Technologie de Fabrication PT [PDF]

Zitiervorschau

Technologie de fabrication Notes de cours pour les élèves de CPGE PT

Version 2.9β

25 juin 2014 écrit sous LATEX 2ε

Elric THOMAS

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Technologie de fabrication

Table des matières I

Les matériaux

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1 Généralités sur les matériaux 1.1 Classes des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Les liaisons inter atomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 La Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.1 Structure amorphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Structure cristalline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3.3 Structure cristalline des métaux . . . . . . . . . . . . . . 1.3.4 Cas des thermoplastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4 Les polymères organiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 La polycondensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.2 La polyaddition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.3 Les thermoplastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.4 Les thermodurcissables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4.5 Les élastomères . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Les verres et céramiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6 Les matériaux composites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.2 Classifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6.3 Éléments constituants des matériaux composites à fibres 1.6.4 Comparaison des caractéristiques . . . . . . . . . . . . . 2 Propriétés des matériaux 2.1 Domaines généraux d’application - Le coût . 2.2 Propriétés physiques et thermiques . . . . . 2.2.1 La masse volumique . . . . . . . . . 2.2.2 Le coefficient de dilation thermique . 2.2.3 La température de fusion . . . . . . 2.3 Les propriétés de mise en forme . . . . . . . 2.4 Les propriétés tribologiques . . . . . . . . . 2.5 Les propriétés mécaniques . . . . . . . . . .

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3 4 5 5 5 5 6 10 10 11 11 11 13 13 13 15 15 15 17 18

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21 22 22 22 23 23 24 24 25

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3 Les essais mécaniques 3.1 L’essai de traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Principe de l’essai . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Courbe conventionnelle de traction . . . . . 3.1.3 Les caractéristiques mécaniques mesurées au 3.1.4 Notion d’écrouissage . . . . . . . . . . . . . 3.1.5 Aspect des faciès de rupture . . . . . . . . . 3.2 Les essais de dureté . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Mise en situation . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Dureté Brinell (HB) . . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Dureté Vickers (HV) . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Dureté Rockwell (HRc ou HRb) . . . . . . . 3.3 L’essai de résilience . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Mise en situation . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Essai de résilience de CHARPY . . . . . . . 3.3.3 Influence de la température . . . . . . . . . 3.4 Les essais de fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Le phénomène de fatigue . . . . . . . . . . . 3.4.2 Caractères des ruptures de fatigue . . . . . 3.4.3 Les essais de fatigue . . . . . . . . . . . . . 3.4.4 Paramètres de charge des essais . . . . . . . 3.5 Les essais de fluage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Le phénomène de fluage . . . . . . . . . . . 3.5.2 Principe des essais . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Essais et contrôles non destructifs . . . . . . . . . . 3.6.1 L’extensométrie électrique . . . . . . . . . . 3.6.2 La photoélasticimétrie . . . . . . . . . . . . 3.6.3 Ressuage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4 Résonance par ultra sons ou radioscopie . . 3.6.5 La méthode des éléments finis . . . . . . . .

TABLE DES MATIÈRES

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . cours de l’essai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Désignation des matériaux métalliques 4.1 Les alliages Fer-Carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Diagramme d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Les aciers (Steel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Quelques caractéristiques des aciers . . . . . . . . 4.2.2 Les aciers non alliés . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Aciers faiblement alliés . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Aciers fortement alliés . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Les fontes (Cast Iron) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Les fontes à graphite lamellaire (EN-GJL) . . . 4.3.2 Les fontes à graphite sphéroïdal (EN-GJS) . . . . 4.3.3 Les fontes malléables (EN-GJMW et EN-GJMB) 4.3.4 Les fontes alliées . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Quelques nuances normalisées . . . . . . . . . . .

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27 27 27 28 30 31 32 33 33 33 33 34 35 35 35 37 37 37 38 39 40 41 41 42 43 43 44 44 45 45

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47 47 47 50 50 50 52 53 54 54 55 55 56 56

TABLE DES MATIÈRES

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4.4

Les alliages d’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Quelques caractéristiques des alliages d’aluminium 4.4.2 Aluminium et alliages corroyés . . . . . . . . . . . 4.4.3 Aluminium et alliages pour la fonderie . . . . . . . 4.5 Les alliages de cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Les alliages de Zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Les alliages de magnésium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Les alliages de titane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Quelques caractéristiques des alliages de titane . . 4.9 Les superalliages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9.2 Composition et structure . . . . . . . . . . . . . . 4.9.3 Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Liste des matériaux métalliques d’utilisation classique . . 5 Notions sur les traitements thermiques des aciers 5.1 Le durcissement structural . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Le traitement thermique de trempe . . . . . . . . . 5.2.1 Les paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Notion de trempabilité . . . . . . . . . . . . 5.3 Le traitement thermique de revenu . . . . . . . . . 5.3.1 But du revenu . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Les autres traitements thermiques . . . . . . . . . . 5.4.1 Le traitement thermique de recuit . . . . . 5.4.2 Les traitements thermiques de surface . . .

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Obtention de surfaces par enlèvement de matière

6 Procédés d’usinage - Généralités 6.1 Usinage à l’outil coupant . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Principe de génération des surfaces et cinématique 6.2.1 Géométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Matérialisation de la génératrice . . . . . . 6.2.3 Matérialisation de la directrice . . . . . . . 6.3 La rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 La rectification cylindrique . . . . . . . . . 6.3.2 La rectification plane . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 La rectification “Centerless” . . . . . . . . . 6.4 L’électro-érosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Principe de l’usinage par étincelage . . . . . 6.4.2 L’électro-érosion par enfonçage . . . . . . . 6.4.3 L’électro-érosion par fil . . . . . . . . . . . . 6.5 Le brochage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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TABLE DES MATIÈRES

7 Le tournage 7.1 Les machines-outils . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1 Le tour manuel . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Le tour à Commande Numérique . . . . . 7.1.3 Tours spéciaux . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Axes normalisés en tournage . . . . . . . . . . . . 7.3 Les principales opérations d’usinage en tournage 7.4 Les outils de coupe en tournage . . . . . . . . . . 7.4.1 Géométrie de l’outil de coupe . . . . . . . 7.4.2 Matériaux outils . . . . . . . . . . . . . . 7.5 Paramètres d’usinage . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 Qualité des surfaces obtenues . . . . . . . . . . .

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8 Le fraisage 8.1 Les machines-outils . . . . . . . . . . . . . . . . 8.1.1 Fraiseuse manuelle . . . . . . . . . . . . 8.1.2 Centre d’usinage . . . . . . . . . . . . . 8.2 Axes normalisés en fraisage . . . . . . . . . . . 8.2.1 Fraisage conventionnel . . . . . . . . . . 8.2.2 Centre d’usinage . . . . . . . . . . . . . 8.2.3 Notion de demi-axe . . . . . . . . . . . . 8.3 Les principales opérations d’usinage en fraisage 8.4 Les outils de coupe en fraisage . . . . . . . . . . 8.4.1 Géométrie d’une fraise 2 tailles ARS . . 8.4.2 Différents types de fraises . . . . . . . . 8.5 Mode de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.1 Fraisage en opposition . . . . . . . . . . 8.5.2 Fraisage en avalant (en concordance) . . 8.6 Paramètres d’usinage . . . . . . . . . . . . . . . 8.7 Qualité obtenue . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9 Les opérations axiales 9.1 Le perçage . . . . . . . . . . . . 9.1.1 Les opérations . . . . . 9.1.2 Les outils . . . . . . . . 9.1.3 Les paramètres de coupe 9.1.4 Qualité obtenue . . . . . 9.2 L’alésage . . . . . . . . . . . . . 9.3 Le filetage et le taraudage . . .

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10 Étude de la coupe 10.1 Étude de la formation du copeau . . . . . . . . . . 10.1.1 Facteurs influant sur la coupe en tournage . 10.2 Durée de vie des outils . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2.1 Les phénomènes d’usure des outils de coupe

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10.2.2 Différents types d’usure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 10.2.3 Critères de durée de vie d’un outil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 10.2.4 Loi d’usure - modèle de Taylor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 11 État de surface 11.1 Différents types de défauts de surface . . . . . 11.2 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Surfaces et Profils . . . . . . . . . . . 11.2.2 Paramètres . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Indication des spécifications d’état de surface

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12 Préparation de la production 131 12.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 12.2 Démarche de mise en place d’un APEF ou d’une gamme . . . . . . . . . . . 133 13 Mise en œuvre des machines outils 13.1 Mise en position des pièces . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Porte-pièces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Cas du tournage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.2 Cas du fraisage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Le contrat de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Architecture des machines outils à commande numérique 13.5 Réglages des machines à commande numérique . . . . . 13.5.1 Origine mesure Om et origine machine OM . . . 13.5.2 Origine porte-pièce Opp et origine pièce Op . . . 13.5.3 Origine programme OP . . . . . . . . . . . . . . 13.5.4 Point courant P T COU R . . . . . . . . . . . . . 13.5.5 Vecteurs décalages entre Om et OP . . . . . . . 13.5.6 Programmation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Obtention des bruts

14 Fonderie 14.1 Moulage à moule non permanent à modèle permanent 14.1.1 Étude de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.2 Atelier de moulage . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.3 Matériaux de moulage . . . . . . . . . . . . . . 14.1.4 Procédé V-Process . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Moulage de précision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2.1 Moulage en carapace ou Procédé “Croning” . . 14.2.2 Moulage à cire perdu et Lost Foam . . . . . . . 14.3 Moulage à moule permanent . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Moulage en coquille par gravité . . . . . . . . . 14.3.2 Injection à basse pression . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Injection à haute pression . . . . . . . . . . . .

139 140 145 146 147 148 150 151 151 151 151 152 152 153

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Lycée Jules Garnier

viii

TABLE DES MATIÈRES

14.3.4 Moulage par centrifugation . . . . . . . . 14.4 Règles de tracé des pièces moulés . . . . . . . . . 14.5 Les matériaux destinés au moulage . . . . . . . . 14.5.1 Comparatif entre les différents procédés de 14.6 Le frittage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6.1 Processus d’obtention des pièces frittées . 14.6.2 Les avantages techniques . . . . . . . . . . 14.6.3 Les avantages économiques . . . . . . . . 15 Obtention par déformation plastique 15.1 Notion de fibrage . . . . . . . . . . . 15.2 Influence de la température . . . . . 15.3 Le laminage . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Le forgeage . . . . . . . . . . . . . . 15.4.1 Le forgeage libre . . . . . . . 15.4.2 Le matriçage - l’estampage . 15.5 L’extrusion, le filage et le tréfilage . 15.6 Travail des métaux en feuille . . . . . 15.6.1 L’emboutissage . . . . . . . . 15.6.2 Le pliage - le profilage . . . . 15.6.3 Le repoussage . . . . . . . . . 15.6.4 Le fluotournage . . . . . . . . 15.6.5 Le poinçonnage . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . moulage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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173 174 178 178 178 178 179 180

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181 182 182 183 183 184 185 187 188 188 189 190 191 191

16 Mécanosoudage 16.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.1 Matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Principaux procédés de soudage . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.1 Le soudage au gaz (au chalumeau) . . . . . . . . . 16.2.2 Le soudage à l’arc . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Le soudage par résistance . . . . . . . . . . . . . . 16.2.4 Le soudage par friction . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.5 Friction Stir Welding (FSW) ou friction malaxage . 16.2.6 Soudage à haute énergie . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.7 Soudage laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.8 Soudage par faisceau d’électrons . . . . . . . . . . 16.2.9 Le brasage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Principales règles de tracé . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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193 193 193 194 194 194 197 198 199 200 200 201 201 202

IV

Annexes

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203

A Élaboration de l’acier et de la fonte 205 A.1 Un peu d’histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 A.2 Du minerai de fer à l’acier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

Technologie de fabrication

TABLE DES MATIÈRES

A.2.1 Une chaîne de montagnes faite de minerais . A.2.2 La cokerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.3 Le haut-fourneaux . . . . . . . . . . . . . . A.2.4 Le convertisseur . . . . . . . . . . . . . . . . A.2.5 La coulée continue . . . . . . . . . . . . . . A.3 Deuxième mode de production : la filière électrique

ix

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B Élaboration de l’aluminium B.1 Un peu d’histoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 De la bauxite à l’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.1 Extraction de la Bauxite . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.2 Élaboration de l’alumine : Technologie du procédé Bayer B.2.3 Production d’aluminium primaire . . . . . . . . . . . . . B.2.4 Coulée de l’aluminium liquide . . . . . . . . . . . . . . . B.2.5 Obtention des produits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.6 La transformation de l’aluminium, le laminage . . . . . B.2.7 Le traitement de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.2.8 La production d’aluminium dans le monde . . . . . . . .

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206 206 206 208 208 208

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209 209 209 210 210 211 212 212 212 212 212

C Données pour la préparation de la production

213

D Liaison pièce-machine

231

Lycée Jules Garnier

x

Technologie de fabrication

TABLE DES MATIÈRES

Première partie

Les matériaux

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Chapitre 1

Généralités sur les matériaux

D

epuis la préhistoire, l’homme a toujours élaboré et utilisé des outils afin de rendre plus efficace ses activités journalières (travail de la terre, chasse, etc...). Ainsi, la recherche d’objet de plus en plus performants a entraîné la découverte de nouveaux matériaux ; et les âges de pierre, de bronze et de fer ont marqué le début de l’évolution des matériaux. Les matériaux élaborés ont rapidement pris la relève des matériaux naturels comme le bois, la pierre ou l’argile. Le progrès technique a permis : — d’extraire des métaux à partir de minerais (oxyde ferritique pour le fer, latérite ou garniérite pour le nickel, bauxite pour l’aluminium...), — de les mélanger pour fabriquer des métaux et alliages, avec par exemple : F e + C ⇒ acier ou fontes Cu + Sn ⇒ Bronze Cu + N i ⇒ Cupronickel Au XIXième siècle, l’expansion de l’industrie sidérurgique et la naissance de l’ère industrielle a permis la découverte de la structure des aciers, et par la suite le développement des matériaux métalliques. La période allant des années 30 aux années 80 a été marquée par le développement des matières plastiques et des fibres textiles artificielles (Nylon, Tergal, etc...). Plus récemment, le lancement de grands programmes technologiques (aviation, espace, nucléaire, etc...) ont entraîné la démocratisation des matériaux composites dans des applications plus traditionnelles (sport, automobile). Les matériaux céramiques ont aussi énormément évolué avec des utilisations plus techniques (isolant électrique, disque de frein, outil de coupe, etc.). Mais le domaine des matériaux n’a pas fini d’évoluer car il est sans cesse influencé par les progrès technologiques qui jouent sur deux points : — l’accroissement rapide du nombre et de la diversité des matériaux disponibles. Cela est notamment vrai pour les matériaux non métalliques pour lesquels la recherche a consenti un effort scientifique et technologique important. — l’évolution des matériaux “traditionnels” face à leurs concurrents nouveaux. Un matériau largement éprouvé et connu ne disparaît pas nécessairement. Concurrencé, il peut s’adapter. Par exemple, l’apparition de tôles minces à hautes caractéristiques constitue une “réponse” des aciéristes au problème de l’allègement des véhicules ; ce qui rend plus difficile la percé des “matières plastiques armées” dans le secteur automobile.

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4

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

1.1

Classes des matériaux

Les matériaux sont soit issus directement du milieu naturel (bois, roche, terre, et.), soit élaborés dans un ensemble de filières qui fait intervenir les matières premières, l’énergie et la technologie des processus. Il existe quatre grandes familles de matériaux : — les métaux et alliages métalliques, — les polymères organiques, — les verres et céramiques, — les matériaux composites.

Figure 1.1 – Principales classes de matériaux

Métaux et alliages Fer, acier, fonte Aluminium et alliages Cuivres et alliages Nickel et alliages Titane et alliages Zinc et alliages (Zamac) Cobalt et superalliages Verres et céramiques Argile, kaolin Alumine Al2 O3 Magnésie M gO Silice SiO2 , verres et silicates Carbure de Silicium (SiC) Ciment et béton

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Polymères organiques Polyéthylène(PE) Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) Nylon, polyamide (PA) Polystyrène (PS) Polyuréthane (PUR) Polychlorure de vynil (PVC) Caoutchoucs Teflon (PTFE) Composites Bois Polymère renforcé par fibre de verre Polymère renforcé par fibre de carbone Polymères chargés Cermet

1.2 Les liaisons inter atomiques

1.2

5

Les liaisons inter atomiques

Les liaisons inter atomiques sont responsables de certaines propriétés macroscopiques des matériaux. Les liaisons fortes sont de type : Ionique : don complet d’un ou plusieurs électrons à un atome voisin, les forces de liaison résultent de l’attraction électrostatique entre ions (N aCl, Al2 O3 ), Covalente : mise en commun d’électrons entre deux atomes voisins afin de compléter leur couche périphérique, Métallique : mise en commun d’électrons entre plusieurs atomes voisins (nuage d’électrons délocalisés), on peut considérer le métal comme un empilement d’ions positifs entourés par un nuage d’électrons libres. Cela permet d’expliquer les propriétés de conductivité thermique et électrique des métaux. Cela permet aussi d’expliquer la relative compacité des métaux et leur forte masse volumique. Les liaisons faibles (ou secondaires) sont de type Van der Walls, elles sont dues à l’attraction dipolaire entre atomes électriquement neutre (dissymétrie de la répartition des charges autour du noyau). Les métaux sont le siège de liaisons métalliques fortes et non directionnelles. Les céramiques sont des matériaux à liaisons ioniques et/ou covalentes, qui sont directionnelles. Cela exclu souvent l’isotropie dans ce type de matériau. Les polymères thermoplastiques sont constitués de longues chaînes moléculaires liées entre elles par des liaisons de type Van der Walls. La cohésion à l’intérieur des chaînes se fait par des liaisons covalentes.

1.3

La Structure

Il est possible de déterminer deux types de structure des matériaux en fonction de la disposition des atomes au sein de ce matériau : les matériaux amorphes et les matériaux cristallins.

1.3.1

Structure amorphe

Les matériaux amorphes sont des matériaux où les atomes sont disposés de manière désordonnée avec un manque de compacité. On pourrait comparer ces matériaux à des liquides très fortement visqueux. Une forte vitesse de refroidissement lors de la mise en œuvre du matériau abouti souvent à une structure amorphe. Quelques polymères (thermodurcissables et certains thermoplastiques PS, PMMA, PC) et les verres ont une structure amorphe. Ces matériaux se caractérisent par une transparence à la lumière, ils sont donc généralement chargés (ajout de colorant ou de poudre) afin de les rendre opaques.

1.3.2

Structure cristalline

De nombreux matériaux (métaux, certains thermoplastiques et une partie des céramiques) sont constitués d’un assemblage de petits cristaux dans lesquels les atomes sont empilés en une structure régulière, répétée dans les trois dimensions, extrêmement compacte. On parle alors de structure cristalline.

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6

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

1.3.3

Structure cristalline des métaux

Les métaux sont formés d’une multitude de petits volumes polyédriques appelés grains dont la taille varie de 2µm à 20µm. Ces grains sont limités par des surfaces appelées joints de grains. Cette structure des métaux est visible au microscope. Chaque grain correspond à un monocristal, c’est à dire un empilement régulier d’ions métalliques dont la cohésion est assuré par un nuage d’électrons.

Figure 1.2 – Structure cristalline d’un matériau métallique

1.3.3.1

Cas des métaux purs

Les atomes s’organisent en réseaux (réseaux de Bravais) au sein des cristaux métalliques, ces réseaux peuvent être de type : Cubique centré (CC) : la maille est un cube à l’intérieur duquel se trouve un atome supplémentaire, il existe un site interstitiel au centre de chaque face où peuvent se loger des petits atomes (Carbone dans le cas de l’acier). Cubique à Face Centrée (CFC) : la maille est un cube sur lequel on trouve un atome au centre de chaque face, il existe aussi un site interstitiel au centre de la maille. Hexagonal compact (HC) : la maille est un prisme droit à base hexagonale.

Figure 1.3 – Maille des réseaux CC, CFC et HC

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1.3 La Structure

7

Les différents éléments métalliques peuvent présenter une (Al, Mo, Ni, Cu...) ou plusieurs structures cristallines selon l’intervalle de température considéré (Fe, Ti, Co...) 1 . On dit alors que l’élément présente un polymorphisme cristallin. Le réseau cubique centré (CC) est moins compact que les deux autres et possède un grand nombre de plans de glissement des atomes entre eux, il est donc très ductile. Cependant, cette ductilité n’est valable que pour les métaux purs et est fortement diminuée par la présence d’éléments d’addition (Carbone ou autres pour l’acier) dans les sites intersticiels. Le réseau cubique à face centrée (CFC) est très compact, ce qui favorise la déformation du métal, les atomes “glissent” les uns sur les autres comme des billes. Les métaux et alliages cristallisant en réseau CFC sont des matériaux de grande ductilité (exemple : Al, Cu, Ag, Au, Feγ, Ni, Pb) 2 . Bien que le réseau hexagonal compact (HC) soit très proche du réseau CFC, les métaux basés sur ce réseau cristallin (exemple : Mg, Be, Zn, Cd, etc...) sont fragiles et peu ductiles.

Figure 1.4 – Diagramme de phase à l’équilibre Fer/Carbone

1.3.3.2

Cas des alliages

A par quelques exceptions, les métaux sont rarement utilisés à l’état pur, mais sous forme d’alliages qui sont des matériaux obtenus à partir d’un métal et d’éléments d’addition. 1. Voir le diagramme de phase fer/carbone (Fig. 4.1.1, p. 48) 2. Ceci explique que le le forgeage et le laminage de l’acier ne peut se faire qu’à haute température, où le fer est sous la forme CFC (Feγ).

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8

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

Une phase est une partie d’un matériau physiquement distincte, mécaniquement séparable, ayant une composition et une structure propre. En excluant la phase liquide (qui n’est que temporaire), il existe deux type de phases : — les solutions solides, — les composés définis. Les solutions solides peuvent être : — d’insertion : les atomes de l’élément d’alliage occupent les sites intersticiels de la structure du métal de base, il faut pour cela que l’atome de petit diamètre (par exemple le carbone), — de substitution : les atomes de l’élément d’alliage se substituent à des atomes du métal de base dans la structure, ce sont les plus nombreuses. Les composés définis ne sont stables que dans un étroit domaine de composition, ils ont en général une structure cristalline différente de celle du métal de base, cela correspond à des carbures, des nitrures ou à la cémentite (F e3 C). 1.3.3.3

Les défauts cristallins

Le cristal parfait est un empilement infini et régulier d’atomes. Mais les cristaux possèdent des défauts. Par rapport à la définition donnée ci-dessus : — le cristal n’est pas infini mais possède des limites, des faces ; — l’empilement n’est pas parfaitement régulier. Ces défauts vont expliquer un grand nombre de propriétés de la matière. Il existe trois grand types de défauts cristallins : — Les défauts ponctuels : ces défauts existent au niveau des dimensions atomiques, ils peuvent résulter de la présence d’un atome étranger ou d’un site atomique vacant dans la structure, on parlera alors de lacune 3 .

Figure 1.5 – Exemple des défauts ponctuels — Les défauts linéaires : ces défauts appelés aussi dislocations, sont à l’origine de tous les processus liés à la déformation plastique des métaux. Toute ligne de disloca3. Ces lacunes sont toujours présentes dans le réseau et sont à la base du mécanisme de diffusion.

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1.3 La Structure

9

tion peut se ramener à deux types de dislocations : les dislocations coin (introduction d’un demi-plan supplémentaire dans le réseau cristallin) et les dislocations vis.

Figure 1.6 – Exemple des défauts linéaires : dislocations coin et vis Au niveau du cristal, la déformation plastique s’effectue principalement par le glissement d’une partie du cristal par rapport à l’autre, ce glissement peut s’interpréter par le déplacement des dislocations.

Figure 1.7 – Déformation plastique par déplacement d’une dislocation coin — Les défauts plans : cela correspond essentiellement aux joints de grain. Les joints de grains séparent des régions d’orientation cristalline différentes. On distingue les joints de grains de faible désorientation (θ < 10◦ ) qui correspondent à des arrangements simples de dislocations et les joints de grain de grande désorientation (θ > 10◦ ), plus difficile à définir. Ces joints sont le lieu privilégié de la ségrégation d’atomes étrangers et sont des obstacles à la propagation des dislocations, ils jouent donc un rôle primordial dans les propriétés mécaniques du polycristal.

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10

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

Figure 1.8 – Exemple de défaut plan : les joints de grain

1.3.4

Cas des thermoplastiques

Certains thermoplastiques, lorsque certaines conditions favorables sont réunies, peuvent donner lieu à une cristallisation partielle, avec des chaînes qui localement s’alignent entre elles. On appelle ces structures, des structures semi-cristallines car la cristallisation n’est jamais complète. Les zones cristallines sont en suspension dans une matrice amorphe.

1.4

Les polymères organiques

Ces matériaux sont basés essentiellement sur des atomes de carbone et d’hydrogène, mais aussi de chlore, d’oxygène et d’azote. Ces matériaux sont issus de molécules simples, appelées monomères, qui peuvent s’accrocher les unes aux autres lors d’une réaction chimique ces molécules peuvent provenir d’éléments naturels (cellulose provenant du bois 4 , latex) ou de synthèse, le plus souvent à partir de la distillation du pétrole. A partir de petites molécules appelées monomères, on obtient de grosses molécules appelées polymères ou macromolécules, par assemblage de ces monomères sous forme de chaînes. L’opération qui permet de passer du monomère au polymère est la polymérisation. Cette opération peut être considérée comme l’assemblage de particules de monomères pour former une chaîne qui constituera le polymère. Cette opération n’est possible que grâce à la structure particulière des monomères et sous certaines conditions : Pression - Température - catalyseurs. Les deux principes de base pour effectuer la polymérisation sont : — la polycondensation, — la polyaddition. 4. En 1870, l’Américain Hyatt synthétisa du celluloïd à partir du camphre et du nitrate de cellulose, en y ajoutant un solvant à base d’alcool. On découvrit plus tard l’intérêt de ce composé pour la photographie ou le cinéma

Technologie de fabrication

1.4 Les polymères organiques

1.4.1

11

La polycondensation

La polymérisation par condensation 5 entraîne des réactions chimiques qui produisent la formation de sous-produits. Les réactions de polycondensation sont des réactions par étapes. Les deux monomères en présence donnent naissance à une molécule intermédiaire tout en éliminant des molécules telles que H2 O, HCl, N H3 , CH3 OH, laquelle constitue l’élément fondamental qui se répète dans la macromolécule.

1.4.2

La polyaddition

Il s’agit d’une opération analogue à la précédente, sans rejet. Une réaction d’addition est un type de réaction organique où au moins deux molécules se combinent pour en former une autre, plus grande. Les réaction d’addition sont conditionnées par la possession par les composés chimiques concernés de liaisons multiples, les éventuelles liaisons triples devenant des liaisons doubles ou simples, les liaisons doubles devenant des liaisons simples. Par exemple une liaison double (C = C) se transforme en liaison simple −C − C− et d’autre monomères peuvent s’y lier. Il est possible d’ajouter des molécules de même nature, dans ce cas on obtient un homopolymère, le polyéthylène par exemple, ou de nature différente pour donner un copolymère, le polystyrène-butadiène-acrylonitrile par exemple. On obtient ainsi par ce procédé, une macromolécule linéaire qui croit par addition des monomères. C’est une réaction en chaîne dont la cinématique peut être très rapide et que l’on peut contrôler par des additifs (retardateurs). Les polymères ou macromolécules finalement obtenus constituent la matière première utilisée par les plasturgistes. Ces résines de base sont en général livrées sous forme de granulés ou de poudres. Selon le mode de polymérisation, la structure des polymères peut prendre plusieurs formes. La polymérisation par addition entraîne la formation de macromolécules linéaires qui peuvent se ramifier, alors que la polymérisation par condensation peut engendrer en général un réseau tridimensionnel. Le comportement des matières plastiques dépend en grande partie du type de structure obtenue et de son degré de réticulation. En général, on classe les matières plastiques en trois groupes : — les thermoplastiques, — les thermodurcissables, — les élastomères.

