant avec les mthodes exprimentales classiques, lutilisation doutils de simulation numrique devient la meilleur mthode qui permet daboutir une prdtermination ecace du processus techniquement et conomiquement able. Elle permet de bien dnir la gamme de fabrication des pices mcaniques, et de prvoir le comportement de loutil lors de lusinage, ce qui facilite par la suite la comprhension et la matrise des phnomnes mis en jeu dans un temps trs rduit. Pour cette raison, lindustrie mcanique demande depuis de nombreuses annes des outils de prdtermination des oprations dusinage an de dimensionner correctement leurs installations de production. Lindustrie aronautique est en particulier concern par ce problme du fait de la trs haute valeur ajoute de leurs pices et de leurs fortes complexits (usinage de pices rfractaires), le tout dans un contexte de production en petite srie qui rend toute erreur de production catastrophique aussi bien en terme de cot, quen terme de dlai. Les dirents paramtres de la coupe, savoir le matriau, la forme, la gomtrie et le revtement de loutil et les conditions de coupe inuent sur lusinabilit de lInconel 718. De plus, les mthodes dusinage avances ont amlior signicativement la productivit de lopration dusinage de ces superalliages. La dicult exprimentale, en terme de cot et dlais, sera de trouver une combinaison entre les dirents paramtres assurant une bonne productivit, oblige les experts sorienter vers des modles de simulation numrique de la coupe. Ces derniers ncessitent des donnes dentre prcises : les lois de comportement, les lois de frottement... Dans ce contexte, des outils de modlisation et de simulation sont apparus, donnant lieu des logiciels commerciaux ddis " usinage " comme DEFORM ou ADVANTEDGE. Cependant, aprs quelques essais, il est constat que ces modlisations sont simplistes et inadaptes aux problmatiques dusinage des superalliages tels que les alliages base de titane et/ou nickel. De son cot, la communaut scientique internationale constate lincapacit de ces modlisations prendre en compte les phnomnes tribologiques linterface Outil/Surface usine/Copeau, alors quils sont la clef du comportement de loutil, et notamment de sa rsistance lusure. En eet, tous les codes de calcul traitent ce problme comme un frottement de Coulomb constant, alors que dintenses phnomnes dadhsion sy produisent ainsi que des ractions chimiques et des phnomnes de diusion. 1

Introduction gnrale Ce manque est dautant plus agrant lorsque lon considre quaucun de ces modles ne prend en compte linuence des revtements, alors que 80 % des outils de coupe vendus sont revtus. Lobjectif de ce travail est dapporter une amlioration signicative de la comprhension et de la modlisation des phnomnes tribologiques linterface Pice/Outil/Copeau, et notamment dans le contexte de lusinage des superalliages base nickel (Inconel 718). Ce travail amnera au dveloppement de lois de frottement empirique modlisant le contact lors dune opration dusinage pour un couple outil/matire donn. Ces modles de frottement seront parmi les donnes dentres de la simulation numrique de la coupe. Dans cette optique, ce rapport de thse t subdivis en trois parties :

- Premire partie Dans cette premire partie, nous aborderons, dans un premier chapitre, le problme de lusinabilit de lInconel 718. Un aperu gnral, sur les principales proprits mcaniques et structurales de lInconel 718, sera prsent la n de ce chapitre an de rpondre la question : Pourquoi lInconel 718 est-il class parmi les matriaux les plus diciles usiner ? Le deuxime chapitre traitera des phnomnes tribologiques renconts au cours dusinage. Dans le deuxime chapitre, nous prsenterons une gnralit sur la formation de copeau au cours dune opration dusinage et les phnomnes physiques associs. Les conditions de contact entre le matriau coupant (outil) et le matriau coup (la pice) sont trs svres. Une revue bibliographique des recherches dans le domaine de la modlisation exprimentale, numrique et aussi analytique du frottement aux interfaces Ouit/Pice/Copeau sera prsente.

- Deuxime partie Le troisime chapitre, qui reprsente la partie essentielle de ce travail, permettra de caractriser et de quantier le coecient de frottement apparent dans les mmes conditions de contact que celles produites aux interfaces Outil/Pice/Copeau durant une opration dusinage. De plus, le dispositif exprimental dvelopp est capable, galement, de fournir des informations prcises sur le ux de chaleur transmis vers le pion au cours dessai. Cette information sera utile, dune part, pour tester le comportement des dirents revtements utiliss, et dautre part, pour tablir un bilan thermique de la chaleur gnre lors dun essai de frottement.

- Troisime partie Enn, une modlisation dun test de frottement fera lobjet du dernier chapitre de ce mmoire. En eet, pour dirents types de matriaux, les mesures eectues sur le ux de chaleur et sur le coecient de frottement apparent, couples avec une tude numrique, ont permis llaboration des modles de frottement dpendant des paramtres locaux de vitesse dcoulement, de pressions et de tempratures.

2

Chapitre 1

Usinage et usinabilit de lInconel 7181.1 Introduction

Lusinage est le procd de mise en forme par enlvement de la matire le plus rpandu dans les domaines de fabrication des pices mcaniques. Depuis leur apparition, les techniques dusinage ont subi de multiples amliorations. Elles nont cess dtre remises en question an de rester en phase avec les exigences industrielles, quelles soient conomiques ou cologiques. La productivit et la qualit des surfaces usines ont toujours t des proccupations majeures pour les fabricants. A lheure actuelle, ils se trouvent dans lobligation de produire des pices mcaniques, dont les tolrances gomtriques et dimensionnelles sont de plus en plus faibles. Des progrs au niveau de lensemble Pice - Outil - Machine ont t eectus, permettant lamlioration de lusinabilit de plusieurs matriaux. Des nombreux travaux ont t mens pour trouver les outils et les conditions de coupe optimales permettant de surmonter les problmes dusinage de la plupart des matriaux. Cependant, lusinage des matriaux rfractaires reste encore lobjectif de plusieurs travaux. Ces matriaux possdent des caractristiques thermo-mcaniques particulires conduisant une mauvaise usinabilit. Les alliages base de nickel, par exemple, possdent des proprits thermiques, mcaniques et physiques qui les positionnent parmi les matriaux les plus diciles usiner. On cite par exemple. Exceptionnelles proprits mcaniques haute temprature lors de lusinage. Les eorts de coupe peuvent atteindre des valeurs trs leves permettant dagir sur la qualit macro et micro gomtrique de la surface usine ; Faible conductivit thermique qui cause une concentration de la chaleur dans la zone de coupe ; Microstructure riche en particules de carbure jouant le rle dabrasifs lors de lusinage ; Anit chimique avec les outils de coupe qui permet dactiver lusure par diusion ; Adhsion des micros particules de lInconel sur larte de coupe de loutil lors de lusinage. Ce phnomne engendre lusure en entaille de la face de coupe.

3

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Dans ce chapitre, nous nous intressons lusinage et lusinabilit de lInconel 718. Une premire partie a t consacre pour prsenter les direntes proprits mcaniques et structurales de cet alliage. Par la suite, nous prsentons une synthse bibliographique sur lusinage de lInconel 718.

1.2

LInconel 718 : caractristiques mtallurgiques et comportements mcaniquesHistorique et domaines dapplications

1.2.1

Lintrieur dun moteur davion et celui dune turbine gaz en fonctionnement sont des environnements svres o les tempratures et les pressions peuvent atteindre des valeurs bien au-del des limites supportables par les mtaux conventionnels tels que les aciers. Les concepteurs font alors appel aux superalliages rfractaires qui sont caractriss par dexcellentes proprits mcaniques hautes tempratures. Parmi les superalliages les plus utiliss, nous pouvons citer, en allant des tempratures de fonctionnement les plus basses vers les plus hautes : Les alliages de titane utiliss pour la partie Fan et une partie des compresseurs dont la temprature est infrieure 550C (TiAl6V ; Ti 6242 ou Ti17). Les alliages base nickel polycristallins forgs ou labors par mtallurgie des poudres (ex :Waspaloy, Inconel 718, N18), utiliss lorsque la temprature est comprise entre 450C et 700C, cest--dire pour la partie Haute Pression du compresseur (disques, aubes, carters) et la turbine (disques et certaines aubes). Les superalliages base fer ont t dvelopps partir des aciers inoxydables austnitiques. Certains orent des coecients de dilatation thermique trs faibles (tel que Incoloy 909) qui les rendent particulirement adapts pour les arbres, bagues et carters. Les superalliages base cobalt orent une excellente rsistance la corrosion chaud sous hautes tempratures compares aux alliages base nickel. Ils sont toutefois plus chers et plus diciles usiner, et de ce fait, leur utilisation se limite aux pices de combustion dans les zones les plus chaudes du moteur. Parmi eux, nous trouvons Haynes 25 et Stellite 31. Les superalliages base nickel monocristallins pour aubes de turbines dont la temprature de fonctionnement est comprise entre 650C au pied daube et plus de 1000C au niveau de la pale. LInconel 718 ou NC19FeNb (norme AFNOR) est lalliage base Nickel le plus utilis pour la fabrication des pices dont les tempratures de service sont leves, comprises entre 540C et 700C sans rduction prjudiciable de leur rsistance. Il est largement utilis par les industries aronautiques (fabrication des disques de turbine dans un moteur davion (ex : CFM56 de la socit SNECMA), pices de la pompe hydrogne du moteur pour Ariane). Il constitue, galement, la matire de base pour les roues et pour larbre arrire des turbines gaz (Figure 1.1). Cet alliage a t mis au point en 1959 par Herb EISELSTEIN [Alex-2004] pour le compte de la socit Huntington Alloy Products Division. Lindustrialisation de lInconel a commenc en 1980 suite 4

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Turbofans CFM 56

Moteur hydrogne (Ariane)

(1): Pices aronautiques

Turbine gaz 7FA

(2) : Production dnergie

Figure 1.1 Principaux domaines dapplication de lInconel 718 : (1) Fabrication des pices aronautiques ; (2) Production dnergie

5

Chapitre 1 : Usinage de lInconel la crise du cobalt, qui est prsent en quantit non ngligeable dans le WASPALOY (NC20K14). Ce dernier a occup la majeure partie du march des superalliages base nickel dans le domaine aronautique. Cette industrialisation a permis lalliage 718 de devenir le superalliage le plus utilis actuellement. La consommation de SNECMA Moteurs est comprise entre 500 et 1000 tonnes par an [Alex-2004]. LInconel 718 se caractrise par son exceptionnelle rsistance, haute temprature, la fois la corrosion et au uage. Ces proprits sont lorigine de congurations mtallurgiques un peu spciales. Ces alliages base de nickel-fer sont des nuances durcissement structural. Ils combinent deux modes de durcissement : un durcissement de solution solide et un durcissement par prcipitation de phases intermtalliques ordonnes. Dans la suite, on prsentera les direntes phases qui constituent lInconel 718 ainsi que ses principales proprits mcaniques.

