VIIIèmes Journées d’Etudes Techniques – JET’2014 Les 28 - 29 et 30 avril 2014, Marrakech – Maroc Thème Modélisation de la rugosité de surface et de l’usure de la céramique revêtue lors de l’usinage d’un acier fortement allié Présenté par : Mr. Pr Yellese Mohamed Athmane Laboratoire de Mécanique et Structure (LMS) Guelma

2- Généralité sur la coupe des métaux PLAN DE L’EXPOSE 1- Introduction 2- Généralité sur la coupe des métaux 3- Procédures expérimentales 4- Résultats et discutions 5- Conclusion

1. Introduction L’usinage des aciers durcis a connu un développement considérable avec l’apparition de nouveaux matériaux de coupe tels que les céramiques et CBN. Ces dernières se distinguent par une dureté élevée et une grande résistance à chaud. L’usure des outils de coupe et la rugosité de surface sont considérées comme des facteurs primordiaux qui affectent le processus d’usinage, la surveillance en temps réel de l’état d’outil permet aux opérateurs de maximiser le produit et d’améliorer la qualité de celui-ci. Cependant la connaissance de ce paramètre n’est pas la seule issue pour prendre les décisions d’arrêter ou de continuer le processus de coupe. D'autres paramètres de la machine-outil et de l'outil de coupe peuvent influencer le processus d’usinage, tels que les conditions de coupe, le matériau d'outil ainsi que celui de la pièce à usiner.

Malheureusement il y a de nombreuses variables à considérer, il n’est donc pas surprenant que l’expertise de l’usure des outils, la rugosité de surface et les décisions de changement d’outil soient des problèmes difficiles. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail, il a pour but de prédire l'usure des outils de coupe en céramique mixte revêtu CC6050 en fonction du changement des paramètres du régime de coupe (Vitesse de coupe, avance et profondeur de passe) lors du tournage dur à sec de l’acier AISI D3; traité à 54 HRc .

2. Généralités sur la coupe des métaux Définition de tournage dur: C’est une opération de tournage sur : - Un matériau durcis entre 45 et 70 HRC ; - Avec des outils de coupe extra-durs en céramique ou CBN ; - Concernant des opérations de finition externes et internes ; - Le but de celui-ci est, à terme de supprimer lors de l’usinage de pièces de précision, la phase de rectification, souvent longue et coûteuse Fig. 1: Opération d’usinage (chariotage) des pièces dures.

2. Généralités sur la coupe des métaux L’usinage des métaux nécessite l’utilisation de matériaux coupants ayant d’excellentes propriétés de dureté à hautes températures, de résistance à l’usure et de stabilité chimique. Les matériaux coupants actuels appartiennent à des familles très diverses comme  : L’acier rapide Cermet L’acier rapide revêtu Céramique Carbure CBN Carbure revêtu Diamant

Endommagement des outils de coupe L’usure est due au frottement de la pièce sur les faces en dépouille et d’attaque de l'outil. usure en dépouille Usure en entaille Usure en cratère Écaillage Déformation plastique Fissuration Fig. (2): Les formes d’usure des outils

3. Procédure Expérimentale Tour à charioter modèle SN40C 6,6 kW Stéréo- microscope Microscope Équipements utilisés Fig. (2) Equipements utilisés dans les essais. Eprouvettes en X210Cr12

Fig. (4): Plaquettes de coupe et porte plaquettes utilisés Autres équipements Plaquettes de coupe et porte plaquettes utilisés: Les plaquettes sont amovibles de forme carrée. Céramique mixte CC6050 Porte outil(SANDVIK) Fig. (4): Plaquettes de coupe et porte plaquettes utilisés Matériaux de coupe Désignation firme Marque Désignation ISO Composition Chimique Rayon du bec (r) Céramique mixte revêtue CC6050 Sandivik coromant SNGA120408T01525S 70 % AL2O3 + 30 % TiC + revêtement en TiN 0.8mm Porte outil Section (mm2) χr° α° γ° λ° PSBNR2525K12 25*25 75° 6° -6° Tab(1):  Informations relatives aux plaquettes et porte plaquette utilisés

Vitesse de coupe Vc (m/min) Les paramètres variables conditions de coupe  Les essais de chariotage sont effectués sur un acier traité de nuance X210Cr12, par un matériau à outil en Céramique mixte revêtu CC6050, tout en gardant un volume de copeau usiné constant. - Essai de courte durée tableau.3 - Essai de longue durée tableau.4 Volume de copeau Q (cm³) Profondeur de coupe ap (mm) Avance f (mm/tr) Vitesse de coupe Vc (m/min) Niveau 97 0,25 0, 50 0,75 0,08 0,12 0,16 106 150 215 1 2 3 Tab(2): Conditions de coupe de matrice de planification pour un plan de 27 essais 33 valeurs Les paramètres variables valeur Paramètre constant 80; 110 ;140 Vc (m/min) 0,2 ap (mm) 0,08; 0,11; 0,14 f (mm/tr) Tab(3): Conditions de coupe pour les essais d'usure en fonction du temps (essai longue durée).