1.4.3

Les thermoplastiques

Les matériaux plastiques composés de polymères à chaîne linéaire ou ramifiée sont en principe fusibles et sont obtenus par polyaddition, les macromolécules ne sont liées entre elles que par des liaisons de faible intensité (liaisons de Van der Waals). Une élévation de température entraîne une séparation des longues chaînes moléculaires. Le passage du matériau de l’état solide à l’état liquide visqueux s’effectue lorsque l’agitation thermique rompt les “liaisons faibles” (liaisons physiques, par exemple interactions moléculaires de faible (Van der Waals) ou de moyenne énergie (liaisons hydrogène)) entre deux segments 5. Une réaction de condensation est une réaction chimique au cours de laquelle deux molécules monofonctionnelles se combinent pour former une molécule (le condensat) et un sous-produit.

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12

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

macromoléculaires contigus sans affecter les liaisons covalentes. Ce mécanisme est réversible (le liquide visqueux se solidifie par refroidissement car les chaînes se rapprochent, créant un retrait plus ou moins prononcé) : la matière est thermoplastique. Ce phénomène réversible permet leur recyclage : les objets sont broyés et “refondus” pour en élaborer d’autres. La température de transition vitreuse (Tg) correspond à la rupture des liaisons faibles dans la phase amorphe. Elle est toujours inférieure à la température de fusion (Tf) qui correspond à la disparition des liaisons faibles dans la phase cristalline. Les thermoplastiques sont par ailleurs solubles dans des solvants spécifiques, ce qui permet leur utilisation comme revêtements et colles. Famille Les vinyliques

Désignation Polychlorure de vinyle (PVC) Polystyrène cristal (PS)

Les styréniques

Les polyoléfines

Les acryliques Les polyesters saturés

Polystyrène choc (SB) Polystyrène expansé (PSE) Styrène-acrylonitrile (SAN) Acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) Polyéthylène basse densité (PEbd) Polyéthylène haute densité (PEhd) Polypropylène (PP) Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) Polyéthylène Téréphtalate (PET)

Utilisation tubes, profilés, bouteilles, revêtement de sol, joints emballage thermoformé ou injecté ameublement, électroménager isolation, emballage pièces moulées pièces moulées, bonne coloration et tenue aux chocs sacs extrudés soufflés, gaines, films pièces moulée, tube pièces moulées, fils, films plexiglas, phares bouteilles, fibres, emballages

Les thermoplastiques dit “techniques” permettent de combiner de bonnes propriétés dimensionnelles/mécaniques/physico-chimiques. Ces thermoplastiques sont le plus souvent mis en forme par injection. Famille Les polycarbonates (PC) Les polyamides (PA) Le polyoxyméthylène (POM) Le polybutylène téréphtalate (PBT) Le polytétrafluoréthylène (PTFE) Le polysulfone (PSU) Le polyphénylène sulfide (PPS)

Utilisation vitrage, cd, matériel médical pièces mécaniques, engrenages, Nylon pièces mécaniques, engrenages pièces moulés complexes glissement, isolation électrique, Téflon thermostable (Tv=190◦ ), aéronautique thermostable (Tf=288◦ ), pièces complexes

Les différents thermoplastiques techniques (PA, POM, PBT) ont des structures fortement cristallines mis à part le polycarbonate qui a une structure amorphe.

Technologie de fabrication

1.5 Les verres et céramiques

1.4.4

13

Les thermodurcissables

Les polymères thermodurcissables prennent leur forme définitive après la réaction chimique (polymérisation par condensation) accompagnant leur transformation. Le réseau tridimensionnel obtenu donne au produit fini son caractère d’irréversibilité thermique. La structure réalisée avec une résine thermodurcissable ne peut varier et se trouve géométriquement figée. Plus le composé sera tridimensionnel, plus il sera rigide, cassant, insoluble et infusible. Lorsque la température augmente, le matériau ne devient pas visqueux, mais il conserve sa rigidité jusqu’au moment où il se dégrade. On appelle ces plastiques thermodurcissables car, en général, une élévation de température favorise la réaction de polymérisation et le degré de réticulation, donc la rigidité.

Les Les Les Les Les

1.4.5

Famille Aminoplastes (UF ou MF) phénoliques (PF) polyesters insaturés (UP) polyuréthannes (PUR) époxydes (EP)

Utilisation ustensiles de cuisine, stratifiés, colles stratifiés, colles, liant laques, vernis, base pour composite mousses d’ameublement et d’isolation colles, peintures

Les élastomères

Les élastomères sont des polymères à caractère amorphe ou cristallin présentant des propriétés remarquables en élasticité, amortissement et étanchéité (air, eau). Ils sont thermoplastiques et deviennent thermodurcissables par vulcanisation 6 . Ils sont employés en général réticulés 7 , et le plus souvent à une température supérieure à leur température de transition vitreuse, sur le plateau caoutchouteux. On les utilise par exemple pour la fabrication de la gomme des pneumatiques (contenant principalement du caoutchouc naturel (NR) et du copolymère styrène-butadiène (SBR)), les bandes transporteuses,les tuyaux, les silentblocs, les joints, les gants médicaux, les chaussures, etc.

1.5

Les verres et céramiques

Les verres et céramiques englobent tous les matériaux à liaisons iono-covalentes, ce qui regroupe pèle mêle : les roches, les bétons, les verres, les carbures, les nitrures... Ils peuvent se décomposer en deux familles : — les verres et céramiques traditionnels, basés sur l’utilisation de la silice SiO2 , mais avec une composition mal définie, — les céramiques techniques issues de la chimie de synthèse basées sur l’utilisation de silice SiO2 , d’oxydes et de nitrures. 6. La vulcanisation est le procédé chimique consistant à incorporer un agent vulcanisant (soufre, le plus souvent) à un élastomère brut pour former après cuisson des ponts entre les macromolécules. Cette opération rend le matériau moins plastique mais plus élastique. 7. La réticulation correspond à la formation d’un ou de plusieurs réseaux tridimensionnels, par création de liaisons entre les chaînes macromoléculaires d’un polymère.

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14

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

La céramique technique est une branche de la céramique dédiée aux applications industrielles, par opposition aux créations artisanales (poterie) ou artistiques (céramique d’art) ou porcelaine. L’objectif de cette industrie est la création et l’optimisation de céramiques à propriétés physiques spécifiques : mécaniques, électriques, magnétiques, optiques, piézoélectriques, ferroélectriques, supraconductrices... Les céramiques sont caractérisées par des liaisons fortes, ce qui se traduit dans la pratique par une très bonne tenue en température et une excellente rigidité élastique. La faible tendance à la plasticité qui en résulte rend ces matériaux fragiles, peu tenaces, peu ductiles, mais en revanche, résistants à l’usure. Ces matériaux ont de hauts points de fusion et une bonne résistance à la corrosion. Les céramiques techniques entrent dans trois catégories différentes : — les oxydes : oxyde d’aluminium, oxyde de zirconium ; — les non-oxydes : carbures, borures, nitrures, céramiques composées de silicium et d’atomes tels que tungstène, magnesium, platine, ou encore titane ; — les céramiques composites : combinaison des oxydes et des non-oxydes. Des applications historiques existent dans le domaine de l’automobile comme par exemple la fabrication des bougies mais plus récemment les céramiques ont fait leur apparition dans le domaine des sondes à oxygène ou des capteurs de gaz ainsi que pour la réalisation de turbines pour des véhicules électriques hydrides. Des pièces d’usure (par exemple des poussoirs de culbuteurs) et des axes de piston en nitrure de silicium (Si3 N4 ) ont été développés, tandis que des joints de pompe à eau en alumine (Al2 O3 ) ou en carbure de silicium (SiC) sont déjà fabriqués en grande série. Enfin la prochaine décennie devrait voir se développer des rotors de turbocompresseurs et des pièces de turbines à gaz en nitrure de silicium. Les applications bio médicales des céramiques sont nombreuses et variées. Elles vont de la substitution osseuse (remplacement de l’os par des matériaux du type hydroxyapatite ou phosphate de calcium) au remplacement de pièces fonctionnelles (zircone (ZrO2 ), Alumine, vitrocéramique) de type couronnes dentaires ou bridges, implants et prothèses.

Figure 1.9 – Différentes pièces en céramiques techniques

Technologie de fabrication

1.6 Les matériaux composites

15

L’industrie électronique grosse consommatrice de dissipateurs d’énergie trouve dans des applications céramiques des matériaux parfaitement adaptés à ses besoins. Les connecteurs pour fibre optique en zircone ont contribué pour leur part largement au développement des réseaux de transmission de données informatiques. La fabrication d’isolateurs électriques est l’une des applications les plus classiques des céramiques techniques en raison de la résistivité électrique élevée de certaines céramiques. Le groupe Kyocera (anciennement Kyoto Ceramic) est un des leader sur le marché des céramiques technique.

1.6 1.6.1

Les matériaux composites Définition

Au sens général du terme, le mot “composite” signifie “constitué de deux ou plusieurs parties différentes”. Pour le spécialiste, un matériau composite est constitué de l’assemblage d’un ou plusieurs constituants de nature différente, appelés phases discontinues et répartis dans une phase continue. Ces différents constituants se complètent et permettent d’obtenir un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément. Dans le cas de plusieurs phases discontinues de nature différente, le composite est dit hybride. La phase discontinue, appelée le renfort ou matériau renforçant, est habituellement plus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue appelée la matrice.

1.6.2

Classifications

Les matériaux composites peuvent être classés suivant la forme des composants. On distingue alors trois familles. 1.6.2.1

Matériaux composites à particules

Un matériau composite est à particules lorsque le renfort se trouve sous forme de particules (microsphères). Contrairement aux fibres, ils ne possèdent pas de dimension privilégiée. Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à l’abrasion, la diminution du retrait, etc. Les plastiques armés (ou renforcés) utilisés dans l’industrie automobile pour la réalisation de certains éléments de carrosserie sont des matériaux composites à particules. 1.6.2.2

Matériaux composites à fibres

Un matériau composite est un composite à fibres si le renfort se trouve sous forme de fibres se présentant soit sous forme de fibres continues (fil, tissu), soit sous forme de fibres discontinues (fibres coupées, fibres courtes).

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16

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

L’arrangement des fibres, leur orientation permettent de moduler à la carte les propriétés mécaniques des matériaux composites, pour obtenir des matériaux allant de matériaux fortement anisotropes à des matériaux isotropes dans un plan. Le concepteur possède donc là un type de matériau dont il peut modifier et moduler à volonté les comportements mécanique et physique en jouant sur : — la nature des constituants ; — la proportion des constituants ; — l’orientation des fibres. Ce sont les matériaux composites les plus rencontrées car ils permettent d’obtenir des structures, ou éléments de structures, de formes complexes conçues et développées en fonction de leur chargement. Les propriétés de ce type de matériaux composites sont développées plus en détails dans la suite du cours (Par. 1.6.3, p. 17). 1.6.2.3

Composites sandwiches

Ces matériaux composites sont particuliers car ils ne sont pas composés de renforts et d’une matrice. Le principe général de la technique sandwich consiste à appliquer sur une âme (composée d’un matériau ou d’une structure légère et possédant de bonnes propriétés en compression) deux plaques (feuilles ou peaux possédant de bonnes propriétés en traction). On distingue en général : — les composites sandwiches à âmes pleines (Fig. 1.10, p. 16) ; — les composites sandwiches à âmes creuses (nid d’abeilles, âme ondulée) (Fig. 1.11, p. 16).

Figure 1.10 – Composites sandwiches à âmes pleines

Figure 1.11 – Composites sandwiches à âmes creuses

Technologie de fabrication

1.6 Les matériaux composites

1.6.3

17

Éléments constituants des matériaux composites à fibres

Les divers renforts peuvent être associés aux différents types de matrices. On classe alors les matériaux composites à fibres en fonction de la nature de la matrice. On distingue ainsi : — les composites à matrice organique (résine, charges) avec : • des fibres minérales (verre, carbone, etc) ; • des fibres organiques (kevlar, polyamides, etc) ; • des fibres métalliques (bore, aluminium, etc). — les composites à matrice métallique (alliages légers et ultra-légers d’aluminium, de magnésium, de titane) avec : • des fibres minérales (carbone, carbure de silicium (SiC)) ; • des fibres métalliques (bore) ; • des fibres métallo-minérales (fibres de bore revêtues de carbure de silicium). — les composites à matrice minérale (céramique) avec : • des fibres métalliques (bore) ; • des particules métalliques (cermets) ; • des particules minérales (carbures, nitrures, etc). Les matériaux composites à matrice organique ne peuvent être utilisés que dans le domaine des températures ne dépassant pas 200 à 300◦ C, alors que les matériaux composites à matrices métalliques ou minérales sont utilisés au-delà : — jusqu’à 600◦ C pour une matrice métallique ; — jusqu’à 3500 ◦ C pour une matrice minérale. Les renforts confèrent aux composites leurs caractéristiques mécaniques : rigidité, résistance à la rupture, dureté, etc. Ils permettent également d’améliorer certaines propriétés physiques telles que le comportement thermique, la tenue en température, la tenue au feu, la résistance à l’abrasion, les propriétés électriques. Les caractéristiques recherchées pour les renforts sont des caractéristiques mécaniques élevées, masse volumique faible, bonne compatibilité avec les résines, facilité de mise en œuvre, faible coût. Les renforts peuvent être d’origines diverses (végétale, minérale, artificielle, synthétique, etc.) et les plus utilisés se présentent sous forme de fibres ou formes dérivées, et constituent une fraction volumique du matériau composite généralement comprise entre 30% et 70%. Les renforts fibres se présentent sous diverses formes commerciales : — sous forme linéique : fils, mèches, etc, constitués de fibres dont le diamètre est de quelques micromètres ; — sous forme surfacique : tissus simples, rubans, mats, etc (Fig. 1.12, p. 18) ; — sous forme multidirectionnelle : tresses, tissus complexes, etc (Fig. 1.13, p. 18). Les principales fibres sont : — les fibres de verre (verre filable appelé verre textile et composé de silice, d’albumine, de chaux, de magnésie, ...) ; — les fibres de carbone qui présentent, pour certaines, d’excellentes propriétés mécaniques (module de Young de l’ordre de 650 000 MPa) ;

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18

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

Figure 1.13 – Forme multidirectionnelle

Figure 1.12 – Forme surfacique

— les fibres aramides à caractéristiques mécaniques élevées (kevlar) ; — les fibres céramiques (de bore, de carbure de silicium, ...) ; — les fibres synthétiques thermostables (Kermel, Nomex, Kynol, PBI, Apeyl, ...) qui conservent leur caractéristiques mécaniques en température (bouclier thermique, ...) ; — les autres fibres d’origine végétale, minérale, synthétique et métallique.

1.6.4

Comparaison des caractéristiques

Le tableau (Tab. 1.1, p. 18) permet de comparer les caractéristiques des fibres les plus utilisées avec celles des alliages communs. Matériaux Fibre de Bore Fibre de verre R Fibre de verre E Fibre de kevlar 49 Fibre de kevlar 29 Fibre de carbone HM Fibre de carbone HR Acier 35 N i Cr M o 16 Alliage d’aluminium Al Cu 4 M g Alliage de titane T i Al 6 V

Masse volumique (kg/m3 ) 2500 2580 2600 1450 1440 1800 1750 7900 2700 4450

E (GPa) 410 85 74 130 82 390 260 210 74 105

Rm (MPa) 3260 3200 2500 2900 3000 2500 3200 1450 390 1060

Table 1.1 – Comparaison des caractéristiques mécaniques des fibres et alliages On constate que les fibres sont toutes moins dense et offre une résistance à la traction bien supérieure. Quand à la rigidité, caractérisée par le module de YOUNG, on trouve des valeurs identiques voire supérieure en fonction de la fibre considérée.

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1.6 Les matériaux composites

19

Suite à cette comparaison, on pourrait rapidement conclure que les fibres sont des matériaux exceptionnels ! Cependant, il faut retenir ces deux remarques très importantes : Remarque 1 Les fibres ne sont pas utilisées seules ; elles sont liées par la matrice qui modifie fortement les caractéristiques mécaniques. Remarque 2 La résistance à la traction Rm d’une fibre est aussi sa limite apparente d’élasticité Re et sa résistance à la rupture Rr ; une fibre ne possède pas de domaine plastique et il en est de même pour un stratifié ( Fig. 1.14, p. 19).

s

M é ta l

s

U n id ir e c tio n n e l R u p tu r e

R u p tu r e

e

e

Figure 1.14 – Allure d’une courbe de traction d’un alliage et d’un unidirectionnel La figure (Fig. 1.16, p. 20) permet de situer les caractéristiques des matériaux composites 8 par rapport à celles des matériaux courants. On peut alors remarquer que les composites ont un module d’YOUNG et une résistance à la traction très proches de ceux des aciers. Pour justifier leur intérêt, il faut regarder leur masse volumique et surtout leur module spécifique et leur résistance spécifique...

Figure 1.15 – Diagramme de comparaison des caractéristiques 8. Et non la fibre seule.

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20

Chapitre 1 - Généralités sur les matériaux

Figure 1.16 – Comparatif des rigidités et résistances spécifiques des principaux matériaux

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Chapitre 2

Propriétés des matériaux

L

e choix d’un matériau est souvent une étape délicate dans la conception d’un produit industriel du fait du nombre très important de différents matériaux à disposition. Cette étape est néanmoins extrêmement importante pour la conception d’un produit. En effet, la définition d’une pièce mécanique associe les fonctions de celle-ci, les procédés d’obtention et les matériaux. Il faut savoir qu’il n’y a pas de “bons” ou de “mauvais” matériaux, mais que l’on peut faire un choix meilleur qu’un autre pour un produit donné. Il suffit pour cela de choisir un matériau qui répond au Cahier des charges fonctionnel. On peut classer en quatre catégories les caractéristiques principales à prendre en compte lors d’une procédure de choix : — les caractéristiques mécaniques qui influent sur le dimensionnement des pièces, — les caractéristiques physico-chimiques qui sont liées au comportement vis-à-vis des agents extérieurs et chimiques, — les caractéristiques de mise en œuvre qui jouent sur la fabrication et l’assemblage des pièces, — les caractéristiques économiques. Le tableau ci-dessous donne quelques éléments détaillés des quatre caractéristiques citées précédemment.

Caractéristiques mécaniques Limite élastique. Module d’élasticité. Masse spécifique. Limite d’endurance. Etc...

Caractéristiques physico-chimiques Comportement à la corrosion. Vieillissement. Neutralité vis-à-vis d’un agent chimique. Etc...

Caractéristiques de mise en œuvre

Caractéristiques économiques

Formabilité.

Prix.

Usinabilité.

Disponibilité. Expérience industrielle. Etc...

Soudabilité. Trempabilité.

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22

Chapitre 2 - Propriétés des matériaux

2.1

Domaines généraux d’application - Le coût

Le coût du matériau est un critère extrêmement important lors de la conception d’un système. L’importance de ce critère sera modulé en fonction du domaine d’application du système à concevoir 1 . Matériaux de construction courants Bois, béton, acier pour le bâtiment Petite et moyenne construction mécanique Métaux, alliages et polymères pour l’aéronautique, l’automobile,... Matériaux spéciaux Alliages pour aubes de turbine, composites de pointe ,.. Métaux précieux Paliers en saphir, contacts en argent, micro circuits en or, ... Diamant industriel Outils de coupe et de polissage

2.2 2.2.1

50 à 400 e 0,4 à 4 ke 4 à 150 ke 0,15 à 1,5 Me 650 Me Prix (la tonne)

Propriétés physiques et thermiques La masse volumique

La plupart des métaux ont de fortes densités parce que leurs atomes sont lourds et empilés de façon compacte (structure cristalline). Pour les polymères et de nombreuses céramiques, les atomes constituants (C, H et O) sont légers et les structures d’empilement sont en générale non compactes. Matériau Platine Cuivre Nickel Acier Fonte Zinc Titane Alumine Al2 O3 Aluminium Verre Béton Nylon Caoutchouc

Masse volumique (kg · m−3 × 103 ) 21,4 8,9 8,9 7,8 6,9-7,8 7,1 4,5 3,9 2,7 2,5 2,5 1,1 0,9

1. Il est bien évident que le critère coût ne sera pas aussi important pour l’industrie spatiale ou militaire ou pour l’industrie grand public.

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2.2 Propriétés physiques et thermiques

2.2.2

23

Le coefficient de dilation thermique

Il est défini par α tel que ε = α · ∆T où ε est la déformation ( ∆l l ). (Encore faut-il que l’évolution soit linéaire...) Ce paramètre peut jouer un rôle important lorsqu’il y a des variations de température dues à la chaleur ambiante, au frottement entre les pièces, etc. Matériau Caoutchouc Teflon (PTFE) Nylon (PA 6-6) Zinc Aluminium Cuivre Nickel Acier Fonte Verre Titane Diamant

2.2.3

Coefficient de dilatation thermique (/C◦ ) 600 · 10−6 100 · 10−6 80 · 10−6 39, 7 · 10−6 25 · 10−6 17 · 10−6 13, 3 · 10−6 12 · 10−6 10 − 18 · 10−6 8, 5 · 10−6 8, 5 · 10−6 1, 2 · 10−6

La température de fusion

La température de fusion est à prendre en compte lorsque les températures d’utilisation sont importantes (problème du fluage), lorsque l’on veut mettre en forme à chaud (forgeage) ou lors de la réalisation de traitements thermiques divers. C’est une caractéristique utilisée surtout pour les métaux. Pour les céramiques, on parle plutôt de ramollissement ; pour les polymères, de transition visqueuse puis de ramollissement. Matériau Carbure de silicium Alumine Al2 O3 Titane Fer Acier Nickel Fonte Cuivre Verre Aluminium Zinc Teflon (PTFE) Nylon (PA 6-6)

Température de fusion (C◦ ) 3100 2090 1670 1538 1450-1538 1440 1150-1300 1080 1000 660 419 310 220

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24

2.3

Chapitre 2 - Propriétés des matériaux

Les propriétés de mise en forme

Dans notre relation produit / procédé / matériau, la mise en forme tient une place très importante. Dans une première approche et parce que nous nous intéresserons par la suite plus particulièrement aux matériaux métalliques, on peut énoncer les propriétés suivantes : — usinabilité ; — moulabilité ; — soudabilité ; — ductilité. L’usinabilité est l’aptitude d’un matériau à être usiné (obtention d’une forme par enlèvement de matière). Elle se détermine en observant l’état de surface d’une pièce, la forme du copeau, les forces de coupe, la durée de vie de l’outil. Certains métaux (aciers de décolletage, laiton, ...) et polymères (PTFE,...) sont particulièrement adaptés à ce type d’obtention de pièces. La moulabilité est l’aptitude d’un matériau a être moulé. Cela concerne particulièrement certains métaux (fontes, aluminium, ...) et les plastiques. La soudabilité est l’aptitude qu’a un matériau métallique, à être assemblé par fusion localisée. La ductilité exprime l’aptitude d’un matériau à être étiré en fil de faible diamètre. Cela concerne notamment les métaux et certains polymères.

2.4

Les propriétés tribologiques

La tribologie est une science permettant d’étudier : — le frottement des surfaces en contact animées d’un mouvement relatif ; — les effets du frottement. Dans le cadre de la conception d’ensembles mécaniques, les propriétés tribologiques sont essentielles. Dans le cas de paliers, les forces de frottement sont indésirables en raison de la puissance qu’elles dissipent. L’usure est quant à elle néfaste, car elle fait apparaître des jeux de fonctionnement.

Figure 2.1 – Différents types de frottement

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2.5 Les propriétés mécaniques

25

Les forces de frottement sont couplées à la notion de mouvement : elles sont génératrices de dissipation d’énergie et sont opposées au mouvement relatif qui les crée. Cette source de chaleur augmente la température des corps dans le contact et dégrade leurs propriétés dans la plupart des cas. Dans des cas extrêmes, on peut aboutir à des avaries de surface et au grippage. Mais cette augmentation locale de température peut être utilisée aussi pour déclencher l’action d’additifs destinés à lutter contre le grippage ou pour remplacer, dans le cas de métaux à bas point de fusion, les lubrifiants traditionnels incapables de supporter les températures élevées imposées par l’utilisation du mécanisme. Couple de matériaux Acier /acier Acier / bronze Acier / nylon Acier / PTFE Pneu /route Ferodo / acier

2.5

Coefficient de frottement frottement sec 0,1 0,2 0,15 0,1 0,7 0,4

frottement onctueux 0,05 0,05 0,11 0,05

Les propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques d’un matériau sont extrêmement importantes lors du choix du matériau. En effet, elles permettent de savoir si le matériau choisi résistera aux contraintes mécaniques appliquées sur la pièce mécanique considérée. Nous pouvons définir un certain nombre de caractéristiques mécaniques nécessaire au dimensionnement d’une pièce mécanique comme : — l’homogénéité, — l’isotropie, — la résistance, — la ductilité, — l’élasticité, la plasticité ou la fragilité, — la rigidité, — la dureté. • Un matériau homogène est un matériau où la répartition des différents éléments constitutifs est uniforme, les propriétés physiques et chimiques sont les mêmes en tout point (cas de tous les alliages métalliques). A l’opposé, le matériau est dit hétérogène (cas des composites). • Un matériau isotrope possède des propriétés mécaniques identiques dans toutes les directions (cas de la plupart des alliages métalliques). A l’opposé, un matériau est anisotrope (cas des plastiques et des composites). • Un matériau résistant a une forte capacité à supporter une forte contrainte. On mesure la résistance maximale à la rupture (Rm) et la résistance élastique (Re) lors de l’essai de traction.

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26

Chapitre 2 - Propriétés des matériaux

• Un matériau ductile a une forte capacité à se déformer jusqu’à la rupture. On caractérise cette ductilité par l’allongement à la rupture (A%). Si A%>5%, le matériau est dit ductile. Si A% 0,5%) : ils sont caractérisés après traitements thermiques par une grande dureté et une bonne tenue à l’usure. On les emploie pour les ressorts, matrices, pièces forgées, ... Certains aciers alliés ont une trempabilité bien meilleure que ces aciers, avec un meilleur durcissement structural au cœur de la matière.

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52

Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

4.2.2.3

Quelques nuances normalisées

Nuances S 235 S 355 E 295 E 360 C 22 C 35 C 50

4.2.3

Rm (Mpa) 340 490 470 670 410 - 980 570- 830 700- 980

Aciers non alliés Re (Mpa) 235 355 295 360 255-600 335-490 395-600

A (%) 15-26 12-22 10-20 3-11 8-15 16-20 12-17

K (daJ/cm2 ) 6 5 5 5 -

Aciers faiblement alliés

Les aciers faiblement alliés sont des alliages fer/carbone auxquels on a volontairement ajouté des éléments d’addition précis afin d’améliorer les caractéristiques mécaniques ou les propriétés de l’acier. Pour ces aciers, aucun élément d’addition ne dépasse 5 %. Ils sont choisis pour leur haute résistance, avec ou sans traitements thermiques. On les trouve pour des engrenages, des arbres, des pièces de frottement, pièces de sécurité, outils... Désignation normalisée : On écrit successivement : — — — —

la lettre G si la pièce est moulée, un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone, les symboles chimiques des éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes, dans le même ordre, les teneurs des principaux éléments d’addition multipliés par 4, 10, 100 ou 1000(voir tableau ci-dessous).