1.2.2

Caractristiques mtallurgiques

Les compositions chimiques de lInconel 718 varie dun alliage un autre selon son application future. On trouve lInconel 718 ltat standard qui est utilis pour les applications les moins critiques. Ltat trait est destin pour fabriquer les pices critiques telles que les disques dans un moteur davion [Alex-2004]. Le tableau 1.1 prsente la composition en masse de cet alliage. Nickel Chrome Fer Niobium Molybdne Titane Aluminium Cobalt carbone manganse Silicium Phosphore Sulfure Bore Cuivre 50-55 17-21 15-21 4.75-5.5 2.8-3.3 0.65-1.15 0.2-0.8 1.00 max 0.08 max 0.35 max 0.35 max 0.015 max 0.015 max 0.005 max 0.3 max

Tab. 1.1 Composition chimique de lInconel 718 (% en masse). La conguration chimique du nickel (4s2 3d8, la couche 3d non sature) confre cet lment une grande versatilit dassociation chimique pour former des solutions solides ou des phases intermtalliques stables. Le nickel sassocie avec le fer, le chrome et le cobalt pour former la matrice . LInconel 718 fait partie du petit nombre des superalliages durcis principalement par la prcipitation 6

Chapitre 1 : Usinage de lInconel dune phase intermtallique (N i3 N b) du type DO22 [Four-2000]. La plupart des superalliages de la mme famille sont durcis par la prcipitation de la phase (N i3 (T i, Al)) du type L12 . Ceci est d au fait que les lments durcissant sont toujours le titane et laluminium alors que le niobium et le tantale sont occasionnellement employs pour durcir la phase en formant des prcipits du type (N i3 (T i, Al, N b, T a)). La prsence dun taux relativement important de niobium (5 %) avec une faible teneur respectivement en aluminium (0,2-0,8 %) et en titane (0,65-1,15 %) favorise lapparition de la phase . Si le rapport R = T i+Al est susant, la phase peut galement se former Nb en faibles proportions, conjointement . Par ailleurs, lInconel 718 contient des lments carburignes ayant tendance former des carbures (Ti, Cr, Nb, Mo, C, B). Ces derniers se prcipitent, gnralement, dans les joints de grain. Aprs une description succincte de ces diverses phases, nous allons prsenter les direntes caractristiques de chacune delles.

1.2.2.1

La matrice

Le nickel a une structure cubique face centre. Le fer, le chrome, le molybdne et niobium, ayant des rayons atomiques proche de 12 % de celui de nickel, se substituent dans le nickel pour donner une solution solide. Cest le durcissement par solution solide. Une des particularits de cet alliage est sa forte teneur en fer. La prsence de cet lment conduit, en plus de labaissement notable du prix au kilogramme de lalliage, un eet sur la prcipitation des phases durcissantes. La faible mobilit du fer dans la matrice produit un ralentissement de la cintique de durcissement [Alex-2004]. Cet eet sur la cintique permet une amlioration de la soudabilit de lalliage.

1.2.2.2

La matrice

Le titane et laluminium conduisent la formation de la phase de composition N i3 (T i, Al) dont le rle est aussi durcissant, mais dun degr moindre que les prcipits . Cest une phase ordonne de structure cristallographique cubique de type L12 [Sund-1992]. Comme le montre la Figure 1.2, les atomes de titane ou daluminium sont situs aux sommets du cube alors que les atomes de nickel sont au centre des faces. Ces prcipits ont une taille moyenne de 0.2 nm. La phase prcipite aux environ de 650C, ce qui explique la bonne rigidit et rsistance de ces alliages haute temprature [Four-2000].

1.2.2.3

La matrice

Outre la prcipitation de la phase intermtallique de composition N i3 (T i, Al), cet alliage prsente la particularit dtre principalement durci par la prcipitation de la phase de composition N i3 N b. Cest une phase ordonne, de structure cristallographique quadratique centre. Ces prcipi-

7

Chapitre 1 : Usinage de lInconel ts ont une taille moyenne de 0.2 nm. De mme, cette phase se prcipite une temprature proche de 650C. La formation de cette phase est gouverne par la bonne teneur en niobium. La duret, ainsi que la limite dlasticit augmente quasi linairement en fonction de la concentration en niobium. Cependant pour des teneurs en Nb suprieures 5 % massique, la striction tend diminuer signicativement. Ce qui justie que la concentration en cet lment soit plus souvent limite entre 4.3 et 6 % [Slam-1997].

Figure 1.2 Mailles cristallographiques de la matrice et des deux phases ordonnes de lalliage 718 conduisant au durcissement de lalliage.

1.2.2.4

La matrice

Cette phase est parfois dnomme dans certaines publications. Cest une phase stable associe la phase mtastable de type cristallographique orthorhombique ordonne (DOa ) dont les paramtres sont a=0.5141 nm, b=0.4231nm et c=0.4534nm. La phase se forme dans le cas de vieillissement de longue dure et dans lintervalle 700-900C [Sund-1988], [Sund-1994]. Elle est majoritaire si les traitements sont eectus dans lintervalle [900 1000C]. De plus, cette phase ne contribue pas signicativement au durcissement de lalliage ; par contre elle semble bnque en ce qui concerne la valeur de la ductilit la rupture. Slama et al. ont essay dans [Slam-1997] de tracer le diagramme TRC de lInconel 718 dans le but de limiter les domaines de prcipitation des ces direntes phases en fonction de la cintique de traitement thermique. Les caractristiques essentielles de ce diagramme sont les suivantes : Pour des vitesses de refroidissement VR > 100C s1 , seule la phase est observe Pour 5C. s1 < VR < 100C. s1 il y a seulement prcipitation de la phase . Pour VR = 5C. s1 en plus de la phase , il y a prcipitation de la phase .

8

%%

$

# "!

CFC

' (

' (Ni (Nb) ; DO )

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Pour VR < 5C. s1 , il y a prcipitation de la phase (N i3 N b). Cependant, plus la vitesse de refroidissement diminue, plus les fractions volumiques des prcipits ( et surtout ) sont importantes. Sundararaman et al. ont montr dans [Sund-1988],[Sund-1994] que la phase est la seule phase observe au sein de la matrice pour des traitements eectus entre 900C et 1000C. La Figure 1.3 prsente le diagramme TRC de lInconel 718 trac par Slama et al. [Slam-1997].

Figure 1.3 Diagramme TRC de linconel 718 [Slam-1997].

1.2.2.5

Les carbures

Le carbone prsent en faible quantit dans la composition chimique de lInconel 718 est susceptible dtre pig par les lments carburignes (Ti, V, Cr, Nb, Mo, Ta, W, Hf). Plusieurs types de carbure peuvent tre forms : des carbures secondaires de type M23 C6 (exemple Cr23 C6 ) qui se trouvent gnralement en grande majorit dans les joints de grain de la matrice . Alors que des carbures primaires de type MC (exemple TiC, NbC, MoC. . .) sont frquemment rpartis de manire plus homogne dans lensemble du matriau. La Figure 1.4 montre la rpartition des carbures primaires NbC dans la matrice [Four-2000]. La prsence des carbures dans les joints de grain amliore les proprits mcaniques de ces alliages ; ils jouent un rle de barrire contre les eorts de cisaillement transmis par une matrice ecacement durcie par les phases et [Four-2000]. Les carbures primaires de type MC se forment au voisinage du point de fusion et en particulier lors de la solidication de lalliage [Fox-1985]. Par contre les carbures secondaires de type M23 C6 , qui jouent un rle trs important dans la rsistance de ces alliages au uage, sont obtenus par des traitements thermiques de vieillissement [Sund-1993]. 9

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Figure 1.4 Rpartition du carbure primaire NbC dans lInconel 718 [Four-2000].