4. Résultats et discutions Résultats des essais de longue durée VB=0,4 t=12min t=6min, VB=0,228mm t=12min, VB=0,4mm Fig. 5: Evolution de l’usure en dépouille en fonction du temps d’usinage à trois vitesses pour f =0,14mm/tr

Résultats des essais de courte durée N=° Essai Vc (m/min) f (mm/tr) ap (mm) VB (mm) Ra (µm) 1 106 0,08 0,25 0,13 0,44 2 0,5 0,11 0,57 3 0,75 0,111 0,61 4 0,12 0,064 0,35 5 0,176 0,70 6 0,22 0,95 7 0,16 0,21 0,96 8 0,449 1,06 9 0,701 1,32 10 150 0,40 11 0,182 0,53 12 0,149 0,58 13 0,166 0,52 14 0,283 15 0,365 0,91 16 0,31 0,85 17 0,632 0,94 18 0,786 1,29 19 215 0,261 0,51 20 0,23 0,64 21 0,242 0,89 22 0,225 23 0,45 0,84 24 0,441 1,02 25 0,483 1,53 26 0,643 1,93 27 0,925 2,12 Tab(4): Plan factorielle complet de 27 essais (3*3) avec 3 facteurs et 3 niveaux

Modélisation de l’usure en dépouille VB et la rugosité Ra en fonction des paramètres de coupe La méthodologie de surface de réponse (MSR) est utilisée pour déterminer la relation entre les paramètres indépendants du processus d’usinage (Vc, f, ap) et la réponse souhaitée (VB). le modèle mathématique du deuxième ordre basé sur MSR est donnée par.

Analyse de variance ANOVA pour (VB) En appliquant l’analyse de la variance (ANOVA), nous considérons un intervalle de confiance de 95%. l’avance par tour est le facteur le plus influant car sa contribution est de 51,31%. Tab (5): Résultats de l’analyse de variance pour VB Fig (6): Graphique des effets principaux de VB

Fig (7): Comparaison entre les valeurs mesurées et estimées de VB Analyse de régression : VB en fonction de Vc, f et ap  Les deux équations expriment le modèle quadratique de l'usure en dépouille VB. Modèle complet : Modèle réduit : Où R² = 98,07% 15 Fig (7): Comparaison entre les valeurs mesurées et estimées de VB

Fig. (8): Surface de réponse et graphes de contour de VB Surface de réponse et graphes de contour pour VB en fonction de Vc, f, et ap Fig. (8): Surface de réponse et graphes de contour de VB

Analyse de variance ANOVA pour (Ra) L’analyse de variance (ANOVA) a montré que l’avance est le facteur le plus significatif de la rugosité de surface Ra car sa contribution est de 51,71%, suivie par la profondeur de passe et en dernier lieu la vitesse de coupe. Fig (9): Graphique des effets principaux de Ra Tab (6): Résultats de l’analyse de variance pour Ra

Analyse de régression : Ra en fonction de Vc, f et ap Les deux équations expriment le modèle quadratique de la rugosité de surface Ra. Modèle complet : Ra = 3,80165 - 0,0246733 Vc - 36,6103 f - 0,0944699 ap + 5,69385e-005 Vc²+0,0738624 Vc*f + 0,00150759 Vc*ap +132,292f²+ 5,5 f*ap - 0,0266667ap² Modèle réduit : Ra = 3,80165 - 0,0246733 Vc - 36,6103 f - 0,0944699 ap + 5,69385e-005 Vc² + 0,0738624 Vc*f +132,292f² + 5,5 f*ap Où R² = 89,89% 18 Fig (10): Comparaison entre les valeurs mesurées et estimées de Ra

Fig. (11): Surface de réponse et graphes de contour de Ra Surface de réponse et graphes de contour pour Ra en fonction de Vc, f, et ap 19 Fig. (11): Surface de réponse et graphes de contour de Ra

Conclusion Les résultats montrent que l’usure est l’un des facteurs à considérer, puisque son évolution endommage et dégrade: - la qualité et la précision dimensionnelle de la surface obtenue; - la tenue de l'outil dans le temps; - la puissance nécessaire à la coupe, et par conséquent une augmentation du coût de production. Le modèle de l’usure trouvé avec un débit constant, nous permet de déduire le degré d’influence de chaque élément du régime de coupe. Ce modèle représente un intérêt industriel important, puisqu’il permet de faire des prédictions. Les résultats montrent que l’avance (f) influe sur VB avec une Cont.% de 51.31% suivie par (ap) avec une Cont.% de 14.48% et en dernier lieu (Vc) avec une Cont.% de 12.29%. Il est a noté aussi d’après l’étude de l’influence des conditions de coupe sur la rugosité que le facteur qui affecte plus l’état de surface est l’avance avec une cont.% de 51,71% suivie par (ap) avec une cont.% de 13,50% et (Vc) avec une cont.% de 12,56%. La meilleure rugosité de surface a été obtenue pour les valeurs basses de l’avance. 20

MERCI POUR VOTRE ATTENTION