G A c ie r m o u lé (s i n é c e s s a ir e )

3 5

N i C r M o 1 6

%

d e C a r b o n e m u ltip lié p a r 1 0 0

T e n e u r e n % d e s é lé m e n ts d 'a d d itio n (d a n s le m ê m e o r d r e ) ´ 4 ´ 10 ´ 100 ´ C r, C o , M n , N i, S i, W

A l, B e , C u , M o , N b , P b , T a , T i, V , Z r

P r in c ip a u x é lé m e n ts d 'a d d itio n (d a n s l'o r d r e d e le u r te n e u r )

Figure 4.5 – Désignation des aciers faiblement alliés

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C e , N , P , S

1 0 0 0 B

4.2 Les aciers (Steel)

53

Aciers faiblement alliés Re K A (%) (Mpa) (daJ/cm2 )

Rm (Mpa)

Nuances 42 Cr Mo 4

700-1200

500-850

11-15

6

35 Mn S 6

880-1080

740

9

3,55

100 Cr 6

850-1250

550-850

10-13

4

10001750

800-1250

9-11

5

36 Ni Cr Mo 16

4.2.4

Particularités Décolletage, bonne trempabilité Décolletage, trempabilité correcte Trempabilité correcte, roulements Excellente trempabilité

Aciers fortement alliés

Pour ces aciers, au moins un élément d’addition dépasse 5 %. Ils sont choisis pour certaines caractéristiques particulières : inoxydable (Stainless Steel), aciers réfractaires (tenue à la température), aciers rapides (outils), Maraging (très haute résistance, utilisés dans l’aéronautique), Hadfields (très grande résistance à l’usure), à roulements.... Désignation normalisée : On écrit successivement : — la lettre X, symbolisant la famille, — un nombre égal à 100 fois la teneur en carbone, — les symboles chimiques des principaux éléments d’addition dans l’ordre des teneurs décroissantes, — dans le même ordre, les teneurs des éléments d’addition (elles ne sont pas multipliées par un coefficient). T e n e u r e n % d e s é lé m e n ts d 'a d d itio n (d a n s le m ê m e o r d r e )

G A c ie r m o u lé (s i n é c e s s a ir e ) %

X

6

C r N i T i 1 8 -1 1

d e C a r b o n e m u ltip lié p a r 1 0 0

P r in c ip a u x é lé m e n ts d 'a d d itio n (d a n s l'o r d r e d e le u r te n e u r )

Figure 4.6 – Désignation des aciers fortement alliés Au delà de 12 % de chrome, on dit que l’acier est inoxydable. Ces aciers sont souvent à base de Nickel et de Chrome. Ils possèdent une bonne soudabilité et une bonne tenue à la température. Ils sont très utilisées pour les applications marines, dans l’industrie chimique ou agroalimentaire.

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Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

Re (Mpa)

Nuances

Aciers fortement alliés Rm K A (%) (Mpa) (daJ/cm2 )

X 5 Cr Ni 18-10

215

490-690

45

12

X 30 Cr 13

685

8301030

10

2,5

X 6 Cr 17

245

440-640

18

-

450

8

X 80 W Cr V 18-04-01 X 40 Cr Ni Si 25-20

4.3

-

Particularités Inoxydable, bonne résistance aux chocs Inoxydable, dureté, usure Inoxydable, facile à étirer, plier, ... Acier à outils Réfractaire

Les fontes (Cast Iron)

La fonte est un alliage de Fer et de Carbone dont le taux de carbone se situe entre entre 2 et 4 %. Contrairement aux aciers où le carbone se trouve sous forme de cémentite F e3 C, dans le cas des fontes, le carbone se trouve sous forme de graphite. La structure graphitique du carbone est obtenue par un refroidissement très lent de la fonte, ou l’ajout de composants graphitisants comme le silicium. Ces fontes sont appelées en général fontes grises 2 . Les fontes sont particulièrement adaptées aux procédés de fonderie, non forgeables et peu soudables . Désignation normalisée : On écrit successivement : — le signe EN (pour norme européenne), — le type de fonte (GJL, GJS, GJMB, GJMW), — la résistance à la rupture Rr en M P a, — l’allongement à la rupture A% sauf pour les EN-GJL.

E N

G J S

T y p e d e fo n te : E N -G J L , E N -G J S , E N -G J M W , E N -G J M B

4 0 0

-

1 5

A llo n g e m e n t a p r è s r u p tu r e A % (sa u f G J L ) R é s is ta n c e à la r u p tu r e R r (M P a )

Figure 4.7 – Désignation des fontes

4.3.1

Les fontes à graphite lamellaire (EN-GJL)

C’est la plus courante des fontes grises. Le graphite s’y trouve sous forme de lamelles. Les principales qualités des fontes GJL (ou FGL 3 ) sont : — Facilité d’usinage, — Très bonne résistance à la corrosion et à la déformation à chaud, 2. Il existe aussi des fontes blanches dans lesquels, le carbone se trouve sous forme de cémentite, elles sont beaucoup moins utilisées car elles sont fragiles et ont une très mauvaise usinabilité (EN-GJN). 3. Ancienne normalisation française... Ne plus utiliser !

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4.3 Les fontes (Cast Iron)

55

— Très bonne absorption des vibrations, — Stabilité dimensionnelle (réalisation de machine outil silencieuse et stable géométriquement), — Excellente coulabilité, — Prix du métal peu élevé. Le principal défaut est une relative fragilité comparé aux aciers. On utilise les fontes GJL pour mouler des bâtis de machines outils, des carter de moteur, de boite de vitesse, des tuyaux et canalisation, et toute autre grosse pièce obtenue par moulage puis usinage.

Figure 4.8 – Microstructure des fontes GJL et GJS

4.3.2

Les fontes à graphite sphéroïdal (EN-GJS)

Fonte dans laquelle le graphite se trouve sous forme de nodules (sphéroïdes). Cette micro structure particulière est obtenue par l’ajout de magnésium dans la fonte peu de temps avant le moulage (si la fonte est maintenue en fusion, elle perd les spécificités des fontes GJS (ou FGS 4 ) au bout d’une dizaine de minutes). Le magnésium s’évapore mais provoque une cristallisation rapide du graphite sous forme de nodules. Cette micro-structure lui donne des caractéristiques mécaniques proches de l’acier. Elles ont une résistance mécanique accrue par rapport aux précédentes. Elles s’usinent facilement et sont soudables. On les trouve pour la réalisation de vilebrequins, d’arbres, de bras de suspension...

4.3.3

Les fontes malléables (EN-GJMW et EN-GJMB)

Ces fontes sont obtenues par malléabilisation de la fonte blanche (fonte à cémentite GJN) : — soit par recuit graphitisant conduisant à des malléables à cœur noir (GJMB ou FMN) dont le graphite nodulaire permet une déformation plastique plus ou moins importante, — soit par un recuit décarburant conduisant à des malléables à cœur blanc (GJMW ou FMB) analogues à des aciers doux. 4. Même remarque que précédemment...

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Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

Ces procédés permettent de réaliser des pièces par fonderie (bonne coulabilité des fontes blanches) qui auraient été impossibles à obtenir en acier. La malléabilisation permet ensuite d’obtenir des propriétés mécaniques convenables. Le procédé de décarburation étant limité à une épaisseur de 5 mm, les fontes malléables à cœur blanc sont réservées aux pièces fines, elles sont néanmoins soudables.

4.3.4

Les fontes alliées

On trouve comme pour les aciers, toute une gamme de fontes alliées pour des applications particulières. Elles peuvent être constituées de nickel, cuivre, aluminium, ...

4.3.5

Quelques nuances normalisées Nuances EN-GJL 250 EN-GJL 400 EN-GJS 400 - 15 EN-GJS 900 - 2 EN-GJMW 400 - 10 EN-GJMB 350 - 10 EN-GJMB 650 - 3

4.4

Fontes Rm (Mpa) 250 400 400 900 400 350 650

Re (Mpa) 170 260 250 600 220 230 430

A (%) 0,8 0,8 15 2 10 10 3

Les alliages d’aluminium

L’aluminium est un métal argenté et malléable, c’est le métal le plus abondant à la surface de la terre (8,1 %), mais il n’existe pas pur. Il est obtenu à partir de la bauxite par réduction électrolytique. Il est le métal le plus employé après l’acier. La production mondiale est d’environ 36 millions de tonnes 5 ; le marché aéronautique français en consomme plus de 30 000 tonnes par an. L’aluminium pur, du fait de ses faibles caractéristiques mécaniques, est surtout utilisé comme conducteur électrique, pour la réalisation d’emballage (boîte de boisson) ou d’appareils électroménagers. Pour toutes les applications nécessitant de hautes caractéristiques mécaniques, l’aluminium est allié à d’autres éléments (cuivre, magnésium, etc.). Il est remarquable pour sa résistance à l’oxydation et sa faible densité. En fait, il est très oxydable mais à l’air, il se forme une couche de quelques micromètres d’oxyde d’aluminium (Al2 O3 ) imperméable qui protège le reste du métal et qui se reforme très rapidement. . On le trouve en produits corroyés (laminés, forgés ou filés) ou en produit pour la fonderie. Il n’est quasiment pas utilisé pur mais toujours sous forme d’alliage. 5. Chiffre de l’année 2008.

Technologie de fabrication

4.4 Les alliages d’aluminium

4.4.1

57

Quelques caractéristiques des alliages d’aluminium

Voici quelques caractéristiques de l’aluminium et de ses alliages à comparer à celles de l’acier. — Densité : environ 2, 7 ; — Température de fusion : environ 660◦ C ; — Module de YOUNG : entre 68 GPa et 75 GPa ; — Limite apparente d’élasticité : entre 35 MPa et 460 MPa ; — allongement pour cent : entre 3% et 24% ; — très ductile et malléable, mais peu tenace. Certains alliages d’aluminium sont aptes aux traitement thermiques. Le Duralumin est un alliage d’aluminium qui obtient ses performances mécaniques à la suite de traitements thermiques, dont le principe est énoncé ci-après. — Mise en solution (chauffage à 495◦ C et maintien à température). — Refroidissement rapide dans l’eau ou dans un brouillard d’eau : c’est la trempe fraîche. Elle rend l’alliage mou et malléable pendant 3 à 4 heures. — Le durcissement structural a lieu au bout de 4 jours en conservant l’alliage à 20◦ C : c’est la maturation ! — Le durcissement structural peut être accéléré et augmenté en réalisant, immédiatement après la trempe, un revenu entre 100◦ C et 150◦ C : c’est le vieillissement ! Le schéma (Fig. 4.9, p. 57) indique les principaux alliages d’aluminium en précisant leur nom commercial et leur désignation normalisée. D u r a lu m in

A l C u 4 M g

A llia g e Y

A l C u 4 N i T i

D u r a lin o x

A l M g 5

A lu m a g

A l M g 7

A lp a x

A l S i 1 3

A lm a s ilic iu m

A l S i M g

Z in c

Z ic r a l

A l Z n 8 M g C u

M a n g a n è se

A lm e le c

A l M n 4

C u iv r e

M a g n é s iu m A L U M I N IU M S ilic iu m

Figure 4.9 – Familles d’alliages d’aluminium Chaque soluté apporte des propriétés particulière à l’alliage. On peut retenir les éléments suivants : — le cuivre apporte une augmentation globale de toute les caractéristiques mécaniques ; — le silicium donne un alliage qui possède une très bonne coulabilité (intéressant pour les pièces moulées) ;

Lycée Jules Garnier

58

Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

— le zinc apporte une augmentation des caractéristiques mécaniques de résistance (Rm , Re et H), mais donne un alliage difficilement soudable.

4.4.2

Aluminium et alliages corroyés

Les alliages d’aluminium pour corroyage sont des alliages à base d’aluminium destinés pour la majorité à être transformés par des techniques de forge (laminage, filage, matriçage, forge, etc.). Désignation normalisée : La norme européenne EN 573-1 indique qu’un alliage d’aluminium corroyé est désigné par un ensemble de 4 chiffres par le préfixe EN, les lettres “A” (aluminium), “W” (pour les produits corroyés, wrought en anglais) et un tiret “-”. La signification des quatres chiffres est la suivante : — le premier chiffre correspond au groupe (groupe 1 : aluminium pur, groupes 2 à 8 : alliages), — le second, l’indice de pureté pour un aluminium pur ou le nombre de transformations subit par l’alliage, — les troisième et quatrième correspondent à la teneur en aluminium au delà de 99 % pour un aluminium pur, pour un alliage, uniquement à un numéro d’identification. Les alliages d’aluminium des groupe 2, 4, 6 et 7 sont dit à durcissement structural. On peut augmenter les propriétés mécaniques de ces alliages en leur faisant subir une trempe et un revenu (contrairement aux aciers, la trempe n’augmente pas les caractéristiques mécaniques de l’alliage, c’est le revenu ou le vieillissement (maturation) qui permet l’augmentation des caractéristiques mécaniques).

E N G r 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6 : 7 : 8 :

o u A A A A A A A A

p e lu m lu m lu m lu m lu m lu m lu m lu m

A W

-

1 0 4 0 T e n e u r e n A l a u d e ssu s d e 9 9 % p o u r le s a lu m in iu m p u r s (s in o n n u m é r o d 'id e n tific a tio n )

: in in in in in in in in

iu iu iu iu iu iu iu iu

m m m m m m m m

p u r (> 9 9 % + C u iv r e + M a n g a n + S ilic iu m + M a g n é s + M a g n é s + Z in c + A u tr e s

)

A lu m in iu m p u r : in d ic e d e p u r e té A llia g e : n o m b r e d e m o d ific a tio n s a p p o r té e s à l'a llia g e d 'o r ig in e .

è se iu m iu m

+ S ilic iu m

Figure 4.10 – Désignation des alliages d’aluminium corroyés

Nuances 1070 - Al99,7 2017A - AlCu4MgSi (duralumin) 3003 - AlMn1Cu 6061 -AlMg1SiCu

Aluminium corroyés Rm (Mpa) Re (Mpa) A (%) 125 105 2 340

220

13

100-130

35

24

150

85

19

Technologie de fabrication

Particularités Métal malléable Bonne résistance, bonne usinabilité écrouissage, conserve aptitude au filage, profilés

4.4 Les alliages d’aluminium

59

Les domaines d’application sont très variés : marine, aéronautique, spatial, bâtiment, automobile...

4.4.3

Aluminium et alliages pour la fonderie

Les alliages d’aluminium pour fonderie sont des alliages dont le constituant principal est l’aluminium, destinés à être transformés par des techniques de fonderie. On les appelle souvent “alliages légers” du fait de leur masse volumique nettement inférieure à celles d’autres métaux utilisés dans l’industrie. On les qualifie aussi parfois de “fonte d’aluminium”, du fait du mode d’obtention des pièces réalisées, mais c’est une erreur de langage. Une pièce de fonderie en alliage léger est une pièce en aluminium moulé. Désignation normalisée : Comme pour les alliages d’aluminium corroyés, il existe une désignation numérique (EN 1780-1). Il s’agit d’une désignation à 5 chiffres dont le premier suit la même règle que celle qui codifie les alliages pour corroyage : série 20000 (Cuivre), série 40000 (Silicium), etc. Le deuxième défini un groupe d’alliage et les trois derniers, sa composition chimique. Ces cinq chiffres sont précédés par les lettres EN AC - (pour norme européenne, aluminium moulé 6 ). Par exemple, l’alliage EN AC - 42000 correspond à un alliage d’aluminium moulé à 7% de silicium et avec des traces de magnésium. Il existe aussi une désignation dite “chimique” ou “symbolique”, elle aussi normalisée (EN 1780-2), qui reprend les symboles des constituants de l’alliage, suivis, pour les principaux, de leurs proportions dans l’alliage (en pourcentage). Cette deuxième désignation est beaucoup plus utilisée.

E N

A C

- A l

S i

1 3 te n e u r e n é lé m e n t d 'a d d itio n (1 3 % d e s ilic iu m )

A lu m in iu m E lé m e n t d 'a d d itio n (S ilic iu m )

Figure 4.11 – Désignation des alliages d’aluminium moulés La désignation complète est assez peu utilisée et on supprime souvent les lettres du début de la désignation “EN AC -”.

Nuances Al Si 13 [A - S 13 (alpax)] Al Cu 4 Mg [A - U 4 G (duralumin)] Al Mg 6 [A - G 6]

Aluminium pour la fonderie Rm (Mpa) Re (Mpa) A (%) 160

70

4

160-260

120-190

0,5-1,5

220

-

1,5

Particularités Très bonne coulabilité mauvaise coulabilité, bonne usinabité, résistance moulage sous pression

6. cast en anglais...

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60

Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

4.5

Les alliages de cuivre

Le cuivre est un métal de couleur rougeâtre, il possède une haute conductivité thermique et électrique (à température ambiante, le seul métal pur ayant une meilleure conductivité électrique est l’argent). Le cuivre pourrait bien être le premier métal à avoir été utilisé, étant donné que des pièces datant de 8700 avant J.-C. ont été trouvées. Le cuivre est rarement utilisé pur, sauf pour les conducteurs électriques et dans le cas où l’on souhaite une grande conductivité thermique. Le cuivre pur est très ductile (allongement à la rupture élevée), on l’utilise donc pour en chaudronnerie et en tuyauterie. Les alliages de cuivre possèdent une bonne résistance à la corrosion et une grande conductivité électrique. Les alliages de cuivre sont principalement : — les laitons : Cu + zinc ; Le laiton est très facile à usiner mais il est relativement fragile. On l’utilise depuis longtemps pour la fabrication d’instruments de précision, d’éléments décoratifs pour le mobilier, d’instruments de musique, pour la robinetterie, etc. Le laiton est le plus utilisé des alliages de cuivre. C’est l’un des principaux métaux utilisé par l’industrie du décolletage (fabrication de petites pièces tournées en très grandes séries). — les bronzes : Cu + étain ; Leurs caractéristiques principales sont une bonne résistance à l’usure et à la corrosion et une bonne conductivité électrique. On les utilise souvent comme matériau de frottement en face de l’acier : engrenages (système roue-vis sans fin, système visécrou), coussinets, la robinetterie... — les cupro-aluminium : Cu + aluminium ; Ils possèdent une très bonne résistance à la corrosion marine et une dureté 1.5 fois supérieure à un bronze classique. Ils sont utilisés pour la construction marine, des coussinets, des arbres... — les cupro-nickel : Cu + nickel ; Ces alliages sont reconnus pour leurs propriétés anti-corrosives et d’anti-fouling. Ces alliages possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques, souvent utilisés dans des milieux marins, pour des échangeurs thermiques ou pour des pièces de monnaie... — les maillechorts 7 : Cu + nickel + zinc ; Ces alliages possèdent une bonne usinabilité et soudabilité, excellent pour le travail à froid. Ses applications courantes sont : rivets, visserie, fermeture Éclair, éléments optiques et bijoux fantaisie. Désignation normalisée : La norme NF A 02-009 défini la désignation des cuivres et alliages cuivreux. La désignation comporte les symboles chimiques de l’élément de base (Cu) suivi de ceux des éléments d’addition, suivis de nombres indiquant la teneur (>1%). Ils sont rangés par ordre décroissant.

7. Du nom de leurs inventeurs, les français Maillot et Chorier vers 1820...

Technologie de fabrication

4.6 Les alliages de Zinc

61

C u

S n

8

P

C u iv r e E lé m e n ts d 'a d d itio n (E ta in e t P h o s p o r e )

te n e u r e n é lé m e n t d 'a d d itio n (8 % d 'é ta in )

Figure 4.12 – Désignation des alliages de cuivre

Nuances Cu Zn 36 Pb 3 Cu Sn 12 Cu Al 10 Fe 3 Cu Ni 10 Zn 27

4.6

Cuivre et alliages Rm (Mpa) Re (Mpa) 500-600 240 130 500-650 180-250 420 -

A (%) 5 13-02 27

Les alliages de Zinc

Les principaux avantages des alliages de zinc sont leur faible température de fusion (' 420◦ C) et leur excellente coulabilité. Ils sont donc principalement destinés à la fonderie, ce qui permet d’obtenir des pièces de forme très complexe et d’épaisseur très mince (' 0, 4mm). Leur faible coût de revient permet de concurrencer les alliages d’aluminium ou de cuivre et même souvent les matières plastiques. On utilise largement les alliages de zinc dans l’automobile (carburateur, pompe à essences...), dans l’électroménager, en quincaillerie et en mécanique de précision (appareils photographiques, horlogerie...) Les principaux alliages de zinc sont les zamaks qui contiennent 4 % d’aluminium, 0,04 % de magnésium et 1 % de cuivre ou pas du tout. Pour le zamak, on trouve plusieurs désignations : — zamak 3 : Z-A4G ou ZP3 ou encore en symbole chimique ZnAl4Mg, — zamak 5 : Z-A4U1G ou ZP5 ou encore en symbole chimique ZnAl4Cu1Mg.

4.7

Les alliages de magnésium

Ils sont caractérisés par une faible masse volumique (1740kg.m−3 ), on les utilise en construction pour leur grande légèreté. La température de fusion est faible : Tf=650◦ C. Il sont chimiquement instables et susceptibles à la corrosion en milieu marin mais possèdent une bonne résistance à la corrosion atmosphérique. Les principaux éléments d’alliage sont l’aluminium, le zinc, le manganèse et le zirconium. Les alliages Mg-Al-Zn sont les plus résistants, facilement usinables et coulables. Ce sont des concurrents pour les alliages d’aluminium, ils sont plus chers et moins résistants mais ont une plus faible densité (carter sur les motos ou les moteurs de voiture). Ils remplacent de plus en plus les matières plastiques car ils sont plus résistants, plus faciles à recycler et moins cher à produire pour une même densité (exemple des boîtiers d’ordinateurs portables ou d’appareil photo). Les principales nuances d’alliages de magnésium sont : MgAl6Mn et MgAl9Zn.

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62

Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

4.8

Les alliages de titane

4.8.1

Généralités

Le titane est le dixième élément le plus abondant sur la couche terrestre. Le début de son industrialisation s’est fait dans les années 1950 ; néanmoins, l’utilisation des ses alliages fut faible jusque dans les années 1970. Il est extrait de minerais, principalement d’ilménite et de rutile. Cependant, la quantité de minerai utilisé pour la production de “titane métal” ne représente qu’une infime partie de la consommation totale. En 2002, sur une production de 4,5 milliard de tonnes de minerais, seulement 100 000 tonnes est utilisé pour produire l’éponge de titane 8 . Une des industries la plus consommatrice de titane (ou plutôt de ses alliages) est le marché aéronautique : environ 20 000 tonnes par an 9 . Le marché médical qui est aussi une entreprise mature dans l’utilisation de ce métal (prothèses, plaque d’ostéosynthèse) en consomme annuellement 800 tonnes.

4.8.2

Quelques caractéristiques des alliages de titane

Voici quelques caractéristiques du titane et de ses alliages à comparer à celles de l’acier et des alliages d’aluminium. — Densité : environ 4, 5 ; — Température de fusion : environ 1670◦ C ; — Module de YOUNG : entre 100 GPa et 110 GPa ; — Limite apparente d’élasticité : entre 140 MPa et 830 MPa ; — Allongement pour cent : entre 10% et 24% ; — Caractéristiques mécaniques élevées jusqu’à 500◦ C ; — Bonne tenue à la corrosion dans l’eau et l’organisme humain ; — Biocompatible ; — Amagnétique. L’alliage de titane phare de l’aéronautique est le Ti Al 6 V 4, voici quelques-unes de ses propriétés. • Constitution : alliage de titane à 6% d’aluminium et 4% de vanadium. • Module de YOUNG : 110 GPa à 25◦ C, 75 GPa à 600◦ C. • Limite apparente élastique Re : 830 MPa à 1040 MPa suivant le traitement. • Résistance à la traction Rm : 900 MPa à 1100 MPa suivant le traitement. • Allongement pour cent A% : 8% à 10% suivant le traitement. 8. L’éponge de titane est la forme poreuse de titane obtenue après traitement du minerai dans la filière “métal”. Cette éponge est ensuite fondue pour former le lingot de titane. 9. Consommation mondiale en 2000.

Technologie de fabrication

4.9 Les superalliages

4.9 4.9.1

63

Les superalliages Généralités

Pour les parties chaudes des turbomachines, il est indispensable de disposer d’alliages qui conservent des propriétés mécaniques élevées et une résistance à la corrosion à haute température. Les alliages réfractaires, encore appelé superalliages, ont été développés pour répondre à ces besoins. Ils possèdent en effet : — de grandes caractéristiques de résistance (Re et Rm ) évoluant peu en fonction de la température ; — une bonne tenue vis-à-vis de la corrosion même à haute température ; — une vitesse de fluage faible. Ils interviennent désormais à plus de 50% dans la masse totale d’un moteur d’avion de chasse (cf. M88 sur l’avion Rafale). Ces alliages sont essentiellement des alliages à base de Nickel, de Nickel-Fer et de Cobalt.

4.9.2

Composition et structure

Les caractéristiques de ces superalliages proviennent essentiellement de l’hétérogénéité de leur constitution structurale. Ils sont composés d’un certain nombre d’éléments qui apportent chacun des caractéristiques déterminées. Leur structure est constituée de trois parties : — Une “matrice‘” qui assure le raidissement et la résistance à la corrosion de l’alliage ; — Une phase intermétallique qui maintient les caractéristiques mécaniques à hautes températures ; — Des carbures, situés aux joints de grains, qui améliorent la tenue au fluage.

4.9.3

Caractéristiques

Les principales caractéristiques (à l’issu des traitements thermiques) de l’alliage à base nickel Ni Cr 20 Ti Al : — — — — —

température de fusion : entre 1350◦ C et 1400◦ C ; module de YOUNG : 200 GPa à 20◦ C ; 42 GPa à 1000◦ C ; limite apparente élastique : environ 600 MPa ; résistance à la traction : environ 1000 MPa ; allongement pour cent : de l’ordre de 15%.

Les superalliages à base de cobalt sont moins résistants que les superalliages à base de nickel, mais ils conservent leurs caractéristiques mécaniques à des températures supérieures et ils offrent, de plus, une meilleure résistance à la corrosion générée par la combustion des carburants.

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64

Chapitre 4 - Désignation des matériaux métalliques

4.10

Liste des matériaux métalliques d’utilisation classique

Nuances E295 S355 35CrMo4

Matériau Acier de construction bas de gamme Acier de construction bas de gamme acier de trempe

Applications Bâti mécano-soudé, profilés Bâti mécano-soudé, profilés arbres, engrenages pièces d’usures, engrenages, axes portant des roulements Acier à ressorts Roulements à billes Acier inoxydable, pas de trempe Acier inoxydable (316L), industrie chimique, nautisme

C45 TS

Acier fin, trempe superficielle

50CrV4-15 100Cr6

Acier de trempe Acier faiblement allié

X35Cr18

Acier fortement allié

X2CrNiMo 1712

Acier fortement allié

X85CrWCoMn 4-8-4-5

Acier fortement allié

Acier à outils ARS

EN-GJL 400

Fonte à graphite lamellaire

Bâti de machine, carter

AlCu4Mg

Duralumin

AlSi13

Alpax

MgAl9Zn3

Magnésium

CuSn8P

Bronze

CuZn12

Laiton

CuAl9Ni5Fe2

Cupro-aluminium

ZnAl4Mg

Zamak 3

Technologie de fabrication

Aéronautique, pièces forgées et tôles Moulage des carters Moulage de carters, de jantes Bonne moulabilité, coussinets, vannes Plaques, tôles déformables Moulage de pièces de frottement Moulage sous pression de petits carters, carburateur

Résistance Re = 295M P a Re = 355M P a Rm = 700M P a Rm = 500M P a Rm = 600M P a Rm = 700M P a Rm = 400M P a Rm = 600M P a Hc = 62 Rm = 400M P a Rm = 300M P a Rm = 200M P a Rm = 160M P a Rm = 450M P a Rm = 340M P a Rm = 500M P a Rm = 240M P a

Chapitre 5

Notions sur les traitements thermiques des aciers

L

’étude de la structure cristalline des métaux montre que les propriétés mécaniques des métaux sont intimement liées à cette structure. Comme nous pouvons le voir sur le diagramme Fer-Carbone, cette structure est elle même lié à la température de l’alliage et au refroidissement de cet alliage. Un traitement thermique a pour objet de soumettre l’acier à l’action de cycles thermiques appropriés afin de lui conférer des propriétés mécaniques adaptées à sa mise en œuvre ou à sa fonction. Les différents objectifs des traitements thermiques sont : — produire des modifications de la nature des constituants de l’alliage (trempe, recuit), — produire des modifications microstructurales (dimension, forme et répartition des constituants) ou provoquer la formation de ces microstructures (revenu, recuit), — éliminer ou réduire les contraintes internes (revenu de détente), — atténuer les hétérogénéités de composition chimique ou provoquer le rétablissement des propriétés physiques d’un acier (recuit).