1.2.3

Mise en forme de lInconel 718

Lorsque la fraction volumique de est grande, la temprature de remise en solution de lalliage slve et les dicults de mise en forme des pices par forgeage chaud croissent ou rendent lopration impossible. Les alliages les plus chargs en (Ti + Al + Ta + Nb), an daugmenter la temprature de service jusqu 1000-1100 C, sont gnralement couls. Les oprations dcrouissage et les divers recuits que subissent les pices forges ont pour rsultat de faire disparatre en grande partie les htrognits produites en cours de solidication et de permettre un contrle de la taille de grains, de la morphologie et de la distribution des phases durcissantes. Ces derniers ainsi que lcrouissage rsiduel et le brage font partie des paramtres qui inuent directement sur la tenue mcanique de la pice. Aprs forgeage, lalliage est port une temprature de recuit qui assure une remise en solution partielle ou complte de la phase durcissante Pour les applications basse temprature un recuit de 1010 C/1h par exemple ne permettant pas la remise en solution complte de , vite une recristallisation gnrale et assure une restauration partielle des grains crouis. Pour les applications haute temprature, un recuit au-dessus de la temprature de remise en solution, sera pratiqu de faon disposer du maximum de fraction volumique de de petite taille la temprature dutilisation. Les alliages base nickel peuvent tre labors par la mtallurgie des poudres. Cette mthode ore lalliage une bonne homognit, des tailles de grain trs nes ( 25 m) et une distribution des phases trs uniformes. Ces caractristiques amliorent signicativement les proprits mcaniques, surtout la tenue en fatigue, de lalliage [Appa-2004].

10

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Gnralement, lInconel 718 subit des traitements de vieillissement thermique avant la mise en service dans le but daugmenter ces proprits mcaniques. La Figure 1.5 illustre les direntes tapes de ce traitement. Le traitement standard de lalliage 718 consiste en une hyper trempe depuis 950C. Deux autres revenus successifs de 8 h 718C et 620C respectivement sont ensuite appliqus pour faire prcipiter les phases durcissantes et .

AG1 : vieillissement 1 AG2 : vieillissement 2

ST : Revenu WQ : Trempe leau AC : Refroidissement lair FC : Refroidissement dans le four

1.5 h 950C Temprature (C) 8h 718 C 1.7 h WQ AC FC 8h

621

ST

AG1

AG2

Temps (heure)

Figure 1.5 Traitement thermique de linconel 718 [Chou-1998].

1.2.4

Proprits mcaniques

LInconel 718 prsente des proprits mcaniques exceptionnelles haute temprature (jusqu une temprature de service de 650C). La Figure 1.6 montre lvolution des contraintes Re et Rm dun alliage dInconel 718 en fonction de la temprature. Au-dessus de cette temprature les proprits mcaniques de lalliage se dgradent rapidement. On retrouve le domaine de superplasticit pour des tempratures voisines de 950C. Les comportements mcaniques en traction de lInconel 718 dpendent des traitements thermomcaniques utiliss pour la mise en solution. [Alex-2004] prsente une comparaison entre les proprits mcaniques de traction de trois alliages, lun a subi aprs le forgeage des traitements dhyper trempe depuis 955C suivi de deux revenus successifs (TR 718) ; Le deuxime a subi seulement un revenu directement aprs le forgeage (DA 718) et le troisime est obtenu par la mtallurgie des poudres (Ren 95)(Figure 1.7). Il est constat que lalliage (DA 718) permet un gain au niveau de la limite dlasticit cause de sa structure ne et de lcrouissage issue des oprations de forgeage. Gnralement les pices en Inconel 718 sont usines aprs des traitements thermomcaniques (Figure 1.8). 11

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

2000 Rsistance (MPa) 1600 1200 800 400 0 0 200 400 600 800 Temprature ( C) 1000 1200 Re0,2 Rm A% x 10

250 Module de Young (GPa) 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Temprature ( C) Module de Young

Figure 1.6 Lvolution des caractristiques mcaniques de lInconel 718 avec la temprature Leurs proprits mcaniques sont, par consquence, trs leves. La limite lastique peut atteindre 1426 MPa pour une large plage de temprature allant jusqu 650C. De plus, cet alliage est trs crouissable surtout haute temprature. Son allongement la rupture reste stable 20 % pour des tempratures allant jusqu 950C. Au-del de cette valeur, un phnomne de superplasticit se dclenche dont lallongement peut atteindre 180 %. Ces proprits contribuent des problmes de mise en forme de lInconel 718 par enlvement de la matire. Sa qualit rfractaire, caus par sa conductivit thermique faible, pose aussi un grand problme lors de son usinage. Une concentration de la temprature dans la zone de coupe favorise lendommagement rapide de loutil. Le tableau 1.2 prsente quelques proprits physiques de lInconel 718.

12

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

R

(MPa)

Temprature (C)

Figure 1.7 Evolution de la rsistance limite la traction de trois alliages base de nickel en fonction de la temprature ([Faym-1987]) Valeur Densit (g/cm3 ) Conductivit thermique (W/m.K) 8.19 11.3 12.6 14.2 15.5 17.2 18.8 20.5 22.2 23.9 435 T (C) 20 20 100 200 300 400 500 600 700 800 20

Chaleur Spcique (J/Kg.C)

Tab. 1.2 Quelques proprits physiques de linconel 718

1.31.3.1

Usinage de lInconel 718Les problmes dusinage de lInconel 718

Lusinabilit des alliages base de nickel est gnralement mauvaise compare aux aciers et aux aciers inoxydables, consquence invitable de ces proprits mcaniques, physiques et structurales 13

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Forgeage Traitement thermique Remise en solution : -TR :traitement standard -DA : vieilli directement aprs forgeage

Usinage

Sciage

Forgeage

Traitement thermique

Usinage : bauche+finition

Figure 1.8 Exemple de gamme de fabrication des disques de turbine daprs AUBERT & DUVAL trs leves. Les problmes dusinage de ces alliages se manifestent par la faible dure de vie des outils de coupe et par les altrations svres de lintgrit de la surface usine [Dudz-2004], en terme de contraintes rsiduelles ou rugosit. De plus, le cot de revient lev de lopration dusinage de ces matriaux est pris parmi les critres pour classer lInconel 718 parmi les matriaux les plus diciles usiner. En eet, les applications de ces types dalliages dans le domaine aronautique demandent lenlvement par usinage dune grande quantit de matire pour passer dune pice brute une pice nie, le volume de matire enlever par usinage atteint 80 %. Le problme dusinage des pices aronautiques est li aussi la forme des pices elles-mmes : Les formes complexes du produit nal demandent une grande prcision sur la qualit des parcours doutil (trajectoire, vitesse, acclration) (Figure 1.9) ; La mise en vibration facile de la pice lors de son usinage (pices dformables) ; Les contraintes dimensionnelles et gomtriques trs prcises du produit.

Figure 1.9 Complexit de la forme des pices aronautiques

14

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Un trs grand soin doit alors tre apport lors des oprations dusinage de ces alliages an damliorer la productivit de lopration tout en prservant lintgrit de surface des composants usins. En eet lintgrit de surface a des consquences directes sur les comportements mcaniques du produit nal en particulier sur sa dure de vie [Brun-1991]. Depuis les annes 80, des eorts considrables sont fournis an de contrler les paramtres de lopration dans le but damliorer lusinabilit de ces types dalliages savoir : Le choix de loutil de coupe en optimisant ses paramtres tels que le matriau du substrat, son revtement, sa forme et sa macro-gomtrie et aussi la prparation de ses artes. Le choix de la nature et du mode de lubrication (MQL, Haute pression, sec...). Loptimisation des conditions de coupe La recherche des nouvelles stratgies dusinage (usinage avec assistance, optimisation de la trajectoire de loutil). Dans cette partie, nous allons prsenter linuence de chacun de ces paramtres sur lusinabilit de lInconel 718.

1.3.21.3.2.1

Le choix de loutil de coupeIntroduction

Quelle que soit la nature du matriau usiner, loutil fait partie de llment primordial pour la russite de lopration. Il est expos des sollicitations thermomcaniques trs svres, surtout dans le cas de lInconel 718, o la matire conserve sa rsistance sous hautes tempratures. Lorsque la matire possde une mauvaise conductibilit thermique, loutil doit pouvoir rsister aux fortes tempratures. On doit savoir, aussi, que si la surface de la matire a tendance lcrouissage, loutil subit une forte tendance lusure en entaille, tandis que si la matire possde une structure particules de carbure dures, loutil suse par abrasion. Dans cette optique ; le matriau du substrat, le revtement, la forme macro et micro gomtrique de loutil doivent tre bien choisis pour lui donner certaines rsistances cet environnement hostile.

1.3.2.2

Matriaux outils pour lusinage de lInconel 718

Les hautes caractristiques mcaniques et micro-structurales de lInconel 718 imposent dnormes contraintes loutil. Ce dernier doit runir plusieurs caractristiques physiques : Une duret chaud leve Une rigidit importante Une tnacit leve Une haute rsistance loxydation et labrasion Une inertie chimique leve Une forme gomtrique adapte.

15

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Il existe sur le march plusieurs types doutils possdants des proprits et des capabilits direntes tels que les outils en aciers rapides, les outils en carbure mtallique, les outils en cramique, les outils en nitrure de bore cubique (C-BN)(Figure 1.10)[Poul-1999].PCBN

1PCD

Matriau doutil de coupe idal

Rsistance lusure Maintien de la duret la chaleur

Cramique oxydes

2

Mtaux durs revtus Cramiques nitrures Mtaux durs base de WC Mtaux durs grains ultra fins

Acier rapide revtu de TiNPCD 1 : temprature ambiante PCD 2 : temprature leve

Acier rapide

Robustesse, rsistance la rupture transversale

Figure 1.10 Les matriaux outils en fonction de la duret chaud et de la tnacit.[Poul-1999] Les alliages base nickel peuvent tre usins avec des outils en carbure de tungstne pour des vitesses de coupes infrieures 30 m/min. Par contre, avec laugmentation des pressions conomiques, lusinage grande vitesse a t introduit. Des revtements PVD sur des outils en carbure de tungstne apparaissent aujourdhui. Ils prsentent des proprits physico-chimiques permettant datteindre des vitesses de coupe au-del de 100 m/min. Rcemment il est devenu possible dusiner ces types dalliages avec des vitesses suprieures 400 m/min avec des outils en cramique et des outils c-BN.