Figure 5.1 – Zones de température utilisées pour les traitements thermiques

Lycée Jules Garnier

66

Chapitre 5 - Notions sur les traitements thermiques des aciers

5.1

Le durcissement structural

Un durcissement structural est un procédé qui consiste à modifier certaines caractéristiques mécaniques d’un matériau, et principalement d’améliorer ses caractéristiques de résistance. Il existe deux types de durcissement structural : — le durcissement structural mécanique comme l’écrouissage ; — le durcissement structural par traitement thermique. On s’intéresse dans ce paragraphe au second type. Présentons son principe en s’appuyant sur l’exemple des aciers (Fig. 5.2, p. 66) : 1. Chauffage de l’alliage au-dessus d’une courbe de saturation (Ac3 ou Ac1) et maintien en température (traitement dans la masse). Sa structure cristalline est alors modifiée. 2. Refroidissement rapide de l’alliage. On réalise une trempe qui empêche le matériau de retrouver son état d’équilibre initial. 3. Les conséquences, en ce qui concerne les aciers, sont les suivantes : — augmentation de Rm, Re et de la dureté ; — diminution de la résilience et de l’allongement pour cent ; — mais la structure cristalline de l’alliage est instable (c’est un état hors équilibre). Il se produit un vieillissement : les caractéristiques mécaniques évoluent est tendent à retrouver leur valeur initiale ! 4. Contrôle du vieillissement : réalisation d’un autre traitement thermique, le revenu (Par. 5.3, p. 68). T e m p é ra tu re (° C ) 1 6 0 0

L iq u id e

1 4 0 0

L iq u id e + A u s té n ite 1 2 0 0 A u s té n ite 1 0 0 0

A u s té n ite + C é m e n tite F e r r ite + A u s té n ite

8 0 0

A c 3 A c 1

7 2 1

F e r r ite 6 0 0

R e fr o id is s e m e n t r a p id e

4 0 0

P e r lite + F e r r ite

P e r lite + C é m e n tite

2 0 0

T e n e u r e n C a rb o n e (% ) 0

0 ,5

A c ie r H y p o e u te c to ïd e

0 ,7 7

1

1 ,5

2 ,1

A c ie r H y p e r e u te c to ïd e

Figure 5.2 – Principe du durcissement structural par traitement thermique

Technologie de fabrication

5.2 Le traitement thermique de trempe

67

Le principe énoncé sur le cas des aciers est identique pour tous les alliages métalliques. Les évolutions des caractéristiques mécaniques ne se font pas forcément lors des mêmes traitements thermiques que pour les aciers.

5.2 5.2.1

Le traitement thermique de trempe Les paramètres

Les paramètres du traitement thermique de trempe dans la masse sont les suivants : • La température de chauffage. — aciers hypoeutectoïdes (pourcentage de carbone inférieur à 0,85%) : Ac3 + 50◦ C ; — aciers hypereutectoïdes (pourcentage de carbone supérieur à 0,85%) : Ac1 + 50◦ C. • Le temps de maintien à cette température. — 30 minutes jusqu’à un diamètre de 30 mm ; — on ajoute 1 minute en plus pour chaque millimètre en plus. • Le refroidissement. Il dépend de la nature du bain de trempe qui définit la vitesse de refroidissement. Par exemple : — dans l’eau, vitesse rapide ; — dans l’huile, vitesse modérée ; — à l’air ambiant, vitesse lente. Évidemment, cette notion de vitesse de refroidissement dépend de la nature même de l’acier. Une vitesse rapide pour un acier peut correspondre à une vitesse lente pour un autre. On parle alors de trempe de référence.

Figure 5.3 – Différents types de structure issues d’une trempe La structure obtenue est constituée de martensite (structure de carbures en aiguilles sur une matrice austénitique résiduelle) ou de bainite, plus ou moins fine qui est un constituant intermédiaire entre la martensite et la perlite.

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68

Chapitre 5 - Notions sur les traitements thermiques des aciers

On retiendra que l’augmentation des caractéristiques de résistance (Rm , Re et H) est d’autant plus importante que la vitesse de refroidissement est rapide. Mais, attention ! La diminution des caractéristiques de ductilité évolue d’autant : ce qui peut être très contraignant.

5.2.2

Notion de trempabilité

La trempabilité caractérise l’aptitude d’un acier à former la structure cristalline instable (augmentation des caractéristiques de résistance). Cette propriété est évaluée par un essai, l’essai de JOMINY . L’essai de JOMINY consiste (Fig. 5.4, p. 68) : — Dans un premier temps, à austénitiser une éprouvette normalisée, dans des conditions normales (température et durée). — Puis, à la refroidir par arrosage à l’eau d’une extrémité. — Enfin, à mesurer la dureté ROCKWELL le long d’une génératrice, à partir de l’extrémité trempée, afin de caractériser la trempabilité.

Figure 5.4 – Essai de trempabilité Jominy Les résultats sont traduit par une courbe : la distance du point à l’extrémité trempée est portée en abscisse et la dureté en ordonnée. En joignant les points de mesure, on obtient une courbe dont l’allure est représentée (Fig. 5.5, p. 69). La courbe JOMINY représente donc, en terme de dureté, le résultat de la transformation structurale. Elle décroît d’autant moins vite que la trempabilité est grande.

5.3 5.3.1

Le traitement thermique de revenu But du revenu

Comme il est précisé dans le paragraphe (Par. 5.1, p. 66), un traitement thermique de trempe entraîne : — l’augmentation des caractéristiques de résistance à la traction (à priori) et de dureté ;

Technologie de fabrication

5.3 Le traitement thermique de revenu

69

D u r e té (H R c )

5 0

4 0

3 0 4 2 C r M o 4 2 0

C 4 0

1 0 D is ta n c e d e l'e x tr é m ité tr e m p é e ( m m )

C 2 0 0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

Figure 5.5 – Courbes JOMINY — la diminution des caractéristiques de ductilité (résilience et allongement) ; — l’apparition de contraintes internes dues à la transformation structurale. La présence des contraintes internes fait que Re et Rm “réels” peuvent être très mauvaises ! Toutes ces caractéristiques font que l’emploi d’une pièce trempée est impossible. Afin d’annuler les contraintes internes et de retrouver des propriétés utilisables, on procède à un traitement thermique de revenu. De plus, il permet de contrôler le vieillissement du matériau à l’issue du traitement thermique de trempe. Les courbes de traction de la (Fig. 5.6, p. 69) illustrent les évolutions des différentes caractéristiques mécaniques d’un acier faiblement allié qui a subi un traitement thermique de trempe, puis celui de revenu. s E ta t r e v e n u

E ta t b r u t

E ta t tr e m p é

e

Figure 5.6 – Évolution des caractéristiques mécaniques d’un acier faiblement allié

5.3.1.1

Les paramètres

Le déroulement d’un revenu est identique à celui d’une trempe : — chauffage jusqu’à la température de revenu TR ; — maintien à la température TR pendant une durée tR ;

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70

Chapitre 5 - Notions sur les traitements thermiques des aciers

— refroidissement. Les paramètres du revenu sont donc la température TR , le temps tR et le fluide pour le refroidissement : • La température de revenu : au cours du revenu, on veut faire évoluer la structure sans recommencer un processus de transformation de l’austénite. Il faut donc choisir une température TR < Ac1. • Le temps de maintien à cette température : la durée du revenu est liée à la température. Conventionnellement, on choisit une durée de 60 minutes pour une pièce de 30 mm de diamètre. On ajoute 2 minutes en plus par millimètre en plus. • Le refroidissement : le choix du fluide de revenu n’a aucune influence puisque TR est inférieure à Ac1. En pratique, on utilise le fluide ayant servi pour la trempe.

5.4

Les autres traitements thermiques

Il existe de nombreux autres traitements thermiques qui peuvent être réalisés sur les aciers et les autres alliages métalliques. Les paragraphes suivants énoncent brièvement la finalité de quelques autres traitements.

5.4.1

Le traitement thermique de recuit

Comme la trempe et le revenu, le recuit est un traitement thermique dans la masse composé d’un chauffage, d’un maintien à température et d’un refroidissement. Le but du recuit et de faire revenir l’acier dans son état d’équilibre idéal, c’est-à-dire que sa structure doit être composée : — de ferrite et de perlite (aciers hypoeutectoïdes) (ou de perlite et de cémentite (aciers hypereutectoïdes)) ; — de grains fins (sinon la résilience est faible), de grains homogènes (sinon risque d’apparition de la corrosion), de grains identiques (sinon différences de performances) ; — d’aucune contrainte interne (due à un durcissement structural). Il est donc effectué soit pour annuler les effet d’une trempe non désirée (lors d’un soudage par exemple), soit pour homogénéiser la structure d’un acier destiné à être testé. Il existe de nombreux traitements de recuit, mais bien souvent, ils cumulent les mêmes propriétés. Pour exemple, on peut citer le recuit de normalisation qui est réaliser avant un essai mécanique sur les éprouvettes. Ses paramètres sont : • une température de chauffage supérieure à Ac3 ; • un temps de maintien à cette température identique à celui d’une trempe ; • un refroidissement très lent (à la vitesse de refroidissement du four).

5.4.2

Les traitements thermiques de surface

Les traitements thermiques présentés dans les paragraphes précédents sont appelés des traitements thermiques dans la masse car la totalité de la pièce (peau et cœur) subit la transformation structurale.

Technologie de fabrication

5.4 Les autres traitements thermiques

71

Les traitements thermiques de surface ne modifient les propriétés mécaniques que sur une faible épaisseur. Le plus souvent, ils durcissent superficiellement la surface de la pièce (dureté augmentée) et permettent de conserver à cœur les propriétés de base du métal (ductilité et résilience) : “peau dure et cœur tendre” (Fig. 5.7, p. 71). " P e a u d u re " : é p a is s e u r tr a ité e

" C o e u r te n d r e " : m é ta l d e b a s e n o n tr a n s fo r m é

Figure 5.7 – Principe d’un traitement de surface Il existe de nombreux traitements thermique de surfaces que l’on classe en deux familles : • Les trempes superficielles : Ce sont des trempes réalisées uniquement en surface. Le chauffage est réalisé par induction (traitements locaux, pièces de formes irrégulières) ou au chalumeau (pièce de grandes dimensions). Le temps de chauffage est relativement court : on ne veut pas traiter le cœur ! Le refroidissement est effectué par aspersion ou par immersion. • Les traitements thermochimiques : Ces traitements sont réalisés en introduisant la pièce dans un milieu à haute température composé d’éléments comme le carbone, ou l’azote, etc. Il se produit alors un apport en surface, par diffusion chimique, sous l’action de la chaleur et des éléments d’addition. À l’issue de cet enrichissement, une trempe dans la masse peut être effectuée, suivant la nature de l’élément d’apport et sa concentration. Les traitements thermochimiques les plus pratiqués sont : — la cémentation ; — la nitruration ; — la carbonitruration. Le tableau ci-dessous donne des valeurs moyennes de l’épaisseurs traitée et de la dureté obtenue à l’issue des différents traitement thermiques de surface énumérés ci-dessus (Tab. 5.1, p. 72).

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72

Chapitre 5 - Notions sur les traitements thermiques des aciers

Traitements Trempe superficielle

Cémentation

Nitruration

Carbonitruration

Aciers utilisés Aciers de trempe dans la masse C 35 ; 35 Cr Mo 4 Aciers à faible teneur en carbone C 10 ; 16 W Cr 6 Aciers faiblement alliés 30 Cr Al Mo 6 12 30 Cr Mo 12 Aciers faiblement alliés 30 Cr Mo 12

Épaisseur traitée 3 à 10 mm

Dureté obtenue Suivant la nuance de l’acier : Hmoy = 450 HV

3 à 6 mm

600 à 850 HV

' 0, 6 mm

1100 à 1200 HV

' 1 mm

900 à 950 HV

Table 5.1 – Caractéristiques de quelques traitements thermiques de surface

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Deuxième partie

Obtention de surfaces par enlèvement de matière

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Chapitre 6

Procédés d’usinage - Généralités ’usinage est une opération qui consiste à enlever de la matière à une pièce brute 1 à l’aide d’un outil. On peut alors classifier les différents procédés d’usinage en fonction du type d’outil utilisé : — La rectification, l’enlèvement de matière se fait par abrasion. La surface de la pièce à usiner est balayée par les grains abrasifs d’une meule avec des profondeurs de passe très faibles (de l’ordre du centième de millimètre). — L’électro-érosion, ou l’usinage se fait sans outil et sans contact. Une décharge électrique créé entre la pièce et une électrode permet de creuser localement la matière. On parle d’usinage par étincelage. — L’usinage à l’outil coupant, c’est le procédé qui nous intéresse le plus. L’outil est animé d’un mouvement adapté à la forme désiré. Un copeau se créé au contact entre l’arête coupante de l’outil et la pièce sous l’effet du mouvement de pénétration de l’outil dans la pièce.

L

6.1

Usinage à l’outil coupant

L’outil de coupe peut être de nature très diverse (forêt, alésoir, fraise, outils à décolleter), mais comporte toujours une ou plusieurs arêtes coupantes.

Figure 6.1 – Différents types d’outils de coupe L’usinage donne lieu à la création de copeaux de matière, de longueur plus ou moins 1. Cette pièce peut être un brut standard de type barre, tube ou lopin, un brut de fonderie ou un brut obtenu par forgeage...

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76

Chapitre 6 - Procédés d’usinage - Généralités

grande selon la ductilité du matériau usiné et les conditions de coupe. Les intervalles de tolérance sont au mieux de qualité 6. Les états de surface sont au minimum de 0,4 (rugosité Ra). Les profondeurs de passe peuvent être de plusieurs mm. L’usinage d’une pièce peut être caractérisé par les deux fonctions principales données ci-dessous. G a r a n tir la c o n fo r m ité a u d e s s in d e d é fin itio n

G a ra n tir le s to lé ra n c e s g é o m é triq u e s , d e p o s itio n e t d 'o r i e n t a t i o n

R é g la g e s g é o m é triq u e s d e la m a c h in e

C h o ix d e la g é o m é trie d e l 'o u t i l

C h o ix d e s m o d e s d e g é n é ra tio n

R é a lis e r l'u s in a g e

6.2

R e c h e rc h e d e s c o n d itio n s c in é m a tiq u e s d e c o u p e

C h o ix d e s p a ra m è tre s d e c o u p e

Principe de génération des surfaces et cinématique

Tout type d’usinage est caractérisé par : — un mouvement relatif entre la pièce et l’outil, résultant de la composition d’un mouvement de coupe (M c) et d’un mouvement d’avance (M a). Ces derniers sont des rotations et des translations indépendantes ou conjuguées (cas du mouvement hélicoïdal). — La forme de la partie active de l’outil (ponctuelle, linéique). — Les conditions de coupe permettant d’optimiser la productivité du procédé d’usinage.

6.2.1

Géométrie

Les pièces mécaniques peuvent être géométriquement considérée comme des volumes de matière délimités par des surfaces élémentaires (plan, surfaces de révolution, courbes complexes, etc.). Une surface usinée est obtenue par la combinaison de deux éléments générateurs : — la directrice (D) : fixe, elle donne la direction au mouvement, — la génératrice (G) : elle est mobile.

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6.2 Principe de génération des surfaces et cinématique

Définitions

77

Schéma

Surface cylindrique : une ligne droite génératrice, se déplace parallèlement à elle-même, en s’appuyant sur une courbe plane C. Lorsque la directrice C est un cercle, la surface est un cylindre droit de révolution. Surface prismatique : la ligne droite génératrice s’appuie sur une ligne polygonale P.

Surface conique : la ligne droite se déplace en passant par un point fixe S, en s’appuyant sur une courbe plane C. Surface pyramidale : la ligne droite se déplace en passant par un point fixe S, en s’appuyant sur une ligne polygonale P.

Surface plane : — une ligne droite se déplace parallèlement à elle-même en s’appuyant sur une autre droite, — un cercle se déplace parallèlement à luimême en s’appuyant sur une droite qui lui est coplanaire, — une droite tourne autour d’un axe qui lui est perpendiculaire.

Surface de révolution : une courbe plane tourne autour d’un axe fixe qui lui est coplanaire.

Surface hélicoïdale : une courbe plane se déplace en s’appuyant sous un angle constant sur une hélice.

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78

Chapitre 6 - Procédés d’usinage - Généralités

6.2.2

Matérialisation de la génératrice

La cinématique d’une machine-outil permet en général de créer deux mouvements : — Mc : le mouvement de coupe ; — Mf : le mouvement d’avance. On distingue alors le travail de forme du travail d’enveloppe. 6.2.2.1

Travail de forme

La forme de la génératrice de la surface correspond à la forme de l’arête coupante de l’outil. La qualité de la surface obtenue dépend de la forme et la position de la génératrice de l’outil (problème d’affûtage, usure) mais aussi des conditions de coupe et de la précision des déplacements.

Figure 6.2 – Travail de forme en tournage et en fraisage

6.2.2.2

Travail d’enveloppe

La forme de la génératrice de la surface correspond à l’enveloppe des positions successives d’un point particulier de l’outil, appelé point générateur. C’est le mouvement d’avance (M a) communiqué à l’outil (ou à la pièce) qui donne l’ensemble des positions successives de l’outil. Dans ce cas, la qualité de la surface obtenue ne dépend que des conditions de coupe et de la précision des déplacements. La forme de l’outil n’a plus d’influence sur la qualité de la surface.

6.2.3

Matérialisation de la directrice

Parmi les procédés d’usinage à l’outil coupant, on trouve notamment : le tournage, le fraisage, le perçage, l’alésage et le filetage. En tournage, perçage et alésage, la directrice

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6.3 La rectification

79

Figure 6.3 – Travail d’enveloppe en tournage et en fraisage est circulaire, elle est matérialisée par le mouvement de coupe. En fraisage, la directrice est souvent rectiligne mais peut aussi être de forme plus complexe (machine à commande numérique), elle est matérialisée par le mouvement d’avance. En filetage, la directrice est une hélice.

6.3

La rectification

Dans le cas de la rectification, l’enlèvement de matière se fait par abrasion. La surface de la pièce à usiner est balayée par les grains abrasifs d’une meule avec des profondeurs de passe très faibles (de l’ordre du centième de millimètre). La vitesse de coupe est de l’ordre de 20 à 60m · s−1 . Le copeau de très faible section, n’est pas tranché mais gratté sur la surface de la pièce à usiner (An. C, p. 213). La rectification est un procédé d’usinage permettant d’obtenir des surfaces de haute qualité. Les intervalles de tolérance de qualité obtenus sont de l’ordre de 5 à 7, et les états de surface sont compris entre 3,2 et 0,05 (rugosité Ra). Les profondeurs de passe sont de l’ordre de 0,1 mm maximum. Les surfaces à rectifier sont souvent au préalable usinées et peuvent avoir subi des traitements thermiques (dureté superficielle accrue). Il existe trois grands types de rectification en fonction de la forme de la pièce à obtenir : — la rectification plane, — la rectification cylindrique, — la rectification centerless.

6.3.1

La rectification cylindrique

Nous pouvons faire une analogie entre le tournage et la rectification cylindrique, les surfaces peuvent être obtenues par génération de forme (la largeur de la meule est supérieure à la longueur de la pièce à usiner et travail en plongée) ou par génération d’enveloppe (la

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80

Chapitre 6 - Procédés d’usinage - Généralités

largeur de la meule est faible et elle balaie la pièce à usiner).

Figure 6.4 – Machine de rectification cylindrique

6.3.2

Figure 6.5 – Machine de rectification plane

La rectification plane

Dans ce cas, l’analogie peut se faire avec le fraisage, la fraise est remplacée par une meule. La pièce est maintenue sur la table d’une machine outil ressemblant à une fraiseuse, elle peut être bridée ou maintenue de manière magnétique si toute la surface supérieure de la pièce doit être rectifiée. Il existe alors deux type de rectification plane en fonction de l’orientation de la broche et du type de meule : — de “face”, on utilise des meules boisseaux avec l’axe de la broche perpendiculaire à la surface à obtenir, — de “profil”, on utilise des meules cylindriques en travaillant sur la périphérie de la meule avec l’axe de la broche parallèle à la surface à usiner.

6.3.3

La rectification “Centerless”

Dans le cas de la rectification sans centre, la pièce n’est pas maintenue en position en cours d’usinage entre des pointes mais par une réglette porte-pièce placée entre un meule de travail et une meule d’entraînement. Ce procédé permet de rectifier des petites pièces cylindriques ou des barres cylindriques en enfilade.

6.4

L’électro-érosion

L’électro-érosion ou EDM (electrical discharge machining) est un procédé d’usinage qui consiste à enlever de la matière dans une pièce en utilisant des décharges électriques comme moyen d’usinage. Cette technique se caractérise par son aptitude à usiner tous les matériaux

Technologie de fabrication

6.4 L’électro-érosion

81

Figure 6.6 – Machine de rectification Centerless conducteurs de l’électricité (métaux, alliages, carbures, graphites, etc.) quelle que soit leur dureté. Pour usiner par électro-érosion, 4 éléments sont nécessaires : — une électrode, — une pièce, — du dielectrique, — de l’électricité. Le diélectrique (eau ou huile minérale) a comme tâche de réduire la température dans la zone d’usinage, d’enlever les particules métalliques résiduelles et de permettre la création de l’étincelle.

6.4.1

Principe de l’usinage par étincelage

Produites par un générateur d’étincelles, ces dernières vont, par intervalle régulier, créer une succession de cratères dans la pièce. Chaque étincelle dégage une température comprise entre 8000 et 12000 ◦ C. La grosseur du cratère dépend de l’énergie régulée par le générateur d’étincelles. La portée de l’étincelle varie entre quelques microns et 1mm. 6.4.1.1

Le processus physique

Le processus d’étincelage comprend 6 phases : 1. Approche de l’électrode vers la pièce. Les deux éléments sont sous tension. 2. Concentration du champ électrique vers le point où l’espace électrode-pièce est le plus faible. 3. Création d’un canal ionisé entre l’électrode et la pièce. 4. Claquage de l’étincelle. La matière de la pièce fusionne localement, se consume. L’électrode subit une faible usure. 5. Coupure du courant. Implosion de l’étincelle. 6. Evacuation des particules métalliques par un arrosage de diélectrique.

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82

6.4.1.2

Chapitre 6 - Procédés d’usinage - Généralités

Les états de surface et vitesse d’usinage

Les états de surface dépendent de la dimension des étincelles. Si elles sont énergiques, l’état de surface sera grossier, par contre, la vitesse d’usinage sera rapide. Si elles sont faiblement énergiques, l’état de surface sera fin, par contre, la vitesse d’usinage sera lente. Les états de surface les plus fins peuvent atteindre un Ra de 0,10. L’effet visuel est proche du poli d’un miroir. Les états de surface standard, faciles à obtenir, sont équivalents à un Ra de 0,8 à 1. Les vitesses d’usinage en électro-érosion sont modérées. En fonction de l’énergie des décharges, l’enlèvement de matière va de 1 à plusieurs milliers de mm3 /minute. Utilisant le même principe physique, on distingue deux procédés d’usinage : — l’enfonçage, — le fil.

6.4.2

L’électro-érosion par enfonçage

L’électro-érosion par enfonçage reproduit dans une pièce métallique la forme d’un outil appelé électrode. Les moules d’injection pour pièces plastiques sont très fréquemment usinés par enfonçage. La forme donnée à l’électrode est celle qu’aura l’objet moulé. Dans la zone d’usinage, chaque décharge crée un cratère dans la pièce (enlèvement de matière) et un impact sur l’outil (usure de l’outil-électrode). Il n’y a jamais de contact mécanique entre l’électrode et la pièce. L’électrode est le plus souvent en cuivre ou en graphite.

Figure 6.8 – Prise électrique et Figure 6.7 – Machine d’électro-érosion par enfonçage

6.4.3

moule fabriqué par enfonçage

L’électro-érosion par fil

L’électro-érosion par fil découpe dans une pièce, à l’aide d’un fil métallique (électrode), un contour programmé. Les matrices d’extrusion, les poinçons de découpe sont très fréquemment usinés au fil. La découpe est toujours traversante. Pour commencer un usinage

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6.5 Le brochage

83

il faut préalablement réaliser un trou dans la pièce ou débuter depuis le bord. Dans la zone d’usinage, chaque décharge crée un cratère dans la pièce (enlèvement de matière) et un impact sur le fil (usure de l’outil-électrode). Le fil peut s’incliner permettant ainsi de créer des pièces avec dépouilles ou avec des profils différents en haut et en bas de la pièce. Il n’y a jamais de contact mécanique entre l’électrode et la pièce. Le fil est le plus souvent en cuivre stratifié ou en laiton. Le fil mesure entre 0,02 et 0,3 mm de diamètre.

Figure 6.10 – Filière d’extrusion de Figure 6.9 – Machine d’électro-érosion par fil

6.5

profilés aluminium fabriquée en EDM

Le brochage

Ce procédé d’usinage permet d’usiner rapidement à l’aide d’outils appelés “broches” des surfaces intérieures à directrices rectilignes ou hélicoïdales et des surfaces extérieures (An. C, p. 213).

Figure 6.11 – Différents types de broches intérieures et extérieures Une broche est un outil de coupe à dents multiples, généralement rectiligne. Chaque dent est décalée par rapport à la précédente d’une quantité égale à l’épaisseur du copeau désiré (il y a donc des dents d’ébauche et des dents de finition montées sur la même broche).

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84

Chapitre 6 - Procédés d’usinage - Généralités

Ces broches sont montées sur des machines à brocher, elles sont ensuite poussée (pour les broches intérieures courtes) ou tirées (pour les broches longues). Les broches extérieures sont généralement montées sur un coulisseau.

Figure 6.12 – Machine à brocher extérieure

Figure 6.13 – Machine à brocher intérieure

Ce procédé permet d’obtenir des surfaces de bonne qualité en une unique passe, mais le coût de fabrication de l’outil étant élevé, ce procédé ne s’adresse qu’aux moyennes et aux grandes séries. D’autre part, il ne s’applique que pour des profils débouchants. Les applications habituelles sont les rainures de clavettes, les cannelures, carré d’entraînement, mais aussi crémaillères, écrous, plans et rainures.

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Chapitre 7

Le tournage

L

e tournage est particulièrement adapté à la réalisation de pièces admettant une symétrie de révolution. Celles-ci peuvent être petites (de quelques millimètres en micromécanique) ou très grandes (de plusieurs mètres pour des pièces utilisées dans l’industrie lourde) selon la machine utilisée. Le perçage, l’alésage et le filetage peuvent être réalisé en tournage particulièrement si la surface à usiner se trouve sur l’axe de révolution de la pièce. La pièce est animée d’un mouvement de rotation (mouvement de coupe) et la trajectoire de l’outil défini la forme à obtenir (mouvement d’avance).

7.1

Les machines-outils

Les tours utilisés actuellement peuvent être de deux types : — les tours manuels, utilisé pour le decolletage de pièces simples en grandes série, pour les prototypes ou pour la maintenance. Ils peuvent être tours parallèles, tour à copier, tour semi-automatique à tourelle revolver, etc. — les tours à commande numérique, ou même centre de tournage si on rajoute des axes à la machine 1 , de plus en plus utilisés.

7.1.1

Le tour manuel

L’opérateur règle la vitesse de rotation du mandrin (broche) à l’aide de manettes commandant une boîte de vitesse. Le chariot longitudinal, transversal et la poupée mobile peuvent être déplacés manuellement grâce à des verniers. Après avoir choisi une vitesse d’avance, le traînard supportant le chariot longitudinal peut se déplacer automatiquement grâce à la barre de chariotage pour effectuer des cylindres ou à l’aide de la vis mère et d’un écrou pour effectuer des filetages. La poupée mobile reçoit généralement une contre pointe permettant de maintenir la pièce à usiner mais elle peut aussi être équipée d’outils afin d’effectuer des usinages intérieurs (foret, alésoir, etc.). 1. Nous verrons un peu plus loin comment rajouter des axes ou mêmes des demi-axes( ?) à une machineoutil.

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86

Chapitre 7 - Le tournage

Figure 7.1 – Tour parallèle conventionnel

7.1.2

Le tour à Commande Numérique

Sur les machines à Commande Numérique, le contrôle de l’ensemble des mouvements nécessaires au positionnement est assuré automatiquement en vitesse et en position par le D.C.N. (Directeur de Commande Numérique) suivant les instructions données par l’opérateur ou le programmeur. Le changement d’outils peut être automatique grâce, par exemple, à une tourelle, munies de plusieurs outils.

Figure 7.2 – Exemple de tour CN

Nous trouvons ci-dessous les principales caractéristiques de deux tours à commande numérique.

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7.1 Les machines-outils

87

Course longitudinale (Z) Course transversale (X) Distance entre pointes Vitesse de broche (tr/min) Puissance du moteur Avances travail (mm/min) Avance rapide (m/min) Tourelle (nombre d’outils)

7.1.3

Ernault HES300 730 240 800 66 à 3680 15 kW 8 12

Réalméca T200 300 100 365 100 à 6000 8 kW 1 à 5000 10 8 à 12

Tours spéciaux

De par la grande diversité de pièces mécaniques à fabriquer (taille, matière, poids), il est nécessaire d’avoir des tours permettant de répondre à ces diverses attentes. Pour les pièces très lourdes, on utilise des tours verticaux afin de s’affranchir d’un montage délicat sur un tour horizontal.

Figure 7.3 – Tours verticaux Il existe des tours de faible puissance et de taille réduite pour les applications de type micromécanique et à l’opposé des tours d’une dizaine de mètres de course longitudinale et de plusieurs mètres de diamètre de broche pour l’industrie lourde.

Figure 7.4 – Tour Realmeca RT3 de mi- Figure 7.5 – Tour horizontal de 12 mètres de course cromécanique

longitudinale

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88

Chapitre 7 - Le tournage

7.2

Axes normalisés en tournage

La norme NF Z 68-020 présente les principes de base utilisés dans la désignation des mouvements des machines-outils par rapport à un système normal de coordonnées définies dans une base orthonormée directe (~x, ~y , ~z). Le sens positif du mouvement des éléments mobiles provoque toujours un accroissement sur la pièce dans la direction correspondante. L’axe ~z ou Z est généralement l’axe de la broche, c’est par une rotation autour de cet axe qu’est généré le mouvement de coupe. C’est l’axe du chariot longitudinal dans le cas du tournage. L’axe ~x ou X est celui qui correspond au déplacement de plus grande amplitude, dans le cas du tournage, c’est l’axe transversal. En général, on note A, B et C, les rotations mesurées respectivement autour des axes X, Y et Z.

7.3

Figure 7.6 – Axes normalisés en tournage

Les principales opérations d’usinage en tournage

Il existe deux grandes familles d’opérations en tournage : — les opérations extérieures, — les opérations intérieures.

Figure 7.7 – Opérations extérieures

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Figure 7.8 – Opérations intérieures

7.4 Les outils de coupe en tournage

89

Pour chacune de ces opérations, nous pouvons associer un outil type. Cette relation entre l’outil et la forme est normalisé au sein d’une série de normes NF E 66-361 à 373 pour les outils ARS et 331 à 343 pour les outils à plaquettes en carbure (An. C, p. 213).

7.4

Les outils de coupe en tournage

Pour définir un outil de coupe en tournage, il faut définir parfaitement sa géométrie ainsi que le matériau dont il est constitué. Ces deux paramètres influent obligatoirement sur la qualité de la coupe.

7.4.1

Géométrie de l’outil de coupe

Figure 7.9 – Vocabulaire associé à un outil de tournage Nous pouvons introduire quelques une des caractéristiques géométriques d’un outil de tournage : Face de coupe : C’est la face sur laquelle glisse le copeau. On l’appelle Aγ. Face de dépouille : C’est la surface sur laquelle frotte la matière restant sur la pièce après arrachement du copeau. On l’appelle Aα. Plan de référence de l’outil P r : plan passant par le point considéré de l’arête et contenant l’axe de l’outil (pour un outil tournant) ou parallèle au plan de base servant de face d’appui au corps de l’outil (pour un outil classique) ; P r est perpendiculaire à la direction supposée de coupe. Plan de travail conventionnel P f : plan perpendiculaire au plan de reference de l’outil P r, au point considéré de l’arête, et parallèle à la “direction supposée d’avance” de l’outil. Plan d’arête de l’outil P s : plan tangent à l’arête au point considéré, et perpendiculaire au plan de référence de l’outil P r.

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Chapitre 7 - Le tournage

Plan vers l’arrière de l’outil P p : plan perpendiculaire au plan de référence de l’outil P r, et au plan de travail conventionnel P f , au point considéré de l’arête. Plan orthogonal de l’outil P o : plan perpendiculaire au plan de reference P r et au plan d’arête P s, au point considère de l’arête. Plan normal à l’arête P n : plan perpendiculaire à l’arête au point considéré. L’angle de dépouille α : C’est l’angle qui évite que l’outil ne talonne (touche) les faces usinées. Il est mesuré entre le plan d’arête P s et Aα. L’angle de taillant β : C’est l’angle défini par les limites de la matière, donc entre Aα et Aγ. L’angle de coupe γ : C’est l’angle qui donne l’acuité de l’outil. Il est mesuré entre le plan de référence P r 2 et Aγ. Plus l’angle est important plus l’outil coupe, mais plus il est fragile, donc un compromis est nécessaire à ce niveau. C’est l’angle le plus important de la coupe. L’angle de direction d’arête κr : C’est l’angle mesuré dans le plan de référence P r entre le plan de travail P f et le plan d’arête P s. L’angle d’inclinaison d’arête λr : C’est l’angle compris entre le plan de référence P r et l’arête mesuré dans P s.

Figure 7.10 – Mise en place des plans d’un outil de tournage Remarque 3 Pour une coupe positive, la somme des trois angles α, β, γ est égale à 90◦ . Pour une coupe négative la somme de la valeur absolue de ces trois angles est supérieure à 90◦ . 2. plan passant par le point considéré et parallèle à la face d’appui de l’outil.

Technologie de fabrication

7.4 Les outils de coupe en tournage

7.4.2

91

Matériaux outils

Les matériaux utilisés pour les outils sont principalement : — des aciers rapides : ce sont des aciers avec un minimum de 0,7% de carbone, 4% de chrome, du tungstène, du molybdène, du vanadium et éventuellement du cobalt, par exemple le X 80 WCrV 18-04-01 ou le X 130 WCoCrMoV 10-10-04-04-03. On les utilise pour usiner les alliages légers, les fontes, les aciers inoxydables, ils sont monoblocs ; — des carbures métalliques : ils sont fabriqués selon la technique de métallurgie des poudres par frittage. On peut avoir des carbures de tungstène, de titane, de tantale agglomérés dans une base en cobalt. Ils peuvent être revêtus par un procédé de déposition en phase gazeuse afin d’améliorer la durée de vie de ces outils. On les utilise pour la plupart des matériaux 3 ; — des cermets (ou céramiques métalliques) 4 : matériaux à base de carbures de titane, de cobalt ainsi que de nickel comme liant. Ils ont une très bonne résistance à l’usure, on les réserve aux opérations de finition pour les aciers, surtout inoxydables. — des céramiques : sous forme de plaquettes frittées comme pour les carbures à base d’alumine ou de nitrure de silicium. On les utilise pour des usinages à grande vitesse mais supportent mal les chocs, elles ne conviennent pas aux alliages légers ;

Figure 7.11 – Domaine d’utilisation des différents matériaux outils La désignation des plaquettes et porte plaquettes est normalisée (NF E 66-310 à 314).

3. Comme toujours il existe plusieurs normalisations, la NF E 66-304 pour le type de carbure, la NF E 66-307 pour la forme des plaquettes carbures. 4. En toute rigueur, les plaquettes carbures sont aussi des cermets, mais le mécanicien a choisi d’en appeler certaines plaquettes carbure (base carbure de tungstène) et d’autres cermet (base carbure de titane).

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92

Chapitre 7 - Le tournage

Figure 7.12 – Différents outils à plaquette carbure

Figure 7.13 – Barre d’alésage en ARS revêtu

7.5

Figure 7.14 – Différentes plaquettes carbures

Paramètres d’usinage

Les paramètres d’usinage sont notamment la vitesse de coupe V c, la vitesse d’avance V f et la puissance de coupe P c.

Figure 7.15 – Paramètres de coupe La vitesse de coupe V c, donnée en m/min est définie à partir du type de matériau usiné, du matériau outil et de la qualité désirée. Elle est généralement donnée par le fabricant d’outil (par exemple Stellram ou Sandvick Coromant). On note f , l’avance par tour (mm/tour) et V f la vitesse d’avance (mm/min).

Technologie de fabrication

7.5 Paramètres d’usinage

93

L’avance f est définie en fonction de l’état de surface désiré, en effet, on peut relier simplement la hauteur maximale du profil Rt à l’avance f :

Rt =

f2 8 · rε

(7.1)

avec rε le rayon de bec de l’outil. Figure 7.16 – Relation état de surface-avance En ébauche, on peut donc utiliser une avance importante afin d’augmenter le débit de copeau alors qu’en finition, il faut utiliser une avance assez faible afin d’améliorer l’état de surface. La vitesse d’avance V f est faible devant la vitesse circonférentielle due à la rotation de la broche : V e ∼ = V c. La vitesse de rotation de la broche est alors donnée par : N=

1000 · V c π·D

(7.2)

Lors d’un chariotage, le diamètre D est constant, la vitesse de rotation de la broche est alors constante. Lors d’un dressage, le diamètre D diminue, la vitesse de rotation de la broche doit donc augmenter régulièrement au cours de l’usinage si l’on désire avoir une vitesse de coupe constante. Soit bD la largeur nominale de coupe (mm) et ap la profondeur de passe (mm). On note AD l’aire nominale de la section transversale de coupe. AD = f · a p

Figure 7.17 – Modélisation des efforts de coupe en tournage

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94

Chapitre 7 - Le tournage

→ − On modélise les actions mécaniques de l’outil sur la pièce par un glisseur F qui passe par le milieu de l’arête de coupe 5 : → − F : effort total exercé par la partie active. −→ F p : effort transversal dû à la pénétration de l’outil ; − → F c : effort de coupe ; −→ F f : effort d’avance ; La puissance absorbée durant l’usinage s’exprime par :     Pc = V(O/P ) ⊗ F(P →O) = − (V c · F c + V f · F f )

(7.3)

Or V f est très inférieur à V c, on peut donc écrire la puissance absorbée par un chariotage sous la forme suivante (le signe négatif montre la résistance de cette puissance, nous pouvons l’omettre) : Pc = V c · F c (7.4) On introduit kc la force de coupe par unités de surface (N/mm2 , voir page suivante), elle dépend notamment des matériaux à usiner. On note alors : Fc = kc · AD = kc · f · ap On en déduit alors l’expression de la puissance nécessaire à un chariotage (en kW ) : Pc =

f · ap · kc · V c 60 · 103

(7.5)

Cette expression permet de choisir une machine-outil selon le critère de puissance, en prenant en compte son rendement : PM O =

Pc η

(7.6)

Ce problème de choix de la machine-outil en fonction de la puissance consommée par l’usinage ne se pose qu’en ébauche. En effet, dans ce cas on cherche à minimiser le temps d’usinage et donc à maximiser le débit de copeaux, pour cela, on prend des avances importantes ainsi que des profondeurs de passe importantes.

7.6

Qualité des surfaces obtenues

Le tournage permet d’obtenir des surfaces avec des qualités dimensionnelles de l’ordre de 7 à 10 et des états de surface qui dépendent de l’avance ainsi que du rayon de bec de l’outil (couramment Ra de 0,8 à 3,2 µm).

5. C’est bien entendu un modèle avec ces limites, mais il a l’avantage d’être normalisé dans la norme NF E 66-507.

Technologie de fabrication

7.6 Qualité des surfaces obtenues

95

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96

Technologie de fabrication

Chapitre 7 - Le tournage

Chapitre 8

Le fraisage

L

e fraisage est un procédé d’usinage permettant notamment la réalisation de formes prismatiques (plan, rainure, languette, trou oblong, queues d’aronde, ...), mais aussi l’usinage de trous et d’alésages, quelle que soit leur situation sur la pièce à réaliser. L’outil utilisé, appelé “fraise”, admet généralement une symétrie de révolution. Il est animé d’un mouvement de rotation uniforme autour de son axe de symétrie, qui correspond au mouvement de coupe. L’outil est généralement fixe dans l’espace. Le mouvement d’avance est communiqué à la table qui supporte la pièce, ce déplacement permet de réaliser la forme désirée.

8.1

Les machines-outils

Nous pouvons diviser les machines-outils utilisées pour le fraisage en deux grandes familles : — les fraiseuses conventionnelles souvent manuelles, qui sont utilisées pour la maintenance, les prototypes, les petites séries, et pour des pièces simples, — les centres d’usinages, à commande numérique, utilisés pour les grandes séries, les pièces spéciales (forme complexe, taille importante).

8.1.1

Fraiseuse manuelle

Les machines classiques comportent : — une table à mouvement longitudinal, transversal et vertical, prévue pour recevoir le porte-pièce (étau ou porte-pièce spécifique), — une broche porte-fraise dont l’axe peut être horizontal, vertical ou réglable (fraiseuse universelle). L’opérateur peut déplacer la table sur les deux axes horizontaux grâce à deux verniers. Un troisième vernier permet de déplacer manuellement la table verticalement. Ces trois déplacements peuvent aussi être obtenus en actionnant les moteurs électriques correspondant, soit en avance rapide, soit en avance de travail. La rotation de l’outil est assurée par un moteur électrique.

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98

Chapitre 8 - Le fraisage

Figure 8.1 – Fraiseuse universelle

8.1.2

Figure 8.2 – Centre d’usinage 5 axes

Centre d’usinage

Sur un centre d’usinage, les différents mouvements sont pilotés par le directeur de commande numérique (DCN). Selon les machines-outils, un nombre plus ou moins important d’axes est disponible. Un programme d’usinage (code ISO) est implanté dans la machine avant de débuter une série de pièces. L’architecture générale de la machine peut alors être très différente en fonction des applications (configuration portique, montant mobile, axe horizontal ou vertical). Les pièces usinées peuvent aller de quelques cm3 de volume à plusieurs m3 . L’apport de la commande numérique permet d’usiner des surfaces complexes et courbes difficilement réalisables à l’aide d’une fraiseuse conventionnelle.

Figure 8.3 – Centre d’usinage à montant mobile

Figure 8.4 – Centre d’usinage à portique

Ce type de machine se caractérisent par un soucis de productivité grâce à une automatisation poussée. Des automates programmables gèrent le changement des outils (magasin de plusieurs dizaines d’outils), l’arrivée des pièces à usiner sur des palettes, etc.

Technologie de fabrication

8.2 Axes normalisés en fraisage

8.2

99

Axes normalisés en fraisage

Comme dans le cas du tournage, la norme NF Z 68-020 présente les principes de base utilisés dans la désignation des mouvements des machines-outils.

8.2.1

Fraisage conventionnel

L’axe de la broche s’appelle toujours Z, l’axe X correspond à l’axe longitudinal de la table et l’axe Y correspond à l’axe transversal de la table.

Figure 8.5 – Axes normalisés en fraisage conventionnel

8.2.2

Figure 8.6 – Axes normalisés en C.U.

Centre d’usinage

Dans le cas des centre d’usinage, il y a souvent 4, 5, 6 ou 7 axes. Nous retrouvons toujours les 3 axes de base X, Y et Z, mais les machines sont très souvent équipées d’un ou plusieurs axes de rotation A, B ou C et même d’axes supplémentaires en translation. L’ajout d’axes supplémentaires augmente la flexibilité de la machine, le nombre d’usinages possibles sans changement de positionnement de la pièce. Ce type de machine sont nécessairement plus chères mais elles permettent d’augmenter sensiblement la productivité.

8.2.3

Notion de demi-axe

Pour un axe, le DCN gère directement la position ou l’orientation de la pièce suivant l’axe via une carte électronique. La position ou l’orientation suivant cet axe est alors asservie 1 en position et l’on peut obtenir comme cela une infinité de position pour cet axe. 1. Une notion que vous découvrirez bientôt en cours d’automatique...

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100

Chapitre 8 - Le fraisage

On parle de demi-axe lorsque cet axe est géré par l’intermédiaire d’un automate programmable, dans ce cas là, l’axe n’admet qu’un nombre fini de positions, avec par exemple un pas de 5◦ . Ce type de demi-axe est souvent utilisé pour rajouter des rotations à la palette porte-pièce afin d’accéder à plusieurs faces de la pièce sans nécessiter de démontage (gain en précision et en productivité).

8.3

Les principales opérations d’usinage en fraisage

Les opérations de base en fraisage conventionnel sont toujours basées sur la génération : — d’un plan (surfaçage),

Figure 8.7 – Fraisage en bout (surfaçage)

Figure 8.8 – Fraisage en roulant ou de profil

Figure 8.9 – Fraisage combiné (face-combiné)

— de plusieurs plan (rainure, rainure en T, rainure en queue d’aronde, tenon), — de surfaces cylindriques (alésage, trou).

Figure 8.10 – Fraisage d’une rainure Avec l’utilisation des centres d’usinage, des opérations de contournage (fraisage combiné ou en roulant) suivant une directrice courbe ou des créations de poches peuvent être possibles (An. C, p. 213).

8.4

Les outils de coupe en fraisage

Un grand nombre de données est commun aux différents types d’usinages par outil coupant,les données sur les matériaux de coupe ne sont pas redonnées dans cette partie.

Technologie de fabrication

8.4 Les outils de coupe en fraisage

Figure 8.11 – Usinage d’une poche

8.4.1

101

Figure 8.12 – Opération de contournage

Géométrie d’une fraise 2 tailles ARS

Comme dans le cas du tournage, nous pouvons introduire un certain nombre de termes de vocabulaire associés à la géométrie de l’outil de coupe. Ces termes sont associés aux phénomènes de coupe, avec par exemple les faces de coupe et de dépouille ou les arêtes de coupe.

Figure 8.13 – Vocabulaire associé à l’outil de fraisage

Les angles de coupe, de taillant et de dépouille sont définis d’une manière quasi-équivalente au cas du tournage.

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102

Chapitre 8 - Le fraisage

8.4.2

Différents types de fraises

Il existe un grand nombre d’outils de forme différente pour les opérations de fraisage, on peut cependant en sortir trois grandes familles : — les fraises à surfacer, — les fraises 2 tailles, — les fraises 3 tailles. Ces fraises sont, comme pour le cas du tournage fabriquées en ARS ou basées sur des plaquettes carbure rapportées.

Figure 8.14 – Fraise à surfacer à plaquettes carbure

Figure 8.15 – Fraise 3 tailles

Figure 8.16 – Fraise 2 tailles

Pour les opérations de poches et de profilage utilisées avec les centres d’usinage, on utilise des fraises à bout hémisphérique en ARS ou des fraises à plaquettes carbure rondes qui permettent de fabriquer des surfaces complexes. Ces fraises sont généralement de petit diamètre.

Figure 8.17 – Fraise à plaquettes rondes

8.5

Figure 8.18 – Fraise à bout hémisphérique

Mode de travail

On distingue deux modes de travail : — le travail en opposition, — le travail en avalant.

Technologie de fabrication

Figure 8.19 – Fraise à fileter

8.6 Paramètres d’usinage

8.5.1

103

Fraisage en opposition

Les deux mouvements coupe et avance se font avec un sens opposé. L’attaque d’une dent se fait dans la matière pour une épaisseur de copeau nulle. Ce mode s’utilise pour les fraiseuses à systèmes d’avance (vis/écrou) sans rattrapage de jeu.

Figure 8.20 – Fraisage en opposition

8.5.2

Figure 8.21 – Fraisage en avalant

Fraisage en avalant (en concordance)

Les deux mouvements coupe et avance se font dans le même sens. L’attaque d’une dent se fait dans la matière pour une épaisseur de copeau maximale. La pression spécifique de coupe est minimale. L’usure de l’arête de coupe est réduite. Ce mode de fonctionnement s’utilise sur les machines disposant d’un système d’avance avec rattrapage de jeu (fraiseuses CN et centres d’usinage). En surfaçage, certaines dents peuvent travailler en opposition et d’autres en avalant. On peut remédier à cela en choisissant une fraise d’un diamètre plus important et en la déportant sur le côté.

Figure 8.22 – Cas du fraisage en bout

8.6

Paramètres d’usinage

Les paramètres d’usinage sont les paramètres sur lesquels nous pouvons jouer pour améliorer la qualité de l’usinage mais aussi la rentabilité de l’opération de fraisage (durée de vie de l’outil).

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104

Chapitre 8 - Le fraisage

La vitesse de rotation de la broche est donnée par : N=

1000 · V c π·D

(8.1)

où D est le diamètre de la fraise et V c la vitesse de coupe exprimée en m/min et donnée par les constructeurs d’outils en fonction de l’outil, de la matière usinée, etc (voir page suivante). L’avance f z est donnée en mm/dent. La vitesse d’avance V f , exprimée en mm/min est donnée par la relation : V f = fz · Z · N (8.2) On note ap , la profondeur de passe et ae , l’engagement de la fraise dans la pièce. On peut calculer de manière très approchée la puissance nécessaire à la coupe à partir de : Pc ' K · Q (8.3) Avec Q, le débit de copeau en mm3 /min et K, un coefficient déterminé expérimentalement. On peut alors exprimer Q en fonction des donnée géométrique du copeau : Q ' ae · ap · Vf

(8.4)

On obtient alors la valeur de la puissance absorbée par l’usinage : Pc ' K · ae · ap · Vf

8.7

(8.5)

Qualité obtenue

Les surfaces obtenues par fraisage sont d’une qualité différente en fonction du type de travail : — pour le travail en bout, la qualité obtenue sont de l’ordre de la qualité 7 et on peut obtenir couramment des états de surface de 1,6 µm de Ra (on peut même obtenir des états de surface de 0,8 µm de Ra en utilisant une fraise carbure à surfacer avec plaquette de planage, — pour le travail de profil (en roulant), la qualité obtenue est identique, par contre, du fait du mode de travail, l’état de surface est moins bon (ondulations fonctions de l’avance par dent et du diamètre de l’outil).

Figure 8.23 – État de surface en fraisage en bout et en roulant On privilégiera donc le travail en bout dès qu’il sera possible.

Technologie de fabrication

8.7 Qualité obtenue

105

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106

Technologie de fabrication

Chapitre 8 - Le fraisage

Chapitre 9

Les opérations axiales

L

es opérations dites “axiales” sont notamment le perçage, l’alésage, le filetage (et taraudage). Les machines utilisées peuvent être des tours, des fraiseuses, des centres d’usinage, ou des machines spécifiques (perceuse à colonne, à commande numérique, ...). Dans la majorité des cas, la pièce est fixe par rapport à la table de la machine et l’outil est animé d’un mouvement de rotation (mouvement de coupe) et du mouvement de pénétration (mouvement d’avance). Dans le cas du tournage, la pièce est entraînée en rotation par la broche et l’outil est fixe, on ne lui communique que le mouvement d’avance. L’outil sera monté sur la poupée mobile (foret, alésoir, foret aléseur) ou sur la tourelle porte-outil (cas des grains d’alésage).

9.1

Le perçage

L’opération de perçage est une opération relativement économique et rapide, elle ne nécessite généralement pas d’outil très onéreux et pas de machine trop complexe.

9.1.1

Les opérations

Le perçage regroupe l’ensemble des opérations nécessaires à la fabrication de trous cylindriques débouchants ou borgnes (An. C, p. 213).

Figure 9.1 – Différentes opérations de perçage

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108

Chapitre 9 - Les opérations axiales

Pour être précis un perçage peut demander plusieurs opérations (centrage, perçage à un diamètre inférieur, perçage au diamètre final). Ce nombre d’opérations est d’autant plus important que le perçage à effectuer est de diamètre important. A ces opérations de base, nous pouvons rajouter les lamages, les fraisures, les chanfreins, les perçages étagés... Pour les perçages profonds, il faut procéder à des cycles de débourrage afin de faciliter l’évacuation des copeaux (et donc de la chaleur), ce qui permet d’améliorer la qualité des surfaces obtenues.

Figure 9.2 – Cycle de débourage

9.1.2

Les outils

Comme pour tout outil coupant, on retrouve les notions d’arête de coupe, de face de coupe ou de dépouille, on peut aussi caractériser l’outil par ses angles de coupe, de taillant et de dépouille.

Figure 9.3 – Géométrie et vocabulaire associé à un foret

Technologie de fabrication

9.1 Le perçage

109

Le foret est constitué de trois parties : — un corps, comprenant deux listels de guidage et deux goujures hélicoïdales (évacuation du copeau), — une pointe comportant les arêtes de coupe, — une queue cylindrique ou conique permettant de lier l’outil à la machine. Les outils utilisés en perçage sont soit des forets, soit des forets aléseurs, soit des fraises particulières (fraises à lamer, fraise à chanfreiner). Le diamètre des forets peut aller de 1mm à plus de 100mm.

Figure 9.4 – Foret à centrer, foret ARS et fraise à lamer Les outils utilisés en perçage sont généralement fabriqués en ARS mais il est possible d’utiliser des forets à plaquette carbure. Ces forets permettent bien entendu des vitesses de coupe supérieures mais permettent aussi de faire des montages de plaquettes afin d’effectuer en une seule passe un perçage et un lamage. Le diamètre minimal de ces forets est de 9mm, ils permettent aussi une éventuelle lubrification.

Figure 9.5 – Foret à plaquette carbure

9.1.3

Les paramètres de coupe

Les paramètres de coupe sont toujours identiques, la vitesse de coupe V c permet de définir la vitesse de rotation de la broche N . L’avance f dans ce cas correspond à la pénétration du foret dans la pièce.