A- Outils carbures Le carbure de tungstne est le matriau le plus utilis pour la fabrication des outils de coupe. On trouve deux catgories de carbures : (1) les carbures simples composs de carbure de tungstne (WC) et de liant cobalt (Co) dont la proportion varie de 2 15 % en masse, (2) les carbures mixtes qui possdent en plus du WC, du carbure de titane (TiC), de tantale (TaC), de vanadium (VC) ou de niobium (NbC) [List-2004]. Initialement, ces types doutils sont utiliss pour la coupe des superalliages base de nickel avec des vitesses faibles variant entre 10-30 m/min [Ezug-2005] et avec des vitesses davance leves. Ils sont recommands pour les procds dusinage interrompus daprs [Jawa-2001] [Alau-1995] et [Alau-1998]. Jawaid et al. [Jawa-2001] ont montr quen fraisage des pices en Inconel 718 avec des faibles vitesses (25 m/min), les outils en carbure de tungstne non revtus prsentent une meilleure dure de vie que les outils carbure revtus TiN. Par contre, en augmentant la vitesse de coupe les outils carbures ne rsistent plus aux eorts et aux tempratures de coupe trs leves. Ceci est du lvolution oppose des proprits mcaniques de la matire usinante (carbure) et de la matire usine (Inconel 718) (Figure 1.11). En eet, haute 16

Chapitre 1 : Usinage de lInconel temprature ( 800 C) les proprits mcaniques du carbure diminuent alors que lon commence rentrer dans le domaine intressant de superplasticit de lInconel 718 ; permettant de reduire les eorts mcaniques de coupe. De plus, ses faibles instabilits thermochimiques, favorisent son usure rapide.2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

Duret carbure (HV1)

A % x 10 Duret (HV1)

A (%) x 10

200

400

600

800

1000

1200

1400

Temprature ( C)

Figure 1.11 Evolution des proprits mcaniques du matriau usinant (substrat en WC/Co) et de la matire usine (Inconel 718) en fonction de la temprature.

Liao et al [Liao-1996] ont analys les mcanismes dusure de deux types doutil en carbure de tungstne de grade K20 et P20 lors de lusinage de lInconel 718. Ils ont observ une couche adhre la face de coupe trs proche de larte de coupe outil K20 lors de lusinage de lInconel 718 avec une vitesse de 35 m/min accompagn dun phnomne dcaillage de larte de coupe. Pour loutil type P20, la couche adhre est toujours existante. Mais comparativement avec le prcdent, lusure est plus irrgulire, le volume de la matire use est plus important. Les analyses chimiques faites sur la face de coupe de deux outils, pour une vitesse de coupe de 35 m/min ont montr la diusion des lments de lInconel et surtout le nickel et le fer dans loutil de coupe. Ils ont expliqu ce phnomne par llvation de la temprature dans la rgion de contact (1000C). Cest pour cela que la protection des outils en carbure de tungstne par des revtements cramiques est devenue ncessaire pour amliorer la productivit de ces outils.

B- Outils cramiques Lutilisation des outils en cramique pour lusinage de lInconel 718 a eu lieu depuis les annes quatre-vingt. Ces matriaux sont classs parmi les matriaux " ultra-durs ". Ils sont caractriss par une haute rsistance la temprature, labrasion et la corrosion. De plus ils conservent leurs proprits de duret chaud. Lusinage grande vitesse de lInconel 718 devient possible avec le dveloppement de ces outils en cramique. Les vitesses de coupe sont multiplies par 6 8 par rapport celles employes avec les carbures (Figure 1.12).

17

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Figure 1.12 Evolution de la temprature de la coupe en fonction de la vitesse de coupe (J. Vigneau, Techniques de lingnieur BM 7 285) Deux types de matriaux cramiques de base sont utiliss comme outil de coupe. On trouve des outils base doxyde daluminium (Al2 O3 ) et le nitrure de silicium (Si3 N4 ) appel aussi les "sialon". Bien que les oxydes daluminium (Al2 O3 ) possdent une duret trs leve et une stabilit chimique haute temprature avec le nickel et le fer [Chou-1998], ils sont caractriss par leur fragilit, qui prsente un grand problme pour usiner lInconel 718 [Dudz-2004], et leur faible conductivit thermique. Dautres drivs des ces matriaux sont obtenus en ajoutant quelques lments additifs dans le but damliorer ses proprits. Laugmentation de la rsistance aux chocs mcaniques est assure par lajout de quelques traces doxyde de zirconium (ZrO2 ). Par contre, la rsistance aux chocs thermiques est amlior en ajoutant les carbures de titane (TiC). Les sialon (Si3 N4 ) prsentent des proprits plus importantes que celles de lalumine (Al2 O3 T iC). Ils sont utiliss en gnrale pour lusinage bauche de lInconel 718. Ils peuvent tre employs pour usiner lInconel 718 avec des vitesses de coupe et davances plus leves que celles pour les outils (Al2 O3 T iC). Rcemment des nouvelles nuances de cramique ont t dveloppes montrant des bonnes performances en raison de leur rsistance lusure et de leur tnacit. Ces sont des matriaux composites dont lalumine prsente la matrice renforce par des bres en carbure de silicium avec 25 % de volume. Les composites (Al2 O3 + SiCW ), connus sous le nom Whiskers, ont montr des proprits mcaniques et thermiques intressantes en comparaison avec toutes les autres nuances de cramiques utilises pour les outils de coupe [Chou-1998]. Le domaine de vitesse de coupe de cette dernire nuance varie entre 200-750 m/min avec des vitesses davance variant entre 0.18-0.375 mm/tr. A grande vitesse (500 m/min), la nuance Al2 O3 T iC est la plus recommande pour lusinage de lInconel 718 daprs les travaux de Narutaki et al. [Naru-1993] et Kitagawa et al. [Kita-1997]. Elle 18

Chapitre 1 : Usinage de lInconel possde une bonne stabilit chimique en comparaison avec les autres nuances Al2 O3 + SiC, Si3 N4 . Par contre pour des vitesses entre 100-300 m/min, les whiskers (Al2 O3 + SiC) sont les plus performants pour une vitesse davance de 0.19 mm/tr et une profondeur de passe de 0.5 mm. Ils prsentent une meilleure rsistance lusure en entaille par rapport aux deux autres nuances. Il est possible, daprs El-Wardany et Elbestawi [ElWa-1995], dusiner lInconel 718 avec des vitesses allant jusqu 2000 m/min en utilisant des plaquettes en whiskers (Al2 O3 + SiC) ayant la forme rond et en prsence dune lubrication intense. Gnralement, le mode dusure le plus observ lors de lusinage de linconel 718 avec ces outils en cramique est lusure en entaille [Li-2002], [Naru-1993] et [Elbe-1993].

C- Outils c-BN Les Nitrures de Bore Cubique sont les matriaux les plus durs aprs les diamants. Les outils c-BN sont composs de nitrure de bore (50 90 %) et de liant cramique TiC ou TiN. Ils ont des proprits mcaniques meilleures que celles des cramiques notamment, la rsistance la ssuration et la duret chaud. Par contre, ils ont une rsistance chimique faible qui leur donne la possibilit de ragir avec les lments chimiques du matriau usin et surtout les alliages base nickel. Dune manire gnrale, le choix de loutil de coupe dpend de lopration raliser. En ralit une productivit optimale est obtenue avec les cramiques, que ce soient de type Whisker, TiCalumine ou Sialon, des vitesses de coupe comprises entre 200 et 750 m/mn. Lencombrement des plaquettes en cramique limite parfois leur application lors de lusinage de zones peu accessibles. De plus, elles ont des prparations dartes engendrant de trs grands eorts de pntration (problmes pour lusinage des pices minces). Enn, lorsquil existe, des limitations lies la machine ou des critres dtat de surface, etc., une nuance carbure revtue, est la meilleure alternative.

1.3.2.3

Revtements

Depuis plus de dix ans, lutilisation doutils coupants non-revtus en usinage tend disparatre au prot doutils revtus. Cette tendance, dabord instaure en tournage, est peu peu gnralise pour tous les outils coupants (fraisage, taillage et perage) et ce, quelque que soit le matriau substrat (acier rapide ou carbure) [Rech-2002]. Les revtements doutils sont donc principalement conus pour les protger contre les nombreuses agressions thermiques et mcaniques auxquelles il est soumis lors dune opration dusinage, surtout grande vitesse, et par consquent, pour limiter les quatre phnomnes dusure que sont : Ladhsion entre usinant et usin ; Labrasion de lusinant par des particules dures provenant de lusin ; Loxydation de lusinant ; La diusion de matire de lusinant vers lusin ; 19

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Gnralement, des couches cramiques base titane sont les plus utilises pour protger les outils carbure lors de lusinage de linconel 718. Nombreux sont ceux qui cherchent identier quelles sont les proprits dun revtement les plus inuents sur lusinabilit de lInconel 718. Est-ce sa duret ? Et/ou ses proprits thermiques ? Et/ou ses proprits chimiques ? Jindal et al. [Jind-1999] ont test les revtements TiN, TiCN et TiAlN (obtenus par voie PVD) lors dune opration de tournage de lInconel 718. Ils ont constat que le revtement TiAlN est le plus convenable (Figure 1.13). Ils ont expliqu ce rsultat par la tendance du revtement TiAlN former une couche dalumine Al2 O3 sur la face de coupe limitant ainsi le phnomne doxydation et augmentant leur rsistance labrasion. De plus la faible conductivit thermique des revtements TiAlN (10 W/m.K)(alors que celle du revtement TiN et TiCN sont respectivement 20 et 30 W/m.K )[Tons-1999] favorise lvacuation de la temprature par les copeaux. Cest pour cette raison que ces revtements ont montr la plus petite usure en cratre. La performance dun tel revtement a t montre aussi par Li et al. [Li-2002], Sharman et al. [Shar-2001] et par Ducros et al.[Ducr-2003].