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110

Technologie de fabrication

Chapitre 9 - Les opérations axiales

9.2 L’alésage

9.1.4

111

Qualité obtenue

L’utilisation de forets hélicoïdaux permet d’obtenir une qualité pour le perçage de l’ordre de 11 à 13. L’utilisation d’un foret aléseur en finition permet de descendre à une qualité allant de 9 à 11. Les états de surfaces dépendent des conditions de coupe et de la gamme de fabrication choisie mais ils peuvent difficilement descendre en dessous de 1,6 µm de Ra. L’obtention d’une qualité supérieure pour le trou demande le passage à l’opération d’alésage.

9.2

L’alésage

L’alésage permet d’obtenir des surfaces de révolution, avec, contrairement au perçage, une bonne précision dimensionnelle (IT 6-7), une bonne précision géométrique (cylindricité) et un bon état de surface (Ra 0,4 mini à 1,6). L’alésage peut de faire : — soit par un travail d’enveloppe grâce à l’utilisation de grains d’alésage montés sur des barres ou des têtes à aléser, ces outils sont dérivés des outils de tour,

Figure 9.6 – Alésage et tête d’alésage — soit par un travail de forme grâce à l’utilisation de différents alésoirs (coupe droite, à coupe descendante ou à hélice à gauche), ces outils sont dérivés des forets.

Figure 9.7 – Différents alésoirs Ces procédés demandent nécessairement une gamme complète de fabrication avec une ébauche par perçage.

9.3

Le filetage et le taraudage

Les opérations de filetage et de taraudage se font à l’outil de forme sur des tours, fraiseuses, perceuses, ... On peut les exécuter :

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112

Chapitre 9 - Les opérations axiales

— en plusieurs passes (fraises à fileter ou outils de tournage à bec) :

Figure 9.8 – Outil de filetage intérieur

Figure 9.9 – Outil de filetage extérieur

Figure 9.10 – Fraise à fileter

— en une seule passe (tarauds et filières) :

Figure 9.11 – Taraud et filière Remarque 4 Il est intéressant de noter que tous les filetage et les taraudages ne sont pas obtenus par enlèvement de matière à l’outil coupant. Un grand nombre de filetage est obtenu par déformation plastique.

Technologie de fabrication

Chapitre 10

Étude de la coupe

L

a recherche d’une meilleure productivité, grâce à l’optimisation des opérations par outil coupant, suppose la connaissance des limitations inhérentes aux performances de la machine-outil, des outils et des outillages utilisés. Quel que soit le type d’opération envisagé, les valeurs des paramètres d’usinage doivent être choisies de manière à assurer la production maximale compatible avec des conditions techniques et économiques satisfaisantes. Ce choix nécessite la connaissance des limitations de production de chaque moyen mis en œuvre : machine-outil, outil, outillage compte tenu des caractéristiques géométriques de la pièce à obtenir et du matériau à usiner. Les limitations usuelles sont : — la maîtrise du copeau (il faut choisir des conditions de coupe et un outil permettant des copeaux fractionnés 1 ), — en finition, l’état de surface et la qualité désirée, — l’endurance des outils (usure et durée de vie des outils), — les possibilités énergétiques de la machine-outil utilisée (puissance des moteurs d’avance et de coupe de la machine). Nous voyons dans l’énoncé des limitations ci-dessus que les différents paramètres d’usinage (f , N , a, kc ) sont au cœur de ces limitations. Il est donc important de comprendre et d’analyser les phénomènes physiques associés au processus d’usinage par outil coupant.

10.1

Étude de la formation du copeau

La première étape de l’étude du processus d’usinage par outil coupant consiste à analyser qualitativement la formation du copeau. Il est nécessaire de se référer à un modèle géométrique simple figurant le mode de formation du copeau. Le cas élémentaire qui sert de base pour l’étude générale du processus de coupe, est celui de l’outil de base à arête tranchante unique et rectiligne découpant un copeau de section initiale constante, comme par exemple et rabotage ou en chariotage (on parle de coupe orthogonale). Nous décomposons l’interface pièce/outil/copeau en 4 zones distinctes : — Zone 1 : Séparation du métal en 2. 1. En effet, ils sont plus simple à évacuer, ils ne frottent pas sur la surface usinée...

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114

Chapitre 10 - Étude de la coupe

Figure 10.1 – Etude qualitative de la formation du copeau — Zone 2 : Zone de glissement plastique dite de formation du copeau. — Zone 3 : Frottement de glissement à l’interface copeau/face de coupe de l’outil. — Zone 4 : Frottement de glissement à l’interface surface coupée/face en dépouille principale de l’outil. Il est tentant de rechercher des modèles permettant d’analyser les phénomènes de coupe et de relier les propriétés mécaniques du matériau usiné, les caractéristiques de la partie active de l’outil et les paramètres de l’usinage. Ils permettraient de prédire la valeur des actions mécaniques en jeu dans l’usinage et donc de simplifier le choix des paramètres d’usinage. Malheureusement, même dans le cas simpliste de la coupe orthogonale, les différents modèles (Ernst-Merchant, Pomey, etc.) sont lourds à manipuler et leur précision est inversement proportionnelle à leur simplicité. Dans le cas de la théorie de Ernst-Merchant pour la coupe orthogonale, on modélise la formation du copeau de la manière suivante : — le mouvement relatif outil/picse provoque un effet de compression dû à la rencontre de la tranche de métal usiné et de la face de coupe de l’outil, — l’écoulement du copeau est gêné par la résistance à la déformation de la matière et par le frottement sur la face de coupe de l’outil, — cette compression crée un champ de contraintes mécaniques au sein de la matière, générateur de déformations plastiques et de cisaillement du matériau lorsque la limite de résistance est atteinte. De ce mécanisme résulte la formation du copeau, le copeau se forme par des glissements internes successifs suivants des plans de cisaillement. A chaque glissement, une tranche élémentaire de métal est enlevée, glissant par rapport au reste de la matière sous l’effet du cisaillement. En observant un copeau du côté libre, on peut remarquer des festons dus à ces tranches de métal. Grâce à l’utilisation de cette théorie (ou d’autres), en effectuant des essais de coupe et

Technologie de fabrication

10.1 Étude de la formation du copeau

115

Figure 10.2 – Vue expérimentale de la formation du copeau en mesurant les efforts de coupe 2 , on peut définir la force de coupe par unité de surface kc (ou pression spécifique de coupe) pour différents matériaux et outils utilisés. Les fabricants d’outils (Sandvik-Coromant par exemple) donnent, dans leur documentation constructeur, des valeurs de kc obtenues expérimentalement, ce qui nous permet de déterminer facilement les actions mécaniques associées au phénomène de coupe et de remonter à la puissance consommée par la coupe.

10.1.1

Facteurs influant sur la coupe en tournage

L’angle de direction d’arête κr influence la pression par unité de surface. Il détermine la longueur effective d’arête engagée dans la matière donc l’épaisseur du copeau. En finition, il est variable car il est formé par le rayon du bec de l’outil. La formation du copeau est meilleure avec un grand angle de direction d’arête car le copeau hélicoïdal est dirigé dans la direction opposée à la zone de coupe. L’état de surface dépend du rapport entre l’avance et le rayon de bec de la plaquette, également de l’usure de l’outil et de la vitesse de coupe. Un grand rayon de bec supérieur ou égal à la profondeur de passe répartit la pression sur une plus grande longueur pour produire un meilleur état de surface, cependant le contrôle du copeau n’est pas idéal. Cette solution demande plus de puissance, les forces de coupe radiales sont plus élevées, par conséquent des vibrations peuvent apparaître. Les vibrations apparaissent quand la possibilité de mouvement dans le montage sur la machine est possible, les forces de coupe déséquilibrent le montage. Les vibrations peuvent être réduites en utilisant un rayon de bec plus petit, une arête de coupe plus vive, un plus grand angle de coupe. 2. Il faut pour cela utiliser des portes-outils spécifiques équipés de capteurs d’efforts à jauges d’extensométrie.

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116

Chapitre 10 - Étude de la coupe

Un petit rayon de bec d’outil affecte la précision dimensionnelle, l’usure de l’outil aura une plus forte influence sur la position de l’arête. Un grand rayon requiert plus de puissance, génère des vibrations. La profondeur de passe a doit être supérieure ou égale à un tiers du rayon du bec : 0,2 mm est un minimum.

10.2 10.2.1

Durée de vie des outils Les phénomènes d’usure des outils de coupe

La mise hors service d’un outil peut être provoquée par des phénomènes mécaniques physico-chimiques.

Figure 10.3 – Schéma définissant les phénomènes d’usure

10.2.1.1

Phénomènes mécaniques

L’usure par adhésion est une usure par arrachement mécanique des particules d’outil, après formation de micro-soudures, favorisées par les pressions importantes et les températures élevées. L’usure par abrasion est due à l’enlèvement de matière sur l’outil par des constituants durs dans le matériau usiné, causé par le frottement de glissement aux diverses interfaces. Le dernier phénomène mécanique est l’affaissement plastique sous les efforts de coupe. Il prend toute son importance lorsque les températures sont élevées. 10.2.1.2

Phénomènes physico-chimiques

L’usure par diffusion est un transfert de constituants de l’outil dans le copeau. La perte de certains constituants et les réactions provoquées par la diffusion, affaiblissent la résistance mécanique de l’outil en surface. L’usure par oxydation due au contact de l’air, du lubrifiant au niveau de la zone de coupe.

10.2.2

Différents types d’usure

La norme NF E 66-505 définit l’usure de l’outil de coupe comme étant le changement, lors de la coupe, de la forme de l’outil par rapport à sa forme initiale et résultant de la perte

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10.2 Durée de vie des outils

117

progressive de matière de l’outil. En fonction de la localisation de l’usure et des phénomènes qui ont engendré cette usure, la norme a caractérisé 9 types d’usures élémentaires, parmi celles-ci, nous pouvons noter plus particulièrement : — l’usure en dépouille : Elle s’observe sur la face de dépouille principale et apparaît suivant une bande striée et brillante parallèle à l’arête de coupe. Elle est due au frottement de la pièce sur la face de dépouille et à l’oxydation. La largeur de l’usure en dépouille V B 3 permet de quantifié cette usure. — l’usure en cratère : Elle s’observe sur la face de coupe et apparaît sous la forme d’une cuvette créée par le frottement intense du copeau sur cette face. Elle est caractérisée par 3 grandeurs : KT , la profondeur du cratère, KB, la distance entre l’arête principale de coupe et le bord opposé du cratère et KM , la distance du centre du cratère à l’arête principale de coupe. — l’usure en entaille est une forme spéciale de la face de dépouille principale à l’intersection de l’arête principale de coupe et de la surface de la pièce. ce type d’usure est dû à l’augmentation de la dureté en périphérie des pièces à usiner (croute). L’usure en entaille est caractérisée par la distance V BN . — la défaillance brutale, — l’arête rapportée, etc.

Figure 10.4 – Schéma définissant les phénomènes d’usure

10.2.3

Critères de durée de vie d’un outil

La qualité du travail d’un outil dans le processus d’usinage dépend de son degré d’usure. L’importance de cette usure a une influence directe sur : 3. Ou V BB car elle est mesurée dans la zone B de l’arête.

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118

Chapitre 10 - Étude de la coupe

— le respect des contraintes géométriques pour la pièce à usiner, — la tenue de l’outil dans le temps, — la puissance de coupe nécessaire. Définition 1 Durée de vie d’un outil T (ISO 3685) Temps de coupe total d’un outil pour atteindre un critère de durée de vie spécifique. Cette durée de vie étant limitée, dans le cadre d’une production en série, elle impose un arrêt régulier pour le changement d’outil, elle conditionne donc le temps total d’usinage et par conséquence son coût. Il faut parvenir à définir clairement ce que l’on entend lorsque l’on dit qu’un outil est usé. L’analyse des différents types d’usures, de leur effet sur la qualité des pièces usinées à permis de définir un certain nombre de critères permettant de quantifié la durée de vie d’un outil coupant. 10.2.3.1

Critères usuels pour les outils en acier rapide

Les critères les plus généralement utilisés pour les outils en acier rapide sont les suivants : — défaillance brutale, — largeur moyenne de l’usure en dépouille V BB = 0, 3mm si l’usure en dépouille est considérée régulière dans la zone B, — largeur maximale de l’usure en dépouille V BBM ax = 0, 6mm si l’usure en dépouille est irrégulière, rayée, écaillée ou fortement striée dans la zone B. 10.2.3.2

Critères usuels pour les outils en carbures métalliques frittés

Les critères généralement utilisés pour les outils en carbures métalliques frittés sont les suivants : — largeur moyenne de l’usure en dépouille V BB = 0, 3mm si l’usure en dépouille est considérée comme régulière dans la zone B, — largeur maximale de l’usure en dépouille V BBM ax = 0, 6mm si l’usure en dépouille est irrégulière dans la zone B, — profondeur du cratère KT, en millimètres, donnée par la formule : KT = 0, 06+0, 3·f .

10.2.4

Loi d’usure - modèle de Taylor

La durée de vie d’un outil de coupe dépend : — de l’outil utilisé, — de la pièce à usiner, — des conditions de coupe choisies pour l’usinage. On peut donc exprimé la durée de vie de l’outil en fonction de ces différents paramètres : T = f (a, f, V c, outil, pièce) Le critère principal pour mesurer la durée de vie d’un outil est V BB . Le paramètre le plus important pour un couple outil/pièce donné est la vitesse de coupe, il semble pertinent

Technologie de fabrication

10.2 Durée de vie des outils

119

en première approximation de mettre en place une loi du type : T = f (V c) On effectue alors un essai 4 en relevant régulièrement la valeur de l’usure en dépouille V BB ,on trace alors la courbe V BB = f (t). Cette courbe se décompose généralement en trois parties : — une première zone ou V BB croit de manière importante, ce qui correspond à un“rodage” de l’outil, — une zone où l’usure varie de manière sensiblement linéaire en fonction du temps, — une dernière partie où V BB croit de manière importante, ce qui correspond à la dégradation totale de la partie active de l’outil. A partir de cette courbe, on peut déterminer le temps T pour lequel l’outil aura atteint le critère d’usure choisi et donc, par extension, sa durée de vie. Il ne reste plus qu’à effectuer un certain nombre d’essais pour des valeurs de vitesse de coupe différentes.

Figure 10.5 – Évolution de l’usure en dépouille en fonction du temps Lorsque les vitesses de coupe augmentent, l’outil atteint plus vite le critère d’usure adopté. On peut déduire des couples (Ti , V ci ) une courbe montrant l’allure de la variation de la durée de vie d’un outil en fonction de la vitesse de coupe V c pour des conditions opératoires données et un critère précis. En traçant cette courbe dans un repère en échelle logarithmique, on remarque que la partie de la courbe qui correspond aux conditions habituelles d’utilisation est pratiquement linéaire. On appelle cette courbe la courbe de Taylor. La norme donne à cette courbe le nom de courbe V-T et écrit l’équation de la portion linéaire sous la forme suivante : 1 (10.1) V c · T−k = C 4. Tous les paramètres d’usinage sont alors parfaitement identifiés (outil, pièce, autres paramètres de coupe).

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120

Chapitre 10 - Étude de la coupe

avec k qui correspond à la pente de la droite de durée de vie et C une constante telle que la droite de durée de vie coupe l’axe des abscisses en log C. Les coefficients C et k dépendent des matériaux outil et pièce pour des conditions d’usinage données.

Figure 10.6 – Courbe de Taylor

Remarque 5 Pour une vitesse de coupe donnée et pour des conditions de coupe déterminées, il existe un valeur de durée de vie. On obtient alors un couple de valeurs vitesse de coupe/durée de vie. Par exemple si la durée de vie T = 15min pour V c = 315m/min, on notera V C15 = 315m/min.

Technologie de fabrication

10.2 Durée de vie des outils

10.2.4.1

121

Modèle de Taylor

Le modèle de Taylor (1907) est le modèle le plus simple permettant de donner la durée de vie d’un outil en fonction de la variation de la vitesse de coupe. Il s’exprime sous la forme : T = Cv · V c n (10.2) où T est la durée de vie, V c la vitesse de coupe, n la pente de la droite de durée de vie et Cv une constante telle que la droite de durée de vie coupe l’axe des ordonnées pour log Cv. Les coefficients Cv et n dépendent des matériaux outil et pièce pour des conditions d’usinage données. En recherchant la relation entre la norme et le modèle de Taylor, on trouve que n = k et que : 1 C = Cv − n Remarque 6 Expérimentalement, on se rend bien compte que l’augmentation de la profondeur de passe ou de l’avance contribue à la diminution de la durée de vie de l’outil. Il existe donc des modèles plus fins : modèle de Taylor généralisé ou de Gilbert, modèle de Kronenberg qui permettent d’approcher de manière plus fine le comportement réel de l’outil.

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122

Technologie de fabrication

Chapitre 10 - Étude de la coupe

Chapitre 11

État de surface

L

e comportement des solides dans les mécanismes dépend souvent, autant des caractéristiques des surfaces que de leurs caractéristiques volumiques. La surface du solide, limite physique entre le solide et le milieu environnant, participe directement aux liaisons. On a vu que la caractérisation d’une liaison était seulement due à la forme des surfaces en contact. La matière donne du “corps” au solide. Elle vient remplir la peau de la pièce pour lui conférer des qualités de masse, de rigidité, de résistance... De la surface du solide dépendent les caractéristiques telles que : — — — — — —

l’aptitude au frottement, la résistance à l’usure, la résistance à la corrosion, la conduction thermique et électrique, la résistance aux contraintes mécaniques (pression de contact), l’étanchéité (statique ou dynamique)

Maîtriser le comportement physique d’une pièce mécanique, c’est aussi connaître l’influence de l’état de surface, et cela au niveau macro ou microgéométrique. La génération des surfaces n’est jamais parfaite. Il est nécessaire de quantifier les irrégularités de surface, relativement à la surface idéale, en donnant la fonction continue z = f (x, y) , z représentant l’altitude du point de coordonnées locales (x, y), par rapport à la surface idéale. En toute rigueur, cette loi devrait être connue en tout point de la surface. Actuellement, seule, la caractérisation de l’état de surface sur un profil (ligne) est normalisée. Le développement des technologies tridimensionnelles permet une représentation topographique des surfaces réelles. Cette approche n’est cependant pas encore utilisée à l’échelle industrielle. La géométrie de surface est un souci à tous les stades de l’industrialisation d’un produit : — Pour le concepteur : Quel état de surface faut-il demander pour que la fonction soit correctement assurée ? Et dans quelle limite ? — Pour le producticien : Quels moyens mettre en œuvre pour obtenir l’état de surface imposé par le concepteur ? — Pour le métrologue : Quels moyens le mesures faut-il mettre en oeuvre pour quantifier l’état de surface réelle de la pièce fabriquée ?

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124

Chapitre 11 - État de surface

11.1

Différents types de défauts de surface

La définition des caractéristiques de surface se fait sur un profil de cette surface.

Figure 11.1 – Profil de surface Le — — —

référentiel usuel est le suivant : l’axe X est dans la direction générale du profil, confondu avec la ligne moyenne, , l’axe Y est dans le plan de la surface réelle, l’axe Z est dirigé vers l’extérieur de la matière.

Figure 11.2 – Différents types de défaut Il est d’usage de distinguer 4 ordres de défaut dans un profil :

Technologie de fabrication

11.2 Définitions

125

— les défauts du 1◦ ordre : ils correspondent aux défauts de forme (voir cours sur le GPS), planéité, rectitude, cylindricité, etc. ; — les défauts du 2◦ ordre : ils corespondent aux ondulations du profil, caractérisées par une ligne reliant les saillies du profil ; — les défauts du 3◦ ordre : ils correspondent aux stries de rugosité (relativement périodiques) dus au procédé de fabrication utilisé ; — les défauts du 4◦ ordre : ils correspondent aux arrachements de matière, traces d’outils (apériodiques). L’étude de l’état de surface a été entièrement codifié par des normes, les dernières normes en vigueur sont associée au concept GPS (Spécification géométrique des produits). On peut citer les Normes ISO 4287, ISO 4288 et ISO 12085 qui définissent les profils et les paramètres utilisés et la norme ISO 1302 qui définie les indications d’état de surface sur les dessins de définitions.

11.2 11.2.1

Définitions Surfaces et Profils

Définition 2 Surface réelle : Surface qui limite le corps et le sépare du milieu environnant. C’est la surface qui résulte de la fabrication. Définition 3 Profil total ou profil de surface : Représentation numérique du lieu géométrique parcouru par le centre du palpeur rapporté à la référence de guidage. Définition 4 Profil primaire : Issu du profil total, après application d’un filtre de longueur d’onde courte, il est à la base du calcul des paramètres d’état de surface. Il sert à l’évaluation des paramètres du profil primaire notés P . Définition 5 Profil de rugosité : Issu du profil primaire par suppression des composantes de grande longueur d’onde à l’aide d’un filtre.Il sert à l’évaluation des paramètres de rugosité notés R. Définition 6 Profil d’ondulation : Issu du profil primaire par suppression des composantes de grande longueur d’onde et de faible longueur d’onde grâce à un filtre passe-bande. Il sert à l’évaluation des paramètres d’ondulation notés W . Définition 7 Ligne moyenne : C’est une droite ayant la direction générale du profil et qui divise le profil de telle sorte que la somme des carrés des écarts, à partir de cette ligne est minimale (ligne des moindres carrés). La somme des aires comprises entre cette ligne moyenne et le profil est approximativement égale de part et d’autre.

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126

Chapitre 11 - État de surface

Définition 8 Longueur d’évaluation ln : C’est la longueur dans la direction de la ligne moyenne utilisée pour établir le profil à mesurer. Définition 9 Longueur de base lp , lr ou lw : C’est la longueur dans la direction de la ligne moyenne utilisée pour identifiée les irrégularités caractérisant le profil mesuré.

11.2.2

Paramètres

Les paramètres d’état de surface sont repérés par un symbole dont la première lettre en majuscule, dénote le profil sur le quel elle est calculée : P pour primaire, W pour ondulation et R pour rugosité. La deuxième lettre en minuscule caractérise le type de paramètre. Il existe un très grand nombre de paramètres caractérisant les états de surface, nous ne retiendrons que les plus utilisés. 11.2.2.1

Paramètres liés à la ligne moyenne

La figure ci-dessous définit les principaux paramètres avec : — La hauteur maximale de saillie Pp , Rp ou Wp : plus grande des hauteurs de saillie pour une longueur de base. — La profondeur maximale de creux Pv , Rv ou Wv : plus grande profondeur de creux pour une longueur de base. — La hauteur maximale de profil Pz , Rz ou Wz : somme de la plus grande hauteur de saillie et de la plus grande profondeur de creux sur une longueur de base. — La hauteur totale Pt , Rt ou Wt : somme de la plus grande hauteur de saillie et de la plus grande profondeur de creux sur la longueur d’évaluation. — L’écart moyen arithmétique Pa , Ra ou Wa : moyenne arithmétique des ordonnées Z(x) à l’intérieur d’une longueur de base. Z 1 l Pa , Ra , Wa = |Z(x)| · dx avec l = lp , lr , lw (11.1) l 0

Figure 11.3 – Paramètres liés à la ligne moyenne

Technologie de fabrication

11.3 Indication des spécifications d’état de surface

11.2.2.2

127

Paramètres liés aux motifs

Ces paramètres ne font pas intervenir la ligne moyenne. On utilise ces paramètres lorsque les pics de surface sont importants pour la fonction de la pièce. Un motif est une portion du profil primaire comprise entre les points les plus hauts de deux saillies locales du profil. Un motif est caractérisé par : — sa longueur ARi ou AWi , — ses deux profondeurs Hi et Hi+1 ou HWi et HWi+1 .

Figure 11.4 – Paramètres liés aux motifs On peut alors définir des profondeur moyenne d’ondulation W ou de rugosité R ainsi que des pas moyens de rugosité AR ou d’ondulation AW : m

R=

1 X Hj m j=1 m

1X AR = ARi n i=1

11.3

m

W =

1 X HWj m

(11.2)

j=1

m

1X AW = AWi n

(11.3)

i=1

Indication des spécifications d’état de surface

La norme ISO 1302 définit totalement ce type d’indications sur es dessins de définition. Attention, on trouve encore des dessin utilisant l’ancienne norme NF concernent les indications sur les états de surface (voir ci-dessous).

Figure 11.5 – Exemple de spécification d’état de surface

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128

Chapitre 11 - État de surface

Figure 11.6 – Indication des spécifications d’état de surface

Technologie de fabrication

11.3 Indication des spécifications d’état de surface

129

Figure 11.7 – Interprétation des stries de raillure

Figure 11.8 – Fonction et état de surface

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130

Chapitre 11 - État de surface

Figure 11.9 – État de surface obtenu par différents procédés

Technologie de fabrication

Chapitre 12

Préparation de la production

L

’organisation d’une fabrication de pièces, au sein d’un atelier de production, répond à des exigences de coûts d’usinage minimums et de qualité optimum. Cette organisation dépend des machines utilisées, des outils coupants des montages et appareillages, des moyens de contrôle, des temps d’usinage, des coûts de personnels. Au final il faut amener la pièce en conformité avec les exigences formulées sur le dessin de définition 1 , donc respecter : — des dimensions, — des tolérances de formes, — des tolérances de positions ou d’orientation, — des états des surfaces, — une résistance aux contraintes mécaniques sur la pièce en cours d’utilisation. La préparation de la production de pièces est une tâche extrêmement importante dans une entreprise de fabrication, le Bureau des Méthodes doit en partant du parc machine existant dans l’entreprise réussir à concilier des objectifs de productivité, de qualité et de coût mini, tout cela dans le but d’augmenter la compétitivité de l’entreprise. Il faut pour cela tenir compte du programme de fabrication 2 ainsi que des moyens de production à disposition 3 afin de définir un processus de fabrication cohérent avec ces différentes exigences.

12.1

Définition

Définition 10 Avant-Projet d’Etude de Fabrication APEF : On appelle APEF un dossier prévisionnel évolutif élaboré au Bureau des Méthodes consignant les informations suivantes : — phase, sous-phase, opérations classées dans l’ordre d’usinage, — croquis de phase où figure la mise en position, la cotation de fabrication et les surfaces usinées, — les MO et les outils utilisés. 1. notre cahier des charges... 2. C’est le cahier des charges qui fixe le nombre de pièces à usiner par série et le nombre de série dans le temps ainsi que les délais de fabrication par exemple. 3. Le parc machine peut être imposé ou à définir en fonction des investissements possibles, il en est de même pour les outils et outillages.

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132

Chapitre 12 - Préparation de la production

Une fois cet APEF validé par une simulation d’usinage ou des essais, on élabore le Projet d’étude de fabrication ou Gamme de fabrication. Définition 11 Phase Ensemble d’opérations élémentaires réalisées sur un même poste de travail. Par poste de travail, on entend une machine outil équipée pour réaliser un ensemble d’opération sur une pièce. Définition 12 Sous-phase Ensemble d’opérations élémentaires réalisées sur un même poste de travail sans démontage de la pièce. Par exemple, on peut usiner une pièce en tournage avec un démontage et un retournement de la pièce (2 sous phase dans la phase). Ces sous-phases sont aussi très utilisées avec les centres d’usinage (grâce aux nombreux mouvement de la machine, la géométrie quasi-complète de la pièce peut être réalisée sur la même machine). Remarque 7 En général, l’usinage sur machine outil conventionnelle entraîne un APEF avec de nombreuses phases et peu de sous-phase et l’usinage sur machine outil à commande numérique entraîne un APEF avec peu de phases et des sous-phases.

Figure 12.1 – Exemple de phase et d’opération Définition 13 Opération Usinage simple d’une ou plusieurs surfaces élémentaires réalisé par un outil, ou un groupement d’outils lors d’un unique mouvement relatif pièce/outil. On pourra régler dans l’opération des paramètres de coupe spécifiques.