Dure de vie (min)

PVD TiN

PVD TiCN

PVD TiAlN

Figure 1.13 Dure de vie des outils en carbure revtus PVD-TiN, TiCN et TiAlN en tournage de lInconel 718 (f = 0.15 mm/tr, ap = 1.5 mm et vitesses de coupe Vc = 46 et 76 m/min) [Jind-1999]. Prengel et al. [Pren-2001] ont conrm galement ces rsultats mais pour des revtements multicouches de TiAlN. Ces derniers sont plus performants que les revtements TiAlN-monocouche et que les revtements multicouche-TiN/TiCN/TiAlN en terme de dure de vie surtout pour la plus haute vitesse 76 m/min. Sachant que les essais ont t faits en prsence de lubriant. Le mode dusure le plus observ dans ces essais est labrasion, accompagne par une dformation plastique de larte de coupe. En conclusion, les revtements monocouche-TiAlN et multicouche TiAlN sont les plus recommands pour lusinage de lInconel 718 des vitesses relativement leves (76 m/min). La performance de ce type de revtement est due sa haute rsistance loxydation, sa bonne stabilit chimique haute temprature, sa haute duret et sa faible conductivit thermique. Dans ce travail, nous allons tudier le comportement tribologique de ces revtements (TiAlNmonocouche) lors de lusinage de lInconel 718. Nous allons galement le comparer avec le revtement 20

Chapitre 1 : Usinage de lInconel TiN . Ces deux types de revtements sont les plus rpandus en usinage. Les statistiques montrent que depuis 1998, 81 % des outils coupants sont revtus par des revtements TiN et 12 % par des revtements TiAlN [Rech-2002]. Ce dernier type possde des bonnes proprits physicochimiques qui lui permettent dtre un bon candidat pour les applications dusinage grande vitesse. On cite, par exemple, sa grande duret chaud, sa bonne tenue la fatigue, sa faible vitesse doxydation, sa faible conductivit thermique, ainsi que sa faible vitesse de diusion (eet de lalumine). Par contre, son aptitude au frottement reste incertaine [Rech-2002]. Dans ce travail nous allons tudier son comportement tribologique sous des conditions de contact trs extrmes avec lInconel 718. Le tableau 1.3 rsume les direntes proprits physiques de ces deux revtements Proprits Conductivit thermique (W/mK) 20 C Duret (HV0.01 20 C) Inertie chimique Temprature doxydation (C o ) Rsistance la fatigue Rsistance lusure2

Revtement TiN 20 1600-2500 + 500-700 + + 0.4-0.69

Revtement TiAlN 10 2500-37001 ++

700-800 ++ ++ 0.3-0.75

Frottement1 2

Meilleur comportement Coecient de frottement donn via des essais pion-disque contre de lacier

Tab. 1.3 Proprits physiques des revtements TiN et TiAlN

1.3.2.4

Formes et gomtries de loutil de coupe

Le choix de la forme des plaquettes adquates pour lusinage de lInconel 718 a une inuence dcisive sur la productivit et sur la qualit de la pice nie. En pratique, pour travailler avec une avance importante, le rayon de bec devra tre le plus grand possible pour minimiser lusure en entaille de la plaquette. De plus, an de supporter les contraintes dusinage dues aux grandes valeurs des proprits mcaniques des pices usines, loutil de coupe doit avoir une rigidit maximale. Cest pour cette raison que les plaquettes rondes sont les plus recommandes. Elles sont robustes et permettent une productivit leve (Figure 1.14). La rugosit de la surface et les contraintes rsiduelles sont deux critres dvaluation pour le choix de la forme de la plaquette. Les travaux de Coelho et al. [Coel-2004] ont montr que les plaquettes rondes sont les plus adquats pour lusinage de lInconel 718. Dans cette tude, trois plaquettes de formes gomtriques direntes : triangulaires, carrs et rondes ont t testes pour lusinage en nition de lInconel 718 (Vc =500 m/min, ap = 0.35 mm et f = 0.1 mm/tr). Chacune de ces plaquettes est obtenue partir de trois matriaux dirents : deux outils en cramique (Al2 O3 et 21

Chapitre 1 : Usinage de lInconelFaible Productivit Eleve Choix prioritaire Faibles Forces Radiales Eleves

Figure 1.14 Inuence de la forme de la plaquette sur sa productivit Al2 O3 + SiC) et un outil c-BN, nomms respectivement C50, C70 et P50. Les essais ont montr la performance des plaquettes rondes et surtout des plaquettes cramiques C70, en terme de rugosit de la surface usine, usure de loutil et les contraintes rsiduelles (Figure 1.15).

b

Figure 1.15 Inuence de la forme des plaquettes et de la prparation des artes de coupe sur la rugosit obtenue sur des pices en Inconel 718 usines avec une vitesse de 500 m/min, ap = 0.35mm et f = 0.1 mm/tr (daprs [Coel-2004]) . De mme, langle dattaque (r ) doit tre optimis dans le but daugmenter la dure de vie de loutil. En eet, en rduisant langle dattaque, lpaisseur des copeaux peut tre rduite et la longueur de larte de coupe augmente, ce qui permet de rduire la chaleur gnre localement et daugmenter la dure de vie doutil. Ceci explique les rsultats trouvs par Rahman et al. [Rahm-1997]. Dans son travail, lusure en dpouille des plaquettes, la rugosit de la surface usine et les eorts de coupe ont t pris comme paramtres indicateurs de la dure de vie des outils. Cette dernire augmente signicativement, comme le montre la Figure 1.16, lorsque langle complmentaire de r passe de -5 degrs 45 degrs. Cette inuence est observe pour toutes les conditions de coupe testes dans ce travail (trois vitesses de coupe 30, 40 et 50 m/min, trois vitesses davances 0.2, 0.3 22

Chapitre 1 : Usinage de lInconel et 0.4 mm/tr) et aussi pour les deux types de plaquettes en carbure de tungstne, une revtue TiN (PVD) et lautre revtue par un revtement multicouche de Al2 O3 (CVD).

f t1

f t2

f

t3 Outil Outil Outil 45 deg

0 deg

15 deg

Figure 1.16 Inuence de la gomtrie de loutil sur sa dure de vie lors de lusinage de lInconel 718 daprs [Rahm-1997] Par ailleurs, il est conseill, lors de lusinage des superalliages rfractaires avec une profondeur de coupe plus importante que le rayon du bec, dutiliser des plaquettes rondes avec un angle dattaque (r ) ne dpasse pas 45 et usiner avec profondeur de passe variable au cours de lusinage. En ce qui concerne la prparation dartes, Coelho et al. [Coel-2004] ont montr que quelques modications sur les artes de coupe des plaquettes commercialises (C) permettent une amlioration de leur performance (Figure 1.15). Gnralement, larte chanfreine est recommande dans le cas de travail aux chocs ou de gros enlvement de matire. La largeur du chanfrein sur la face de coupe doit tre suprieure la valeur de lavance de loutil. Les plaquettes arte vive sont utilises uniquement en nition et donnent de meilleurs tats de surface.

1.3.3

Choix des conditions de coupe

En usinage, le choix des conditions de coupe a une inuence dterminante sur la productivit et sur la qualit du produit ni. En eet, la vitesse de coupe, la vitesse davance et ventuellement la profondeur de passe dans une moindre mesure ont des consquences directes sur la dure de vie de loutil, sur les eorts de coupe, sur la rugosit et les contraintes rsiduelles de la surface usine notamment dans le cas de lusinage des matriaux usinabilit mdiocre tel que lInconel 718 (Figure 1.17) [Rahm-1997],[Dudz-2004b]. Pour cette raison, il est indispensable doptimiser ces conditions an de dimensionner correctement le processus de production. Actuellement, il existe une dmarche normalise NFE66-520 pour dterminer le domaine de validit dun outil lors dune opration dans une matire. Ce domaine comprend lensemble des points de fonctionnement acceptables au plan industriel

23

Chapitre 1 : Usinage de lInconel50

45

40

0,4 mm/tr 0,3mm/tr

dure de vie (min)

35

0,2mm/tr30

25

20

15

10

5

0 20 25 30 35 40 45 50 55

vitesse de coupe (m/min)

Figure 1.17 Infuence de la vitesse de coupe et de la vitesse davance sur la dure de vie de loutil en usinage de lInconel 718 [Rahm-1997] En pratique, la recherche de ces points de fonctionnement passe par plusieurs tapes : 1. Recherche de la vitesse de coupe minimale Vc min . Cest un point de dpart au-del duquel se situent les points de fonctionnement acceptables. Cette vitesse correspondant lapparition dune arte rapporte dtecte par une augmentation de lnergie spcique de coupe Kc . 2. Dtermination du diagramme de fragmentation du copeau en faisant varier la vitesse davance f et le profondeur de passe ap . Lors de chaque essai, il est important de mesurer la puissance de coupe consomme pendant lusinage (hors consommation vide) an de dterminer lnergie spcique de coupe associe. 3. Modlisation du comportement en usure des outils. Cette modlisation permet de dterminer la vitesse davance maximale fmax et la profondeur de passe maximal ap max (Figure 1.18).

Figure 1.18 Dtermination du domaine de fragmentation des copeaux Nous avons ralis au cours de ce travail, le COM dune plaquette SECO (CNMG12 04 04 MF1CP200) de rayon du bec 0.4 mm en tounage de nition de lInconel 718. La vitesse de coupe minimale trouve est de 20 m/min. la vitesse de 45 m/min, o la puissance de coupe consomme et 24

Copeau long

Chapitre 1 : Usinage de lInconel la rugosit sont minimales, le point (fmin , ap min ) est dtect en mesurant la puissance consomme. Les rsultats montrent que fmin vaut 0.11 mm/tr et ap min vaut 0.15 mm. Figure 1.19

1.3.4

Choix de la nature et du mode de lubrication

LInconel 718 peut tre usin sec ou en prsence dun lubriant. Actuellement, et avec les problmes cologiques, il est recommand de travailler sec. En eet, vue la mauvaise usinabilit de cet alliage, son usinage demande une grande quantit de lubriant qui augmente le cot de lopration et prsente des problmes lors du recyclage des copeaux. Par consquent, deux alternatives sont envisageables : travailler sec ou, la limite, avec micropulvrisation appele aussi MQL (Minimal Quantity Lubrication). Le mode et la nature de lubriant inuent directement sur la dure de vie de loutil de coupe et sur la qualit de la surface usine [Kama-2007]. La Figure 1.20 prsente une comparaison entre trois modes de lubrication lors de la nition de lInconel 718 avec une vitesse de 60 m/min : sec, lubrication aqueuse, et avec MQL une huile vgtale biodgradable. Le meilleur rsultat est donn par le revtement A (CVD-TiCN/Al2 O3 /TiN) en utilisant le mode MQL. Leet de la pression de pulvrisation (0.4 et 0.6 MPa) et sa nature (air et argon) ont t tests dans ce travail. Les conditions optimales de pulvrisation sont lutilisation de lair avec une pression de 0.4 MPa. Le pouvoir rfrigrant du uide de coupe et son pouvoir lubriant sont les deux critres de choix dun lubriant. Su et al. [Su-2007] ont montr que, dans le cas de lusinage de lInconel 718, la pulvrisation dun gaz froid est meilleure que celle dune huile de coupe ordinaire. Ainsi [Wang-1996] et [Hong-2001] ont propos un autre mode de lubrication permettant de contrler la temprature de loutil avec assistance cryognique (CEM, cryogenically enhanced machining). Cette mthode consiste envoyer un jet dazote liquide linterface outil-copeau permettant la dissipation de lnergie thermique gnre pendant la coupe. Ezugwu et al. [Ezug-2005] ont montr que la lubrication avec un jet deau haute pression permet damliorer lusinabilit grande vitesse de lInconel. Le jet deau est envoy haute pression au niveau de linterface outil-copeau an de contrler et damliorer la fragmentation des copeaux. Ils ont montr quil est ncessaire doptimiser la puissance de jet an damliorer la performance de cette mthode. La Figure 1.21 montre linuence de la pression de jet sur la dure de vie de loutil. Le tableau 1.4 rsume les rsultats de ltude de Arunachalam et al.[Arun-2004b] sur linuence des dirents paramtres de loutil sur lintgrit de la surface usine en terme de rugosit et de contraintes rsiduelles.

25

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Paramtres de loutil Forme de la plaquette (carre ou ronde) Prparation de larte de coupe (atage, sablage, chanfreinage)

Eet sur la rugosit de la surface La plaquette ronde donne la plus faible valeur Rugosit dans lordre croissante : sablage, chanfreinage, atage

Eet sur les contraintes rsiduelles La plaquette ronde induit des contraintes de compression Contrainte de compression dans lordre dcroissante : (atage, sablage, chanfreinage) Larte de coupe ngative entrane des contraintes de compression

Type de larte de coupe (Positif, ngatif)

Larte positive entrane une rugosit faible avec lubriant. Par contre elle est plus important sec

Rayon du bec (0.8, 1.2, 1.6)

Rugosit dans lordre croissante (1.6, 1.2, 0.8) Bnque

Contrainte de compression dans lordre dcroissante (0.8, 1.6, 1.2)

Lubriant

Tab. 1.4 Inuence des paramtres de loutil sur lintgrit de la surface usine dans le cas de lusinage de lInconel 718 [Arun-2004b]

1.3.5

Usinage de lInconel 718 avec assistance

Bien que les outils cramiques ont permis dusiner linconel 718 avec des vitesses de coupe 6 8 fois plus leves que dans le cas des outils carbure, leur dure de vie reste toujours limite. De plus leurs cots trs levs (approximativement 24 euros la plaquette) restent des obstacles limitant lusinabilit de ces alliages. Pour surmonter ces problmes de lusinage des superalliages et dautres matriaux durs usiner, des nouvelles mthodes dusinage avance ont t dveloppes depuis les annes 80. Parmi ces nouveaux procds, nous citons : lusinage assist par une source de chauage externe localise permettant une diminution des caractristiques mcaniques de la matire juste avant le passage de loutil pour faciliter la coupe. Gnralement des sources laser CO2 ou ND-Yag ayant une densit de puissance trs leve sont les plus utilises. En comparant avec les procds dusinage classique, cette mthode a permis, daprs les travaux de Ben Salem dans [Bens-1995], Komanduri et al. dans [Koma-1985] et dernirement Germain et al. dans [Germ-2006], de diminuer lusure de loutil jusqu 40% et les eorts de coupe de 30 50 % et les contraintes rsiduelles en surface et la profondeur aecte de 70%. Par contre, le cot lev dune source laser trs puissante (par exemple une source de laser CO2 de 1.5 KW cote 102 000 euros) et la complexit du couplage source-machine et la mise au point limitent lutilisation industrielle de cette mthode. Une autre alternative plus conomique consiste utiliser un plasma comme source de chaleur (PEM, Plasma enhanced machining ). Cette mthode a permis daprs [Koen-1990], [Kita-1988] et [Shin-1996] une amlioration signicative de lusinabilit de ces matriaux (diminution de lusure de 40%). Malgr cela, le problme de la temprature au voisinage de larte de coupe, qui gouverne en gnrale lusure des outils, nest pas rsolue. 26

Chapitre 1 : Usinage de lInconel Une mthode hybride dveloppe dernirement par Wang et al. [Wang-2003] consiste utiliser en mme temps une assistance par plasma PEM et une assistance cryognique CEM lors de lusinage de lInconel 718 avec une plaquette cramique une vitesse de 312 m/min. Cette mthode a permis, en comparaison avec le procd de tournage classique, une amlioration de ltat de la surface usine de 250% et de la dure de vie de loutil de 156%. De plus, les eorts de coupe ont t diminus de 30 50%. La Figure 1.22 prsente la performance de la mthode hybride (HM) en comparaison avec lusinage conventionnel et lassistance plasma (PEM) de lInconel 718 avec une plaquette cramique WG-300.

1.4

Conclusions

Nous constatons, aprs cette tude, que les alliages Inconel 718 sont caractriss par une mauvaise usinabilit cause par ces proprits mcaniques et structurales. Des eorts considrables ont t fournis pour chercher les solutions techniques permettant de surmonter ce problme. Loptimisation des paramtres du procd, tel que le matriau, la forme, la gomtrie et le revtement de loutil ainsi que les conditions et les stratgies dusinage, ont permis damliorer signicativement lusinabilit de lInconel. Cependant cette mission a cot cher en terme de cot ou dlai. Lutilisation doutils de simulation numrique prsente aujourdhui une autre alternative trs conomique. Elle permet dtudier la coupe et tous ces phnomnes dans un temps rduit. De plus la simulation de la coupe donne accs des grandeurs inaccessibles par lexprience, comme la distribution de la temprature, la vitesse de dformation ou les contraintes dans la pice usine et dans loutil. Malgr quil y ait aujourdhui plusieurs facteurs scientiques et techniques (Algorithmes de calcul, matriel informatique trs puissant. . .) qui permettent davoir la possibilit de dvelopper des outils ables de simulation de la coupe, les codes de calcul actuels restent encore simplistes et incapables de donner des rsultats prcis. Un des problmes vient du manque dune modlisation susament nes des comportements des matrieux et du comportement tribologique des interfaces caractrisant le contact outils-matires. Dans le chaptre suivant, nous allons prsenter les dirents phnomnes tribologiques mis en jeu entre loutil et la matire usine ainsi que les techniques exprimentales utilises pour les caractriser.