Technologie de fabrication

12.2 Démarche de mise en place d’un APEF ou d’une gamme

133

Définition 14 Ébauche Opération élémentaire éliminant rapidement l’excédent de matière et préparant la finition (outils plus solide, élimination de la couche superficielle brute, correction des gros écarts de forme). Définition 15 Demi-finition Opération élémentaire corrigeant les gros défauts de l’ébauche en assurant une surépaisseur constante pour la finition et réalisant une partie des spécifications. Définition 16 Finition Opération élémentaire terminant toutes les spécifications imposées par le dessin de définition du produit à réaliser.

12.2

Démarche de mise en place d’un APEF ou d’une gamme

Il existe deux grandes méthodes de recherche d’un APEF : — La méthode générale 4 , elle est basée sur l’analyse fine du dessin de définition, sur la connaissance des moyens de production à disposition et sur l’utilisation de la connaissance des diverses contraintes liées aux procédés de fabrication utilisés. — La méthode par groupement de famille et gammme-type, comme son nom l’indique, cette méthode consiste dans un premier à déterminer un code associé à la pièce à fabriquer en fonction de sa forme et de ses dimensions puis à trouver la gamme type associée à ce code et enfin à modifier cette gamme pour qu’elle corresponde parfaitement à la pièce à mettre en production. Cette méthode est bien entendu informatisée. Remarque 8 Règle de bon sens Le démontage d’une pièce entraîne nécessairement des dispersions de remise en position qui peuvent être très importantes 5 , il faut donc chercher lors de l’élaboration d’un APEF à limiter au maximum le nombre de posages ! Remarque 9 Deuxième règle de bon sens Plus la spécification est précise sur le dessin de définition, plus le nombre d’opérations élémentaires augmente ! Faible

Moyenne IT < ±0, 5 et E-F IT > ±0, 05

IT

IT ≥ ±0, 5

F

Qualité

≥ 12

F

8, 9, 10, 11

F

Ra < 6, 3 et IT > 0.8

Rugosité

Ra ≥ 6, 3

Élevée IT ≤ ±0, 05

E - F/2 -F

E-F

≤7

E - F/2 -F

E-F

Ra ≤ 0, 8

E - F/2 -F

4. Celle qui nous intéresse en premier lieu. 5. Voir TP tournage...

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134

Chapitre 12 - Préparation de la production

Lors de l’élaboration d’un APEF, différentes contraintes impose un ordre chronologique bien défini pour les opérations d’usinage, ce sont des : — contraintes géométriques et dimensionnelles, — contraintes technologiques, — contraintes économiques.

Figure 12.2 – Contraintes géométriques et dimensionnelles Deux surfaces reliées par une ou plusieurs spécifications délicates doivent être réalisées dans la même sous-phase. De même, certaines surfaces ne peuvent pas être réalisées séparément ( rainure, lamage, etc.). Pour élaborer un APEF, il faut, à partir du dessin de définition et du dessin de brut :

Technologie de fabrication

12.2 Démarche de mise en place d’un APEF ou d’une gamme

135

Figure 12.3 – Contraintes technologiques

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136

Chapitre 12 - Préparation de la production

Figure 12.4 – Contraintes technologiques

Technologie de fabrication

12.2 Démarche de mise en place d’un APEF ou d’une gamme

137

Figure 12.5 – Contraintes technologiques et économiques

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138

Chapitre 12 - Préparation de la production

1. rechercher et repérer les surfaces brutes Bi , 2. repérer les surfaces usinées : plans Pi , cylindres : Ci et autres Xi 3. mettre en évidence les spécifications de liaison au brut, 4. mettre en évidence les spécifications délicates à obtenir, 5. définir les groupements de surface, ces trois derniers points peuvent être avantageusement mis sous la forme d’un graphe sagittal 6 , 6. en déduire un ordonnancement des phases et sous-phases (avec un choix des machines et des posages), il faut prendre soin de bien choisir les premières surfaces usinées ainsi que les premières surfaces d’appui. Cette méthode est itérative et peut conduire à différentes possibilités, le choix de l’APEF final s’effectue en comparant la complexité des APEF, les moyens à mettre en œuvre et les dispersions sur les cotes fabriquées. Remarque 10 La première surface usinée ( ou groupement de surfaces) doit servir d’appui pour la suite des usinages, elle doit donc présenter une bonne stabilité de reprise, une bonne qualité et doit pouvoir recevoir un ablocage efficace. Remarque 11 Lors de la première phase, les surfaces d’appui doivent être de bonne qualité (attention aux plans de joints, dépouilles, déports, etc.) et si possible sur des surfaces restant brutes dans la suite de l’usinage. Remarque 12 Dans le cas ou deux surfaces appartenant à des phases différentes sont positionnées entre elles par des spécifications serrées (position, orientation), il faut réaliser en premier la surface qui offre la meilleure stabilité de reprise et les meilleures possibilité d’ablocage.

6. de sagitta : flèche en latin !

Technologie de fabrication

Chapitre 13

Mise en œuvre des machines outils

L

e respect des tolérances dimensionnelles et géométriques sur une pièce usinée nécessite de maîtriser parfaitement l’ensemble de la boucle reliant la pièce à l’outil.

Cette boucle est basée sur l’utilisation d’une machine outil (de nos jours le plus souvent à commande numérique). Les différents éléments de cette boucle ainsi que les liaisons entre les éléments la constituant participent au respect des spécifications géométriques ou dimensionnelles. Les dispersions de positionnement (outil/porte-outil, porte-outil/machine, machine/porte-pièce, porte-pièce/pièce) ainsi que les différents jeux internes s’ajoutent et définissent ainsi la qualité maximale obtenue avec une machine outil donnée.

Figure 13.1 – Boucle d’une machine outil De nombreux paramètres concourent à la qualité finale des pièces obtenus et il faut donc les maîtriser ou à défaut pouvoir en estimer les effets. Nous pouvons citer : — — — —

le réglage et la connaissance des machines, le réglage des outils (jauge outil, liaison outil/porte-outil), la mise en position théorique de la pièce, la mise en position réelle de la pièce (portes pièces).

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140

13.1

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

Mise en position des pièces

La mise en position d’une pièce est caractérisée par le nombre de degrés de liberté qu’elle élimine. On peut éliminer une possibilité de mouvement par un appui ponctuel (au maximum 6). La pièce doit être positionnée par rapport à la machine dans une situation telle que l’on puisse réaliser plusieurs pièces identiques. De plus, on ne doit pas supprimer plusieurs fois le même degré de liberté sinon la mise en position est hyperstatique. Chaque contact est représenté par un vecteur normal (perpendiculaire) à la surface référentielle considérée. On appelle ce vecteur “normale de repérage”.

Figure 13.2 – Représentation des normales Chaque normale de repérage élimine 1 degré de liberté. Les normales de repérages sont installées : — du coté libre de la matière, directement sur la surface du référentiel et éventuellement sur une ligne de rappel en cas de manque de place ; — éloignées au maximum pour une meilleure stabilité ; — sur les vues où leurs positions facilitent leur compréhension. — affectées d’un indice numérique de 1à 6.

Figure 13.3 – Exemple de mise en position La mise en position est isostatique lorsque les 6 degrés de liberté sont éliminés par 6 normales de repérage. Les surfaces qui assurent la mise en position d’une pièce sont, en principe, celles du système de références qui définit la position des surfaces à usiner.

Technologie de fabrication

13.1 Mise en position des pièces

141

Figure 13.4 – Exemples de mise en position

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142

13.1.0.3

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

Liaison d’orientation

Cette liaison permet de respecter directement une cote angulaire ou une spécification géométrique d’orientation (parallélisme, perpendicularité, inclinaison).

A elle seule, elle élimine un degré de liberté en rotation. Le symbole représenté ci-contre exprime cette liaison. Il se place du côté libre de la matière, sur la surface spécifiée ou éventuellement sur une ligne d’attache.

Figure 13.5 – Exemple d’utilisation

Technologie de fabrication

13.1 Mise en position des pièces

13.1.0.4

143

Symbolisation technologique

Il existe aussi des symboles technologiques (NF E 04-013) utilisés pour les contrats de phase, dont l’objet est de définir des solutions technologiques pour mettre en position et maintenir une pièce au cours de sa fabrication.

Figure 13.6 – Différents symboles technologiques

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144

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

Figure 13.7 – Exemple d’utilisation des symboles technologiques Technologie de fabrication

13.2 Porte-pièces

13.2

145

Porte-pièces

Afin d’assurer la mise en position et le maintien de la pièce pendant l’usinage, il est nécessaire d’utiliser un porte-pièce. Ce porte-pièce assure la liaison pièce/machine, il doit être le plus rigide et le plus précis possible afin de ne pas apporter de dispersions sur les cotes fabriquées.

Figure 13.8 – Diagramme bête à corne (méthode APTE) d’un porte-pièce Les différentes fonctions principales et fonctions contraintes d’un porte-pièce peuvent être définies grâce à un diagramme pieuvre. Le respect de ces fonctions permet de concevoir un porte-pièce.

Figure 13.9 – Diagramme pieuvre (méthode APTE) d’un porte-pièce Les différentes fonctions sont : F1 : Positionner la pièce sur la machine F2 : Assurer la mise en position et le maintien en position pendant l’usinage F3 : Permettre aux outils d’accéder aux surfaces usinées F4 : Être utilisable par n’importe quel opérateur F5 : Assurer l’évacuation et le nettoyage rapide des copeaux

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146

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

F6 : Assurer son installation fiable, fidèle et rapide sur la machine F7 : Être facilement transportable et stockable F8 : Permettre l’écoulement et l’évacuation du fluide de coupe Dans un soucis de simplification et de rentabilité, on privilégie les porte-pièces standards plutôt que l’utilisation de porte-pièces spécifiques, plus coûteux à développer.

13.2.1

Cas du tournage

Les porte-pièces les plus usuels en tournage sont les mandrins, ils peuvent être à serrage manuel ou pneumatique, ils sont équipés de trois ou quatres mors durs ou doux.

Figure 13.10 – Mandrin à serrage manuel à 4 mors Lors d’un chariotage d’une pièce complète, pour éviter une reprise de pièce après un retournement, on utilise une prise entre pointes (une dans la broche et une dans la poupée mobile, la contre-pointe) avec un entraîneur frontal.

Figure 13.11 – Exemple de prise entre pointes

Figure 13.12 – Entraîneur frontal

Dans le cas d’usinage de pièces très longues et dont le rapport L/D est important, la pièce peut fléchir au niveau de l’outil à cause des efforts de coupe. Cette flexion peut apporter un défaut de cylindricité sur la pièce obtenue (forme de diabolo ou de tonneau). Afin d’éviter ce phénomène, on peut utiliser des lunettes fixes ou mobiles (elles suivent alors l’outil dans sa course) afin de soutenir la pièce et de contrer les efforts de coupe.

Technologie de fabrication

13.2 Porte-pièces

Figure 13.13 – Exemple de tournage avec lunette

147

Figure 13.14 – Lunette fixe

Dans certains cas (pièces moulées, pièces forgées, pièces complexes) la prise en mors ou entre pointes n’est pas possible et il faut concevoir un montage d’usinage spécifique (attention à l’équilibrage du montage 1 ). Ce type de montage est a éviter au maximum et il est plus intéressant tenir compte de ces limites dès la conception de la pièce.

13.2.2

Cas du fraisage

Dans le cas du fraisage, il existe deux type de porte-pièce standard, l’étau, qui permet uniquement la prise de pièce prismatique et le plateau diviseur qui permet de définir précisément l’orientation de la pièce par rapport à la machine (permet l’usinage de denture, de cran, de toutes formes réparties sur la périphérie d’une pièce). Il est aussi possible de réaliser

Figure 13.15 – Étau

Figure 13.16 – Plateau diviseur

des portes pièces spécifiques : éléments modulaires (petites et moyennes séries), assemblages mécano soudés, moulés, ou utilisant des éléments standards ... (moyennes et grandes séries). Ces portes-pièces peuvent être plus ou moins élaborés en fonction de la taille de la série, des cadences imposées, du degré d’automatisation. On recherchera toujours un gain de productivité lors de la conception d’un montage spécifique avec des éléments facilitant la mise en position de la pièce (détrompeurs) et une automatisation des serrages (serrages pneumatiques ou serrages rapides par cames, etc.). 1. Voir le cours de dynamique de 2◦ année...

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148

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

Figure 13.17 – Montage modulaire

13.3

Figure 13.18 – Montage spécifique

Le contrat de phase

L’organisation d’une fabrication de pièces, au sein d’un atelier de production, répond à des exigences de coûts d’usinage minimums et de qualité optimum. Cette organisation dépend des machines utilisées, des outils coupants des montages et appareillages, des moyens de contrôle, des temps d’usinage, des coûts de personnels. Au final, il faut amener la pièce en conformité avec les exigences formulées sur le dessin de définition, donc il faut respecter : — les dimensions, — les tolérances de formes, — les tolérances de positions, — les états des surfaces, — une résistance aux contraintes mécaniques sur la pièce en cours d’utilisation. Une opération d’usinage est la réalisation d’une ou plusieurs surfaces élémentaires sans démontage de la pièce et en ne mettant en œuvre qu’un seul mouvement relatif pièce/outil (alésage, dressage, chariotage,...). A une opération est donc associée un outil et un jeu de conditions de coupe. Une phase est un ensemble d’opérations réalisées sur un même poste de travail (tournage, perçage, ...). Une sous-phase est un ensemble d’opérations réalisées sans démontage de la pièce. La nomenclature des phases liste l’ensemble des phases d’usinage et de contrôle permettant la réalisation et le contrôle de la pièce. On parle aussi de gamme de fabrication. Afin d’élaborer cette gamme de fabrication, le BDM (Bureau Des Méthodes) établi un avant projet d’étude de fabrication (APEF), à partir du dessin de définition de la pièce à usiner, dans lequel on retrouve : — la chronologie des différentes opérations regroupées en phases (gamme de fabrication), — pour chaque phase, un contrat de phase dans lequel on retrouve : • la mise en position de la pièce à usiner, • la cotation de fabrication, • la visualisation des surfaces usinées, • la machine outils utilisée, • les outils et porte-outils utilisés.

Technologie de fabrication

13.3 Le contrat de phase

149

Figure 13.19 – Exemple de contrat de phase

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150

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

13.4

Architecture des machines outils à commande numérique

Une machine outil à commande numérique (MOCN) est constituée de : — Un bâti, qui doit être très rigide et amortir les vibrations, fabriqué en fonte moulée, en béton ou granit de synthèse (agrégat de poudre agglomérée à un liant d’époxy). — Des parties mobiles (table, traînard, poupée mobile, chariot), le mouvement de translation est donné par un moteur d’avance, le mouvement de rotation est transformé en mouvement de translation par un système vis-écrou à billes. — Une broche permettant d’assurer l’entraînement de l’outil ou de la pièce (tournage) en rotation, l’entraînement est assuré par un moteur à courant continu (CC) ou à courant alternatif (AC), il peut être lié directement à la broche ou par l’intermédiaire d’une pignonnerie. Le guidage en rotation est assuré par des roulements à rouleaux coniques ou par des combinaisons de roulements à contact oblique et de roulement à rouleaux cylindriques. Certaines machines sont équipées de paliers hydrostatiques (UGV). — Une partie commande avec un directeur de commande numérique (DCN), cerveau de la machine, basé sur un calculateur construit autour d’un microprocesseur, mais aussi un automate programme permettant de gérer les parties logiques de la machines (changement d’outil, utilisation des palettes, etc.) et enfin une interface utilisateur avec un écran et un clavier.

Figure 13.20 – Architecture d’une MOCN Afin d’assurer le déplacement contrôlé en position et en vitesse d’un élément mobile suivant un ou plusieurs axes, on utilise un asservissement en position et en vitesse. La mesure de la position et de la vitesse réelle instantanée permet de corriger en temps réel la commande de l’axe afin d’obtenir une réponse précise, sans dépassement et rapide. Les capteurs de vitesse et de position utilisés peuvent être analogiques linéaires ou rotatifs (règle inductosyn ou resolver) ou numériques toujours linéaires ou rotatifs (incrémental ou par codage).

Technologie de fabrication

13.5 Réglages des machines à commande numérique

151

Figure 13.21 – Description de l’asservissement d’un axe

13.5

Réglages des machines à commande numérique

Sur une machine à commande numérique, chacun des axes est asservi en position et/ou en vitesse. Afin de définir les trajectoires d’outils dans un programme, il est nécessaire de définir différentes origines.

13.5.1

Origine mesure Om et origine machine OM

L’origine machine OM est un point du référentiel mesure défini par des butées électriques. Pour les machines utilisant une mesure relative des déplacements, la prise origine machine (P OM ) est effectuée à chaque mise sous tension. L’origine mesure Om est un point arbitraire de l’espace. C’est la référence des déplacements de la machine pour le calculateur (table et broche), elle correspond au zéro des règles après initialisation. On peut parfois choisir OM = Om.

13.5.2

Origine porte-pièce Opp et origine pièce Op

L’origine porte-pièce Opp correspond à l’origine du référentiel de mise en position du porte-pièce (étau, montage d’usinage, mandrin) sur la machine. L’origine pièce Op correspond elle à l’origine du référentiel de mise en position isostatique de la pièce sur le porte-pièce. Elle est directement liée à la mise en position de la pièce (normale de repérage sur le contrat de phase).

13.5.3

Origine programme OP

La position de l’origine programme OP est déterminée une fois le porte pièce mis en place, par rapport à l’origine mesure Om. On choisit un point qui permet de réaliser facilement la programmation, cette origine est l’origine du système d’axes associé à la pièce. Elle est donc directement liée à la cotation de la pièce. Parfois, on a OP = Op.

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152

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

13.5.4

Point courant P T COU R

Le point courant P T COU R est le point qui est mesuré lors de tous les déplacements, c’est donc le point piloté par la machine. Sa position peut être exprimée dans le système de référence Om ou OP , il doit être facilement utilisable lors des procédures de prise d’origine. Il appartient habituellement au porte outil. En fraisage, le point courant est situé à l’intersection de l’axe de la broche et du plan de base de la broche. En tournage, ce point courant se situe à l’intersection de la face avant de la tourelle porte-outil et de l’axe de l’alvéole du porte-outil en position travail. Ces points courants ne correspondent pas au point générateur de l’outil (à l’interface outil/pièce), il faut donc introduire des vecteurs décalages que nous appellerons jauges outils afin de simplifier la programmation.

Figure 13.22 – Jauges outils en tournage et en fraisage Ces jauges outils correspondent : — en tournage : à la projection de la distance entre le point courant et le point générateur de l’outil suivant les axes ~x et ~z : JX et JZ , — en fraisage : au rayon R de la fraise et à la longueur L de l’outil.

13.5.5

Vecteurs décalages entre Om et OP

Le vecteur qui représente la distance entre l’origine mesure Om et l’origine porte-pièce −−−−→ Opp, est appelé P REF pour Prise de Référence. On le décompose selon chaque axe respectif en P REF X, P REF Y et P REF Z. Les mesures des “ P REF ” peuvent être réalisées sur la machine en visualisant le point courant par rapport à Om. Elles s’effectuent toujours en se déplaçant dans le sens d’augmentation de la distance. −−−−→ −−−−−→ P REF = OmOpp

(13.1)

Pour une machine à commande numérique donnée et pour un porte-pièce donné, les P REF sont définis une fois pour toutes. Suivant la CN, les valeurs des P REF sont en mémoires ou à rentrer à chaque mise en marche de la machine.

Technologie de fabrication

13.5 Réglages des machines à commande numérique

153

−−−−→ On utilise alors un deuxième vecteur décalage, le DEC1 lié à la pièce à usiner, qui représente la distance entre l’origine porte-pièce Opp et l’origine programme OP . −−−−→ −−−−−→ DEC1 = OppOP

(13.2)

Figure 13.23 – Position des différents points dans le cas du tournage Ces trois vecteurs décalages (P REF , DEC1 et Jauges Outils) permettent de programmer directement la position du point générateur de l’outil dans le référentiel programme centré sur l’origine programme. P o s itio n p ro g ra m m é e

Ja u g e s O u tils

P .g .

P .C .

P o s itio n P o in t c o u ra n t

O P D E C 1

O p p P R E F

O m Figure 13.24 – Position des différents vecteurs décalages

13.5.6

Programmation

Une MOCN peut être programmée de plusieurs manières :

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154

Chapitre 13 - Mise en œuvre des machines outils

— programmation directe en langage ISO, opération nécessitant la connaissance des codes et de la structure générale d’un programme de commande numérique 2 , — programmation avec assistance, utilisation de cycles préprogrammés dans le directeur de commande numérique (cylindrage, dressage, poche, contournage, etc.), seules les données géométriques et les conditions de coupe sont à rentrer de manière assez conviviale, — programmation hors site grâce à l’utilisation de logiciels de FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), ces logiciels sont souvent couplés à des logiciels de CAO et permettent d’obtenir des programmes de pièces complexes de manière assez simple par l’utilisation du modèle 3D du logiciel de CAO.

2. analogie avec le langage machine des ordinateurs...

Technologie de fabrication

Troisième partie

Obtention des bruts

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Généralités Suite à leur élaboration, les alliages métalliques se retrouvent sous forme de billettes (lingot) ou de brames (masse d’alliage de forme parallélépipédique de plus de 1000 mm de largeur pour plus de 10 mètres de long et un poids de plusieurs dizaines de tonnes, obtenue soit directement de coulée continue soit après réduction d’un lingot dans un slabbing, lequel est un train de laminoirs dégrossisseur). Les lingots sont plus particulièrement destinés à être refondus lors d’un process de moulage. Les brames, quand à elles, sont destinées à être mises en forme par déformation plastique, pour les amener à des dimensions et formes (tôles, bandes, barres, fils, profilés, tubes, pièces forgées ou matricées) convenant aux utilisateurs. Les produits obtenus sont dits corroyés. Les procédés d’obtention des pièces sont très variés selon la nature des matériaux, leur fonction, leur géométrie.

Figure 13.25 – Obtention de semi-finis corroyés Lors de l’élaboration d’un produit, on peut faire appel à des bruts standards corroyés (tôles, barres ou profilés) ou à des bruts spécifiques (moulé ou forgé). Le choix pour un produit donné du type de brut dépend d’un grand nombre de paramètres différents : — la taille de la série (influe sur l’amortissement de l’outillage pour un brut spécifique), — le type de matériau utilisé, — les caractéristiques mécaniques recherchées (le forgeage permet d’obtenir des caractéristiques mécaniques élevées pour la pièce fabriquée), — la complexité géométrique de la pièce (le moulage permet d’obtenir des formes complexes), — la maîtrise de la technologie concernée par l’entreprise ou d’éventuels sous-traitants.

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158

Figure 13.26 – Différents modes d’obtention des bruts Certains procédés d’élaboration de brut permettent d’obtenir des pièces directement finies (frittage, moulage sous pression, extrusion, etc.), d’autre nécessitent des usinages complémentaires pour les surfaces fonctionnelles de la pièce considérée. Nous traiterons des trois principaux procédés d’obtention de brut suivants : — la fonderie, — la déformation plastique, — la mécano soudure.

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Chapitre 14

Fonderie La fonderie permet la réalisation de pièces mécaniques par remplissage d’une empreinte avec un alliage métallique en fusion. L’empreinte est conçue pour donner après solidification et refroidissement de l’alliage, une pièce dont la forme, les dimensions et l’état de surface sont définis par un cahier des charges. Les pièces ainsi obtenue peuvent être directement utilisées ou peuvent nécessiter un certain nombre d’opération de parachèvement ou d’usinage.

Figure 14.1 – Différents type de moulage Ce procédé peut concerner la production en petite série (moulage au sable), moyenne et

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160

Chapitre 14 - Fonderie

grande série (moule permanent, métallurgie des poudres). Le moulage présente l’avantage de permettre la réalisation de pièces de formes complexes, avec le minimum de matière (peu de pertes). Le moule est en général en deux parties. On appelle “ plan de joint ”, la surface de contact entre les deux parties (elle n’est pas forcément plane, bien que ce soit préférable). Un noyau peut être utilisé pour réaliser les évidements de la pièce (surfaces noyautées). La pièce est ensuite démoulée après solidification de l’alliage. On décompose les méthodes de moulage en deux grandes catégories : — moulage en moule non permanent ; — moulage en moule permanent. A ces deux grandes familles de fonderie, nous pouvons rajouter tout ce qui concerne la métallurgie des poudres où l’on travaille des poudres métalliques moulées puis frittées. Le choix entre les différents procédés de moulage se fait en fonction d’un certain nombre de paramètres tels que : — l’alliage utilisé, — la forme de la pièce, ses dimensions, sa précision et son état de surface désiré, — la taille de la série, — les caractéristiques de service de la pièce, — le prix de revient. Ces procédés d’obtention de brut sont facilement automatisables, permettent d’obtenir des formes difficilement réalisables par d’autres techniques, permettent de mettre en œuvre un grand nombre d’alliages différents et peuvent permettre de fabriquer des très petites séries de pièces pour un coût assez faible.

14.1

Moulage à moule non permanent à modèle permanent

La structure principale du moule est réalisée avec des matériaux réfractaires de moulage type sable, composée d’une ou plusieurs parties et offrant après assemblage un évidemment appelé empreinte.

Figure 14.2 – Principe de base du moulage à moule non permanent

Technologie de fabrication

14.1 Moulage à moule non permanent à modèle permanent

161

Cette empreinte correspond à la pièce brute à obtenir à laquelle on a ajouté : — un système d’attaque et de remplissage qui doit permettre de remplir l’empreinte sans préjudice pour la qualité de la pièce et pour l’intégrité du moule,

Figure 14.3 – Système de remplissage

Figure 14.4 – Système d’alimentation

— un système d’alimentation, composé d’une ou de plusieurs masselottes, permettant d’alimenter la pièce en alliage lors de la contraction due à la solidification, Le moule est réalisé en sable et est détruit après solidification de l’alliage (les moules ne sont donc utilisés qu’une seule fois). Des cadres métalliques (châssis), servent à maintenir le sable utilisé pour prendre l’empreinte du modèle.

Figure 14.5 – Vocabulaire associé au moulage L’empreinte est réalisée grâce à un modèle en bois, plastique, résine stratifiée ou alliage reprenant la forme de la pièce brute à obtenir en tenant compte du retrait de l’alliage au refroidissement. Dans le cas de la série, on utilise une plaque modèle permettant une mécanisation de la création de l’empreinte. La géométrie de la pièce brute à obtenir et donc le modèle intègre nécessairement des angles de dépouille permettant un démoulage aisé du modèle ou de la plaque modèle sans risque de détérioration du moule en sable. On intègre dans le sable du moule un certain nombre d’évents permettant aux gaz créés lors de la coulée de l’alliage de s’évacuer.

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162

Chapitre 14 - Fonderie

Figure 14.6 – Boite à noyau, noyau et modèle

Figure 14.7 – Plaque modèle

Les formes intérieures de la pièces sont réalisées grâce à un noyau, lui aussi en sable, fabriqué grâce à une boite à noyau. On peut aussi utiliser des noyaux extérieures pour des pièces avec des formes complexes.

Figure 14.8 – Exemple d’utilisation de noyau Après fermeture du moule et coulée de l’alliage, on désagrège la structure en sable (décochage) pour en extraire la pièce réalisée. Les opérations permettant d’enlever les matériaux de moulage adhérents à la pièce, les systèmes de remplissage et d’alimentation ainsi que les bavures provenant du plan de joint constituent le parachèvement.