27

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 Vc (m/min) 60 80 copeaux longs Vc min ~ 20 m/min

kc (N/mm)

kc exp (N/mm) Kc tho (N/mm)

(a) (f=0.15 mm/tr, ap=0.3 mm)9000 8000 7000 kc (N/mm) 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 0.05 0.1 0.15 f (mm/tr) 0.2 0.25 copeaux longs f min ~0.11 mm/tr

kc tho (N/mm) kc exp (N/mm)

(b) (Vc=45 m/min, ap=0.3 mm)7000 6000 5000 kc (N/mm) 4000 3000 2000 1000 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 ap (mm) copeaux longs

kc tho (N/mm) kc exp (N/mm)

ap min ~ 0,15 mm/tr

(c) (f=0.11 mm/tr, Vc=45m/min)

Figure 1.19 Dtermination du COM dune plaquette SECO (CNMG12 04 04 MF1CP200) en nition de lInconel 718 : (a) dtermination du Vc min (b) dtermination du fmin (c) dtermination du ap min

28

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Revtement A : CVD-TiCN/Al2 O3 /TiN

Revtement B : PVD-TiN/AlN

Revtement C : PVD-TiAlN

Figure 1.20 Etude de linuence de la nature et du mode de lubrication sur lusinabilit de lInconel 718 [Kama-2007]

Figure 1.21 Inuence de la pression de jet sur la dure de vie dun outil cramique (Al2 O3 + SiC) pendant lusinage de lInconel718 avec une vitesse de 270 m/min et une vitesse davance de 0.1 mm/tr.([Ezug-2005])

29

Chapitre 1 : Usinage de lInconel

Figure 1.22 Performance de la mthode hybride (HM) en comparaison avec lusinage conventionnel et lassistance plasma (PEM) de lInconel 718 avec une plaquette cramique WG-300 [Wang-2003]

30

Chapitre 2

Tribologie en usinage2.1 Introduction

La tribologie est le domaine de la science et de la technologie qui concerne linteraction de surfaces en mouvement relatif. Lusure et le frottement ne sont pas des proprits des matriaux mais des proprits dun systme tribologique. Un systme tribologique se dnit comme un systme mcanique, form de deux matriaux antagonistes en contact, anims de mouvements relatifs. Ces deux solides voluent dans un milieu ambiant et peuvent tre spars par un lm intercalaire appel troisime corps [Barr-2004]. Les enjeux de la tribologie sont de plusieurs natures : assurer le bon fonctionnement et la abilit des machines ou amliorer leur rendement et leur dure de vie, diminuer les bruits de fonctionnement lis aux contacts mcaniques, diminuer le cot dobtention des surfaces frottantes, etc. Il est important de reconnatre le caractre pluridisciplinaire de la tribologie o le terme de couplage multi-physique prend tout son sens avec la science des matriaux, la physico-chimie des surfaces, la mcanique des solides et des surfaces, la thermique et la thermodynamique, la thermochimie et la thermo-mtallurgie, etc. Par ailleurs, lusinage par enlvement de matire est une technique classique de gnration de surface grce la combinaison de mouvements relatifs de loutil coupant par rapport la pice usine. Les interactions entre le couple outil/matire et les phnomnes physiques qui lui associes sont trs complexes. Cest un processus thermomcanique fortement coupl dans lequel les dformations plastiques, la chaleur et les phnomnes de frottement jouent un rle critique en terme dusure [List-2004]. Quand un outil pntre dans une pice mtallique pour former un copeau, la matire situe prs de la surface est fortement cisaille. La dformation seectue trs grandes vitesses de dformation. Elle peut atteindre, daprs les travaux de [Tren-1991] et [Bitt-1993], 200 % avec des vitesses de dformation allant de 103 105 s1 . Le copeau se trouve en contact intime avec la face de coupe de loutil dans un environnement trs hostile. Outre ces phnomnes dordre mcanique et

31

Chapitre 2 : Tribologie en usinage thermique, les interfaces Outil/Copeau/Pice sont galement le sige de ractions chimiques entre loutil, la matire coupe et latmosphre environnante. Ceux-ci ayant lieu dans une rgion trs petite autour de la pointe de loutil, les phnomnes lis la tribologie de la coupe sont trs diciles tudier et modliser. Le problme de la tribologie en usinage des mtaux a fait lobjet de plusieurs travaux de recherche dans le but de le matriser pour optimiser lopration et amliorer la qualit du produit nal. Dans ce chapitre, nous allons prsenter une synthse bibliographique concernant ltude et la modlisation des phnomnes tribologiques produits durant lopration dusinage des mtaux.

2.2

Gnralits sur la formation du copeau

Lenlvement de matire se fait par action mcanique dun outil coupant. Dans le cas de la coupe orthogonale en rgime stationnaire, la force exerce par loutil lors de son engagement dans la matire provoque, lchelle msoscopique, une forte compression de la matire (une dformation plastique et un chauement considrable) et engendre des zones de cisaillement entre les faces de loutil et la matire. La comprhension de ces phnomnes nest pas aise parce quil sagit dun problme pluridisciplinaire (Figure 2.1) faisant intervenir les sciences telles que [Cord-2003] : La mtallurgie (transformations structurales, dislocations, ssuration. . .) ; La thermodynamique (lchauement, coulement) ; La tribologie (frottement, contact, usure. . .) ; La mtrologie (dimensionnelle, macro et micro gomtrique, intgrit des surfaces) ; La mcanique des matriaux (loi de comportements de type viscoplastique des tempratures et des vitesses de dformation importantes) ; La mcanique des milieux continus (contraintes rsiduelles, dformations, vitesse de dformation. . .) ; La mcanique des solides (eorts, dynamique, vibrations. . .). Des tudes numriques et exprimentales ont montr que la formation de copeau se caractrise par lapparition des quatre zones sollicitant loutil [Jawa-1993](Figure 2.2).

Zone 1 : Cest la zone de sparation en deux parties de la matire engendre par larte de loutil. Cest dans cette zone que peut se former, si la vitesse de coupe est insusante, une arte rapporte. [Tren-1991]

Zone 2 : Elle est dite zone de cisaillement primaire. Cest la zone de formation du copeau : la matire change de direction et passe de la vitesse de coupe VC la vitesse dcoulement du copeau Vcop . Elle est le sige de sollicitations intenses qui stendent de la pointe de loutil jusqu la surface

32

Figure 2.1 La coupe des matriaux lchelle msoscopique (arte/matire) ([Cord-2003])

T $ $ S RQ P $ H $ P I $ H $ I H G U 3 0 1D 0 9 W V3 4 1 E 1 & U 4 @ 4 3 2 1 0 ) ( ' &

$ % $ # " ! 4 3 2 1 0) ( ' &

Figure 2.2 Les zones de sollicitation en coupe orthogonale

4 3 2 1 8 ) 0 A@ 9 8 74 65

a ` $ X H Y $ $ Y # c # $ `

U 4 3 2 1 F9 E 9 0 6( 4 D U g 1D ( 4 fe d

33 $ P b $ C $$ B 4 1 F73 E E )D ' &

Chapitre 2 : Tribologie en usinage

Chapitre 2 : Tribologie en usinage libre du copeau et se manifeste sous forme dimportantes dformations plastiques cratrices de chaleur dont lintensit conditionne une grande partie du ux de chaleur transmis loutil.

Zone 3 : Dun point de vue macroscopique, il doit tre noter que la vitesse de frottement du copeau sur la face de coupe nest pas gale la vitesse de coupe. En eet, le copeau possde une section h dirente de lpaisseur initiale f. Le ratio entre les deux valeurs correspond au rapport de compression. Concrtement ce rapport est souvent compris entre 2 et 3, ce qui donne une vitesse Vcopeau Vc/3 et Vc/2. A lchelle microscopique, les phnomnes dadhsion ralentissent encore davantage lcoulement de la matire ce qui donne lieu un cisaillement plastique de la matire. Ce phnomne se dnomme cisaillement secondaire. Dans cette zone, la matire est soumise de forts taux de cisaillement et subit une forte lvation de temprature en plus de celle subie lors du passage dans la zone de cisaillement primaire. Cette zone donne lieu divers phnomnes dusure : une usure par abrasion, cause par la prsence des particules dures linterface outil copeau, et une usure par diusion des composs de loutil vers le copeau qui est active thermiquement. Lensemble de ces deux phnomnes dusure est responsable de lapparition dun cratre sur la face de coupe de loutil.

Zone 4 : Au niveau du rayon darte de loutil et de sa face de dpouille, des phnomnes de frottement se produisent galement. La vitesse de frottement macroscopique est ici gale la vitesse de coupe. A lchelle microscopique, les phnomnes dadhsion conduisent l aussi un cisaillement plastique important. Cette zone, dnomme cisaillement tertiaire. Les phnomnes sont bien moins intenses que dans la zone 3, mais sont responsables de la qualit de la surface usine et notamment de sa rugosit et des contraintes rsiduelles. Les contraintes mcaniques couples avec llvation de la temprature font de ces zones des siges pour plusieurs phnomnes physiques et chimiques qui conduisent des modications de structures, des durcissements, des phnomnes de frottement, des soudures, des processus dadhsion et diusion ainsi qu des ractions chimiques dans les couches limites et les points de contact, causant, par consquent, la dgradation rapide de loutil. Ces phnomnes dpendent gnralement des conditions de coupe et surtout de la temprature. Cette constatation a t faite depuis les travaux de Taylor [Tayl-1907] en 1907. Les travaux de Trigger et Chao [Trig-1956] et dernirement Hong-Tsu Young [Youn-1996] ont prouv aussi que lvolution de lusure dun outil de coupe est directement gouverne par la distribution de la temprature le long de linterface outil/copeau ; elle-mme gouverne par les phnomnes tribologiques produits [Rech-2006].

Nous pouvons retenir de cette tude que les grandeurs thermomcaniques au niveau des interfaces Outil/Pice/Copeau jouent un rle primordial sur le comportement de loutil lors dune opration dusinage (temprature, pression de contact, vitesse de glissement. . .). Dans ce contexte, plusieurs tudes numriques et exprimentales se sont intresses la dtermination de la temprature et des eorts de contact dans ces zones. ([Zore-1966], [Chil-1998], [Mouf-1998], [Ozel-2000], [Mouf-2002] [Guo-2002], [MSao-2004], [Ozel-2006], [Karp-2006]...) 34

Chapitre 2 : Tribologie en usinage On sintresse, dans ce chapitre, prsenter les mthodes exprimentales utilises pour analyser la coupe des mtaux, dans le but de caractriser le frottement produit aux interfaces outil/pice/copeau lors dune opration dusinage.

2.32.3.1

Analyse exprimentale de la coupeIntroduction

La comprhension des dirents phnomnes qui interviennent lors de lusinage des mtaux par enlvement de la matire est complexe et pas encore matrise. On distingue trois principales chelles dtude en usinage. Une chelle macroscopique sintresse lanalyse du comportement dynamique du triplet outil/pice/machine au cours dune opration dusinage. Elle englobe, la dnition de la trajectoire de loutil, la surveillance, la commande et ladaptation de la machine. Une chelle msoscopique concerne gnralement linteraction entre le triplet Outil-Pice-Copeau. A cette chelle dobservation, lusure de loutil, les eorts de coupe, la temprature, lintgrit de la surface et la forme de copeau sont les principaux paramtres contrler. Une chelle microscopique traite les phnomnes physiques observs au niveau de larte de loutil et copeau comme les mcanismes de transformations mtallurgiques, de changement de textures cristallographiques et des contraintes rsiduelles. A lchelle msoscopique, lanalyse mcanique de la coupe se fait, en instrumentant des oprations dusinage lmentaires telle que la coupe orthogonale, par la mesure des trois composantes de leort de coupe. Laspect thermique peut tre estim en mesurant le ux thermique transmis vers loutil et par des camras thermiques infrarouges qui permettent destimer le champ de temprature de la zone de coupe. Pour complter les mesures eectues pendant la coupe, dautres mesures sont eectues a posteriori sur la pice, le copeau et loutil. Ltude de lintgrit de surface de la pice (rugosit, contraintes rsiduelles, crouissage. . .), du copeau (morphologie, transformations microstructurales. . .) et de loutil (usure, dpt mtallique. . .) donne des indications supplmentaires sur la formation du copeau. Toutes ces informations sont ncessaires pour remonter lanalyse du frottement au niveau du contact entre loutil/copeau et loutil/pice moyennant des tudes analytiques et/ou numriques. La caractrisation du frottement dans ces zones peut tre ralise aussi en simulant ces contacts par des dispositifs tribologiques avancs.

2.3.2

Etude du frottement en usinage par des essais de coupe instruments

La coupe des mtaux, telle quelle est utilise dans lindustrie, est trs complexe tudier. Gnralement, dans une opration de chariotage, par exemple, deux artes de coupe sont actives. Par consquent les zones de contact entre loutil et la pice sont trs diciles limiter et dpendent

35

Chapitre 2 : Tribologie en usinage gnralement des conditions de coupe et aussi des paramtres de loutil (orientation, forme, gomtrie). Pour simplier ltude, la conguration de la coupe orthogonale est utilise. Comme le montre la Figure 2.3, une seule arte de coupe, qui est la fois perpendiculaire la direction de coupe et la direction davance, est active.

(a)

(b)

Figure 2.3 Les congurations de la coupe orthogonale. (a) usinage dun tube (coupe semiorthogonale). (b) usinage dun palier (coupe orthogonale) Dans ce cas l, la coupe orthogonale peut se ramener un problme plan (coulement plan de la matire) car lpaisseur du copeau reste faible vis--vis de sa largeur (0.3 mm et 3 mm respectivement). Cette conguration est largement utilise par les scientiques puisquelle permet disoler la formation du copeau et ainsi faciliter la comprhension du phnomne et conduire une grande simplication pour les simulations analytiques ou numriques de lopration de coupe. Lide dinstrumenter loutil de coupe pendant un essai de coupe orthogonale a permis dvaluer des champs thermiques gnrs par la coupe aux interfaces outil/pice/copeau et de dterminer la distribution des contraintes de contact sur les faces de loutil. La Figure 2.4 prsente un exemple de dispositif de coupe orthogonale instrument. Dans ce qui suit, nous prsentons les direntes techniques utilises pour lanalyse exprimentale in-situ de la coupe.

2.3.2.1

Analyse mcanique de la coupe

La mesure des actions mcaniques de coupe, que ce soit type force ou type couple, se fait moyennant des plates-formes dynamomtriques bases sur divers principes : pneumatique, extensomtrie, pizolectrique. Les capteurs pizo-lectriques sont les plus prcis et les plus pratiques. Ils dlivrent une dirence de potentiel proportionnelle aux charges qui leur sont appliques. Ce signal est ampli pour chaque voie et envoy vers un systme de traitement (Ordinateur). Le systme de mesure deorts doit possder les caractristiques suivantes ([Cord-2003]) :

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Chapitre 2 : Tribologie en usinageAMPLIFICATEUR

DYNAMOMETRE OUTIL

DISQUE

AMPLIFICATEUR

Mesure du flux de chaleur

Figure 2.4 Instrumentation dun dispositif de coupe orthogonale Une rigidit trs leve vitant toute dformation pouvant changer les paramtres de coupe installs ; Une dlit dans les relevs ; Une correction des interactions entre les voies de mesure ; Une possibilit de refroidissement pour viter linuence de la temprature. La puissance de coupe Pc est une autre grandeur mcanique qui peut tre mesure au cours dune opration dusinage. Cest la puissance consomme par la broche pour couper le mtal Pm sachant quil est ncessaire de soustraire les pertes vide lies aux frottements et aux pertes lectriques P vide .

2.3.2.2

Analyse thermique de la coupe

La temprature de coupe, gnre linterface outil - copeau, est le facteur le plus inuent sur lusinabilit des mtaux [Lore-1993]. En eet, llvation des tempratures de coupe entrane dune part une diminution de la rsistance labrasion des outils et active les phnomnes de diusion des composs du substrat vers le copeau [Tren-1991]. Dautre part, cette augmentation de la temprature est lun des facteurs les plus inuents sur lintgrit de la surface usine.

Pc = Pm P vide

(2.1)

37

Chapitre 2 : Tribologie en usinage Alors, la connaissance et le contrle de la temprature linterface de coupe outil/copeau a t souvent un centre dintrt primordial pour ceux qui sintressent lusinage. Plusieurs mthodes exprimentales sont utilises : Des mthodes indirectes et des mthodes directes. La mesure in-situ ou directe de la temprature au cours des essais de coupe se fait par linstrumentation de loutil par des thermocouples placs trs prs de la face de coupe [Bitt-1993], [Mats-1987], [Grze-2004]. Cette mthode ncessite des perages de trous dans loutil pour placer les thermocouples. Elle est la mthode la plus utilise au dpart vue la facilit de mise en place. Cependant, elle prsente des nombreux dinconvnients tels que, la fragilisation de la tte de loutil lors de lintgration des thermocouples. De plus, elle ne donne pas une cartographie de la distribution de la temprature des zones sollicites. La valeur mesure est une valeur moyenne, et tant donn que les gradients de temprature dans la zone de coupe sont trs importants, une variation de position entrane des dirences trs importantes de temprature. Parfois lutilisation des thermocouples est accompagne par dautres traitements numriques ou analytiques pour remonter la temprature la pointe de loutil. Cette mthode est connue sous le nom de "mthode inverse en thermique" [ElWa-1996]. Dernirement, une nouvelle mthode a t mise en place par Battaglia et al. [Batt-2001]. Le principe est de remonter au ux de chaleur transmis dans loutil au cours de lusinage partir dun relev de temprature locale dans le porte-outil. La relation, liant le ux de chaleur traversant la face de loutil et la temprature mesure, est dtermine partir dune fonction de transfert thermique qui est caractristique du couple outil/porte-outil. Cette mthode a t utilise essentiellement pour caractriser le comportement thermique des revtements [Rech-2002], [Rech-2006], [Puig-2002]. La Figure 2.5 prsente le principe didentication de la fonction de transfert thermique reliant le ux traversant la face de coupe et la temprature du capteur). Parmi les inconvnients de cette mthode, sa dicult de mise en place est notable. De plus la fonction de transfert est spcique au couple outil/porte outil, et par consquent, une instrumentation spcique est ncessaire. Une calibration pralable est obligatoire. Enn lusure de loutil qui apporte des modications au systme, inue sur les rsultats. Dautres techniques de mesure de la temprature de coupe reposant sur des mthodes optiques ont t utilises [Bitt-1993], [MSao-1998]. Lutilisation des pyromtres optiques ou des camras CCD-infrarouges a permis de mesurer la temprature de la zone de coupe sans contact avec loutil. Lavantage de la camra infrarouge, qui est de plus en plus employe, est sa possibilit de dtecter de manire instantane lintensit lumineuse mise par le corps observ et par suite elle permet laccs facile aux gradients thermiques forts (en peau). Par contre, les pyromtres ne donnent que des informations ponctuelles. La principale dicult commune ces techniques rside dans la connaissance des proprits radiatives de lobjet considr (missivit)[MSao-1998]. Hors, lmissivit est un paramtre trs instable 38

Chapitre 2 : Tribologie en usinage

Figure 2.5 Principe didentication de la fonction de transfert thermique [Rech-2002] puisquil est sensible la rugosit de la surface mesure, loxydation ventuelle de la surface, lorientation de la surface par rapport la camra, etc...

2.3.2.3

Essai de coupe interrompu

Actuellement, les essais de coupe brusquement interrompus, appels aussi essais QST (Quick Stop Test) coupls avec des analyses analytiques sont trs utiliss pour analyser la coupe des mtaux. Cette technique consiste jecter loutil de la pice avec une vitesse suprieure la vitesse de coupe pour garder la racine du copeau attache la pice. Il est possible par la suite de visualiser, des chelles microscopiques, linuence des conditions de coupe sur lcoulement de la matire et sur la morphologie du copeau. Lpaisseur de