14.1.1 14.1.1.1

Étude de cas Cas d’un support

Le dessin de définition de la pièce usinée est défini à partir des surfaces fonctionnelles de la pièce, celles-ci doivent être usinées afin d’obtenir les caractéristiques géométriques et dimensionnelles nécessaires à leurs fonctions. Afin d’obtenir le dessin du brut, il faut : — rajouter de la matière au niveau de ces surfaces fonctionnelles (surépaisseur d’usinage),

Technologie de fabrication

14.1 Moulage à moule non permanent à modèle permanent

163

— choisir la position du plan de joint et l’orientation de la pièce (maximum de surfaces fonctionnelles vers le bas, zone où il y a le moins de risques d’apparition de défauts 1 , — minimiser et définir les zones noyautées (recherche de stabilité et de simplicité pour ces noyaux), — mettre en place les dépouilles (2%).

Figure 14.9 – Dessin de définition de la pièce et du brut

Figure 14.10 – Dessin du modèle

A partir de du dessin de la pièce brut et du choix du plan de joint, on peut concevoir le modèle qui sera utilisé afin d’obtenir l’empreinte dans le sable. Il faut pour cela ajouter les éventuelles portées de noyaux et tenir compte du retrait de l’alliage utilisé (ne pas oublier les dépouilles). Il suffit alors d’associer à ce modèle le système de remplissage et le système d’alimentation et de positionner cet ensemble dans un chassis.

Figure 14.11 – Chassis prêt à remplir de sable 1. Il faut être logique et chercher la simplicité...

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164

14.1.1.2

Chapitre 14 - Fonderie

Cas d’une bride

Dans ce deuxième cas, nous nous intéresserons au moulage en série d’une bride ayant 6 nervures radiales équidistantes. Cette bride est réalisée en fonte à graphite lamellaire EN-GJL 350.

Figure 14.12 – Dessin de définition de la pièce et vue 3D Cette forme en contre-dépouille impose l’utilisation d’un noyau extérieur complexe afin d’avoir un plan de joint perpendiculaire à l’axe de la pièce. Le noyau 1 est simple à obtenir

Figure 14.13 – Tracé du moule avec les deux noyaux avec une boite à noyau, le noyau 2 est plus complexe à obtenir et comporte la descente de coulée et le canal de remplissage. Ce moule est complexe à réaliser et donc le coût de la pièce sera important. Afin de diminuer le coût du brut, il pourrait être intéressant de travailler avec le bureau d’étude afin de modifier et de simplifier les formes de la pièce, ce qui permettrait de ne pas utiliser de noyau extérieur.

14.1.2

Atelier de moulage

Le moulage au sable peut être mécanisé dans le cas de production de pièces en moyenne ou grande série. Dans ce cas les opérations sont normalisées et regroupées au sein d’un

Technologie de fabrication

14.1 Moulage à moule non permanent à modèle permanent

165

atelier de moulage qui peut être totalement ou partiellement automatisé.

Figure 14.14 – Atelier de moulage au sable

14.1.3 14.1.3.1

Matériaux de moulage Caractéristiques

Un matériau de moulage se caractérise par : — sa facilité de mise en œuvre, — sa capacité à conserver les formes de la pièce à obtenir, — sa résistance à l’action mécanique et thermique de l’alliages en fusion, — sa capacité à ne pas gêner le retrait de l’alliage lors du refroidissement, — sa capacité à se désagréger après solidification de la pièce, — sa capacité au recyclage. Il doit bien entendu être réfractaire et ne pas présenté une trop forte dilatation thermique et être suffisamment perméable afin de laisser s’échapper les gaz issus de la coulée. 14.1.3.2

Composition

Les sables utilisés en fonderie sont généralement composés de trois parties : — un matériau réfractaire granuleux apportant la rigidité au moule,

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166

Chapitre 14 - Fonderie

— un liant permettant d’agglomérer les grains entre eux, — des adjuvants apportant des caractéristiques particulières au matériau de moulage. On utilise le plus souvent un sable silico-argileux naturel (le moins cher) ou des sables synthétiques spéciaux : chromite (pour des empreintes et des noyaux sollicités thermiquement), olivine (non réactivité avec les aciers au manganèse), afin d’obtenir des propriétés spécifiques. On ajoute à ces différents sables synthétiques des liants minéraux (argile, ciment, plâtre) ou organiques (résine, huile de lin, amidon). On ajoute aussi des adjuvants permettant d’obtenir des propriétés particulières (noir minéral par exemple). On parle de moulage en sable à vert lorsqu’on emploie un sable silico-argileux avec une certaine humidité. Ce sable à vert peut être séché au chalumeau superficiellement sur l’empreinte afin de diminuer le gradient thermique de l’alliage coulé au contact du moule. Le sable peut être aggloméré et durci chimiquement grâce à des liants. On parlera de prise à chaud ou de prise à froid selon si le durcissement se fait à température ambiante ou sous l’effet de la chaleur. Le durcissement peut se faire directement au contact de l’outillage (plaque modèle, boite à noyau) ou peut nécessiter un étuvage ou un frittage.

14.1.4

Procédé V-Process

Il existe aussi un procédé utilisant du sable sans liant, ce procédé est appelé “V-Process”. L’empreinte donnée par une plaque modèle est conservée après démoulage grâce à la dépression créée entre deux films de matière plastique appliqués sur le sable sans liant au travers des chassis. La dépression est maintenue durant toute la phase de remplissage et de refroidissement de l’alliage. Le film plastique est détruit lors de la coulée de l’alliage. Lorsque la pièce est solidifiée, il suffit d’arrêter la pompe à vide créant la dépression pour que le moule se désagrège. Tous les alliages peuvent être coulés par ce procédé. Figure 14.15 – Principe du V Process Ce procédé apporte un certain nombre d’avantages : — les plaque modèles sont protégés de l’érosion due au sable, — le décochage est facilité, — l’état de surface est meilleur. Malheureusement, du fait de l’utilisation d’un film plastique, il est difficile d’obtenir des reliefs prononcés et rapprochés.

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14.2 Moulage de précision

14.2

167

Moulage de précision

Ces procédés de moulage sont des procédés de moulage à moule non permanent. Ils sont nécessairement plus coûteux que les procédés précédents mais ils permettent d’obtenir des pièces de formes plus complexes ainsi que de meilleurs états de surface.

14.2.1

Moulage en carapace ou Procédé “Croning”

Le mélange sable-résine-catalyseur est mis au contact d’un outillage métallique chauffé à une température voisine de 300 ◦ C. En quelques dizaines de secondes, il se forme une carapace de sable durcie par polymérisation autour du modèle. L’excédent de sable non polymérisé est éliminé par renversement de l’outillage. Les noyaux pleins ou évidés sont réalisés de façon analogue. Ce procédé permet de faire des pièces d’une grande précision dimensionnelle, d’un bel état de surface mais d’un poids limité à 30 kg environ.

Figure 14.16 – Principe du moulage en carapace

14.2.2

Moulage à cire perdu et Lost Foam

Dans ce cas, le modèle est non permanent, il est réalisé en cire, en urée ou en polystyrène expansé. Le moule est en “céramique” ou en plâtre. C’est un procédé de production en toutes séries de pièces de dimensions petites à moyennes dont la masse va de quelques grammes à quelques dizaines de kilogrammes. En plâtre, les alliages les plus usuels sont à base d’aluminium et à base de magnésium. Outre l’obtention d’une grande précision

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168

Chapitre 14 - Fonderie

dimensionnelle, les points forts de la fonderie de précision à modèle perdu sont la réalisation de pièces de dessin pouvant être sophistiqué, à parois très minces, en alliages difficilement ou non usinables. La précision dimensionnelle est très bonne à excellente. En moulage céramique on coule des alliages légers et ultra légers (magnésium) ; des aciers, des superalliages à base nickel, cobalt, zirconium ; le titane (également en moules de graphite usinés) ; des alliages cuivreux. Les principaux marchés sont l’aéronautique (aube de turbine), l’aérospatial, le secteur médical (prothèse), le secteur militaire, le nucléaire, etc. Les avantages de ce procédé sont multiples : la qualité de la “peau” de la pièce est remarquable. Quelles que soient les pièces creuses à réaliser, les opérations de noyautage sont supprimées. Les plans de joint de moule sont également supprimés. Par conséquent, les coûts d’ébarbage sont moindres (plus de portées de noyaux, plus de plan de joint). De plus, la coulée et le refroidissement du métal s’opérant dans de meilleures conditions que dans un moule classique, les pièces peuvent être réalisées avec moins de métal et ont note par conséquent un allégement de celles-ci. Ce procédé autorisant une grande précision dimensionnelle, il est possible d’obtenir des trous bruts de fonderie. Sur le plan du rendement, un tel procédé s’accommode fort bien d’importances cadences de production. De plus les chantiers “LOST FOAM” sont très flexibles. Dans la mesure où il n’y a pas d’outillage à démonter et pas de noyaux à préparer, le changement de pièces est aisé. De fait, il n’y a pas d’usure de l’outillage. 14.2.2.1

Moulage en cire (ou urée) perdue

Figure 14.17 – Procédé de moulage en cire perdue On injecte une cire spéciale dans un moule qui, en se solidifiant, prend la forme exacte de la pièce à produire. Ensuite, le modèle ainsi réalisé en cire, après avoir été éventuellement monté en grappe, est trempé à plusieurs reprises dans un bain pâteux (barbotine) de matériaux réfractaires et de liants qui, en séchant, forme la “carapace” autour du modèle en cire. L’ensemble est porté à une température supérieure à 100 ◦ C : la cire fond et laisse alors une cavité dans laquelle sera coulé le métal en fusion. Après refroidissement, le moule est détruit laissant apparaître une pièce métallique identique, dans les moindres détails, au modèle initial.

Technologie de fabrication

14.3 Moulage à moule permanent

14.2.2.2

Procédé Loast Foam

Figure 14.18 – Principe du moulage Lost Foam

14.3

169

Ce procédé de moulage implique la fabrication d’autant de modèles que de pièces à réaliser. Les modèles sont obtenus par injection, dans un moule métallique, de granules de polystyrène qui se soudent sous l’action de la vapeur. Les différentes parties du modèle et les appendices de coulée sont collés de manière à former des grappes recouvertes d’un enduit réfractaire, puis placés dans un bac dans lequel on verse du sable sec sans liant qui est ensuite compacté par vibrations. Lors de la coulée, le front de métal progresse en faisant évaporer le polystyrène et prend la place de celui-ci.

Moulage à moule permanent

Le soucis par le fondeur de pouvoir réutiliser plusieurs fois un même moule a fait rechercher la permanence de l’empreinte moulante. Après un certain nombre d’essais par le passé avec des moules en pierre ou en matériaux réfractaires et rigides, les différents éléments nécessaires au moulage (moules, noyaux, broches) sont actuellement fabriqués en alliages métalliques. On peut distinguer quatre grandes familles de moulage à moule permanent : — le moulage en coquille par gravité, — le moulage haute pression, — le moulage basse pression, — le moulage par centrifugation. Ces procédés sont particulièrement adaptés à la grande série et à la production automatisée.

14.3.1

Moulage en coquille par gravité

L’ensemble des éléments nécessaires au moulage sont réalisés en alliage métallique, cependant, il est quelquefois possible d’utiliser des noyaux en sables. L’introduction de l’alliage en fusion dans la coquille se fait grâce à la pesanteur uniquement, c’est pour cela que ce procédé s’appelle la coulée en coquille par gravité. Les éléments qui constituent la coquille doivent permettre la réalisation des opérations de moulage, remplissage, alimentation et éjection. En fait, les coquilles actuelles sont de véritables mécanismes ou l’automatisation est très poussée pour la grande série. Pour mieux définir ce procédé, nous pouvons donner les avantages techniques qu’il apporte par rapport au moulage en moule non permanents du fait de l’utilisation de matériaux métalliques pour les éléments constitutifs du moule : — grande rigidité de l’empreinte,

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170

Chapitre 14 - Fonderie

— grande précision dimensionnelle et d’état de surface, — conductibilité thermique élevée. Les pièces ainsi fabriquées sont donc avec des caractéristiques mécaniques plus élevées (vitesse de refroidissement plus élevée donc grains plus petits), avec un meilleur état de surface (l’état de surface est affecté par le poteyage 2 ) et une plus grande précision dimensionnelle (coquille plus rigide que le sable). Les différents éléments constitutifs d’une coquille sont : — La semelle : elle supporte les chapes et permet de les guider lors de l’ouverture et de la fermeture du moule, elle peut comporter une partie de l’empreinte (cette partie de la semelle sera alors rapportée car plus fortement sollicitée). — Les chapes : elles donnent tout ou partie de la forme extérieure de la pièce, elles comportent aussi les systèmes de remplissage et d’alimentation. — Les noyaux : ce sont des éléments moulant qui permettent l’obtention de formes intérieures et de toute forme en contre-dépouille, ils peuvent être permanents et métalliques ou en sable et destructibles si le démontage est impossible. — Les broches : ce sont des noyaux dont la longueur est grande devant la section, elles sont généralement cylindriques.

Figure 14.19 – Matériaux des différentes parties d’une coquille Ce procédé est utilisé pour la production de pièces mécaniques en série, il est en autre très utilisé dans l’industrie automobile (culasse). 2. Le poteyage est un enduit protecteur de l’empreinte et facilitant le démoulage de la pièce.

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14.3 Moulage à moule permanent

Figure 14.20 – Moulage en coquille

14.3.2

171

Figure 14.21 – Moulage basse pression

Injection à basse pression

Ce procédé est le plus récent des procédés de moulage en moules permanents. Le moule est monté sur une machine spéciale qui permet la mise en mouvement des éléments mobiles. Un four étanche de maintien alimente le moule en alliage en fusion. Pour cela on soumet la surface du bain à une pression pneumatique de 0,1 à 0,2 bar qui pousse l’alliage de bas vers le haut. Le remplissage effectué, on applique une surpression de masselottage de 0,4 à 1 bar. Lorsqu’on supprime la pression, l’alliage liquide retombe dans le four et l’éjection de la pièce peut se faire. Les cadences de production sont plus élevées qu’en moulage en coquille, les caractéristiques mécaniques sont améliorées, la mise au mille 3 est plus faible (pas de masselotte) que pour la coquille. Malheureusement, l’investissement nécessaire est plus important que pour la coquille. Ce procédé est de plus en plus utilisé dans l’industrie automobile pour la fabrication de culasses ou de carter de transmission.

Figure 14.22 – Culasse de moteur automobile obtenu par injection à basse pression Ce procédé est en fait une amélioration de procédé de moulage en coquille. 3. Masse d’alliage coulée pour obtenir 1000 g de pièce parachevée.

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172

14.3.3

Chapitre 14 - Fonderie

Injection à haute pression

On force le métal liquide à s’introduire dans un moule métallique sous une forte pression afin d’obtenir des pièces en très grande série de quelques grammes à plus de 50 kg épousant l’empreinte gravée dans le moule. L’évolution des machines conditionne l’amélioration des pièces. On distingue les machines à “chambre chaude” avec dispositif d’injection immergé, et les machines à “chambre froide”, où le métal liquide est versé dans un conteneur métallique puis injecté dans l’empreinte sous des pressions atteignant couramment 1 000 bars.

Figure 14.23 – Injection à chambre chaude Les premières sont utilisées pour les alliages de plomb, de zinc et de magnésium, les secondes pour les alliages d’aluminium, de magnésium, de zinc et de cuivre.

Figure 14.24 – Injection à chambre froide Les forces de fermeture atteignent aujourd’hui 45 000 kN pour les plus puissantes, l’hydraulique a supplanté le pneumatique, et les machines tout électrique, font leur apparition. Elles sont pilotées par micro-ordinateur permettant d’ajuster en temps réel l’alimentation du métal, l’extraction des pièces, l’élimination des attaques et évents, etc. Les logiciels de simulation rendent aujourd’hui possible la conception virtuelle des outillages et la mise au point des pièces en simulant les phases de remplissage et de solidification du métal. La production mondiale se répartie entre l’aluminium, le zinc et le magnésium, pour de nombreux secteurs d’activité : automobile (carters cylindres, boîtes de vitesse, embrayages), poids lourds, cycle et motocycle, électroménager (semelles de fer à repasser), électricité (carcasses et rotors de moteurs asynchrones), mécanique, électronique, télécommunication (téléphones portables), serrurerie, sanitaire, parfumerie de luxe, vêtement (fermetures à glissière), chauffage domestique, (éléments de radiateurs), jouet (automobiles miniatures)...

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14.3 Moulage à moule permanent

Figure 14.25 – Exemple de pièce injectée

14.3.4

173

Figure 14.26 – Exemple d’empreinte

Moulage par centrifugation

La centrifugation, encore appelée coulée sous-pression centrifuge est une technique de coulée basée sur les propriétés physiques de la force centrifuge. En faisant effectuer au moule en sable ou à la coquille métallique une rotation autour d’un axe vertical ou horizontal, le métal acquiert les propriétés physiques supplémentaires suivantes par rapport à la coulée par gravitation classique : — grande homogénéité du métal dans l’ensemble de la pièce, — possibilité d’homogénéiser deux alliages métalliques de manière à ce que la pièce possède les propriétés physiques des deux alliages à la fois, — solidification plus rapide de la pièce qui est ainsi mieux texturée, notamment lorsqu’un système extérieur de refroidissement par eau est mis en place, — cristallisation très régulière.

Figure 14.27 – Moulage par centrifugation Ce procédé ne peut toutefois être appliqué que pour des pièces de formes simples telles que galets de roulement, roues, tubes, cylindres de laminoirs, calandres, chemises de moteurs, etc. L’utilisation la plus célèbre du procédé concerne la production de tuyaux en fonte à graphite sphéroïdal (SAINT GOBAIN PAM) ou en alliages cuivreux (LE BRONZE INDUSTRIEL).

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174

Chapitre 14 - Fonderie

14.4

Règles de tracé des pièces moulés

Beaucoup de règles de tracé sont nécessaires en fonction de l’utilisation, du matériau, de la méthode de moulage, ... On peut notamment respecter les remarques qui suivent. 1. Les parties minces se refroidissant plus rapidement que les parties épaisses, des contraintes ou tensions internes apparaissent pouvant créer, au pire, des fissures appelées criques. II conviendra d’essayer d’uniformiser les épaisseurs ou d’engendrer des raccordements progressifs. 2. Ne pas hésiter à renforcer une pièce par des nervures, plutôt que par un volume de matière important. Éviter les accumulations de métal trop importantes. Ces zones dites de dernière solidification sont aussi appelées “points chauds”. Ils seront le siège de défauts de type retassure, ils nécessiteront la mise en place de masselottes quand cela est possible. 3. Les surépaisseurs d’usinage à prévoir pour les surfaces fonctionnelles, sont de l’ordre de 1 à 2 mm. Les intervalles de tolérance se situent en général entre 0,1 mm (moulage sous pression) et 1 mm (moulage par gravité). Il faut tenir compte du retrait et optimiser les formes afin de le limiter. 4. Le plan de joint doit contenir la plus grande section de la pièce ou le plan de symétrie. 5. Pas d’angle vif. On exclut les angles aïgus extérieurs ou rentrants. Ce type de profil entraîne des contraintes thermiques qui concentrent la chaleur et ralentissent la solidification et le refroidissement. 6. Éviter les bossages et les croisements. Les bossages, les croisements de matière amènent des massivités localisées qui occasionnent des retards de solidification et donc des retassures. 7. Les parois verticales doivent être accompagnées de dépouilles (de l’ordre de 2%) qui nuisent au respect des épaisseurs constantes. Une légère inclinaison des parois facilite grandement le démoulage. 8. La mise en œuvre de noyau au sable nécessite de pouvoir évacuer le sable après la coulée. De plus le sable emprisonné dans la matière génère des gaz lors de la coulée, il faut prévoir des évents. Prévoir de larges ouvertures, des lumières et des trous de dessablage facilitant le travail du fondeur. 9. Reporter les difficultés ! En moule non permanent, la surface de l’empreinte se doit d’être en dépouille le plus naturellement possible. Les difficultés ou les formes complexes sont reportées à l’intérieur et obtenues par noyaux. En moule permanent, compte tenu du retrait de l’alliage, les formes intérieures doivent être simples. Les formes complexes sont reportées à l’extérieur et générées par le moule. À propos des départs d’usinage : II est essentiel de positionner sur une pièce des points de touche ou points de départ d’usinage qui serviront de référence à l’usinage ainsi qu’au contrôle final. Ces points de départ ne doivent pas se situer sur le plan de joint, ni sur des masselottes ou attaques de coulée. Ils ne doivent pas non plus être obtenus par noyau. De préférence, ils proviendront d’une même partie de moule et devront rester (bruts ou usinés) jusqu’au contrôle finale.

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14.4 Règles de tracé des pièces moulés

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Chapitre 14 - Fonderie

14.4 Règles de tracé des pièces moulés

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14.5

Chapitre 14 - Fonderie

Les matériaux destinés au moulage

En ce qui concerne les alliages métalliques, certains se prêtent mieux au moulage que d’autres. Les aciers de construction (E 295, ...), les aciers alliés peuvent convenir. Mais ce sont surtout les fontes et notamment les fontes à graphites lamellaires (EN-GJL) qui sont très utilisées pour le moulage (carter, bâti, ...). Certains alliages d’aluminium se prêtent bien au moulage mais avec un retrait important (3 à 8 % en volume). On retiendra notamment les nuances avec silicium appelés Alpax : Al Si 5 Cu 3 et A Si 7 Mg (moulage par gravité), Al Si 9 Cu 3 (moulage sous pression). Les alliages de cuivre, laitons et cupro-aluminium, mais notamment les bronzes ont de bonnes aptitudes au moulage. Parmi les alliages métalliques, on notera aussi les alliages de Magnésium et de zinc (zamaks), tous deux avec addition d’aluminium.

14.5.1

14.6

Comparatif entre les différents procédés de moulage

Le frittage

Le remplissage d’une empreinte correspondant à la géométrie de la pièce est effectué à partir de poudres de matériau. Cette poudre est compactée pour obtenir un matériau dense après frittage, opération consistant à assurer à haute température la liaison entre les grains de poudre. L’originalité vient du fait que la matière première est sous forme de poudre, ce qui permet de créer un large éventail de pièce tout en restant économiquement favorable. Les techniques de frittage sont très anciennes, puisqu’elles précèdent probablement les procédés de métallurgie classiques (les Égyptiens les utilisaient déjà pour la fabrication d’instruments, 3 000 ans avant notre ère)

14.6.1

Processus d’obtention des pièces frittées

Le processus habituel de mise en œuvre de la métallurgie des poudres comporte essentiellement deux étapes :

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14.6 Le frittage

179

— Une première phase de compression, généralement à température ambiante, dans une matrice rigide ayant une cavité de contour plus ou moins complexe, d’une masse pulvérulente au moyen d’une presse permettant d’obtenir un aggloméré (appelé aussi comprimé) d’une forme proche de la pièce désirée. Dans cette opération, de hautes pressions sont exercées sur la poudre dans la cavité de la matrice, simultanément par le dessous et le dessus, via plusieurs poinçons de compression se déplaçant verticalement. — Une seconde phase dite de frittage du comprimé. Cette opération s’effectue par chauffage en atmosphère appropriée. La température reste inférieure au point de fusion du métal constituant principal, mais elle doit être suffisamment élevée pour provoquer les liaisons des particules métalliques entre elles et consolider ainsi le produit issu de la phase précédente.

Figure 14.28 – Principe du frittage

14.6.2

Les avantages techniques

La métallurgie des poudres offre plusieurs avantages pour la réalisation de pièces mécaniques, notamment des avantages techniques comme :

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Chapitre 14 - Fonderie

— Des tolérances semblables à celle des pièces usinées, une précision bien meilleure pour les dimensions situées dans des plans perpendiculaires au sens de compression, — L’obtention de formes complexes sans répercussion sensible sur les coûts, — La réalisation de formes et de profils irréalisables industriellement par d’autres méthodes, — Une très bonne reproductibilité quelle que soit la série, — Une très bonne résistance à l’usure, un faible coefficient de frottement, un bon état de surface, et leur corollaire : une réduction du temps de rodage, — Une possibilité de lubrification à vie. (Coussinets autolubrifiants). Les pièces mécaniques frittées possèdent des caractéristiques étonnantes et permettent aussi l’autolubrification qui s’emploie aussi bien dans les pièces techniques que dans la bille du stylo que vous utilisez tous les jours.

14.6.3

Les avantages économiques

Le frittage permet la production de produits finis en un minimum d’étapes, en limitant notamment le nombre d’étapes d’usinages (il reste parfois les phases de perçage, taraudage) ce qui permet le plus souvent de réduire les coûts de production. En conclusion on remarque que les pièces mécaniques frittées permettent une réduction pouvant atteindre 50% sur les prix de revient par rapport aux autres modes d’élaboration pour des séries minimales de 5000 à 15000 pièces. Les investissements en machine outils d’usinage, peuvent être 10 à 20 fois moindre. Il s’agit là d’un élément de décision essentiel dans le choix d’une solution industrielle. Si les techniques de frittage ne peuvent se substituer à la métallurgie traditionnelle pour les pièces lourdes, elles sont appelées à jouer un rôle accru dans la production de nombreuses pièces (coussinets, aimants, contacts électriques, outils de coupe, éléments autolubrifiants) et surtout dans la fabrication des céramiques (Plaquettes pour outil de coupe).

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Chapitre 15

Obtention par déformation plastique Suite à leur élaboration, les alliages métalliques se retrouvent sous forme de brames (masse d’alliage de forme parallélépipédique de plus de 1000 mm de largeur pour plus de 10 mètres de long et un poids de plusieurs dizaines de tonnes, obtenue soit directement de coulée continue soit après réduction d’un lingot dans un slabbing lequel est un train de laminoirs dégrossisseur). L’étape suivante consiste à transformer ces brames par déformation plastique, pour les amener à des dimensions et formes (tôles, bandes, barres, fils, profilés, tubes, pièces forgées ou matricées) convenant aux utilisateurs. Les produits obtenus sont dits corroyés.

Figure 15.1 – Différents produits semi-finis corroyés La déformation plastique, à chaud ou à froid, obéit à des lois de comportement (ductilité, écrouissage...) qui sont étudiées en laboratoire sur des éprouvettes dont les caractéristiques métallurgiques et dimensionnelles sont bien déterminées. Ces lois sont mises à profit dans plusieurs méthodes. Elles présentent notamment l’avantage de limiter le volume de matière ainsi que le nombre d’opérations nécessaires à la réalisation d’une pièce. Le corroyage est une opération qui consiste à déformer le matériau d’une façon permanente, la contrainte de limite élastique RE = σe étant localement dépassée. Le matériau est déformé entre deux outils comportant une gravure à la géométrie de la pièce, on parle de : — forgeage, laminage, estampage ou matriçage pour un matériau massif, — emboutissage, pliage, poinçonnage pour un matériau sous forme de tôles. Le matériau est contraint par compression d’épouser les formes d’une filière, on parle alors de filage, tréfilage ou d’extrusion.

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Chapitre 15 - Obtention par déformation plastique

15.1

Notion de fibrage

Sous l’action des déformations plastiques, la structure cristalline de la pièce change. La taille des grains a tendance à diminuer, et les grains s’allongent et s’orientent suivant la direction de l’écoulement du métal. On parlera de sens long pour la direction de l’allongement du grain et de sens travers dans la direction perpendiculaire à l’allongement du grain. Cette transformation de la structure de la pièce s’appelle le fibrage 1 . Le fibrage permet d’augmenter les caractéristiques mécaniques de la pièce obtenue et apporte une anisotropie entre le sens long et le sens travers.

Figure 15.2 – Vue du fibrage sur une bielle en coupe.

15.2

Influence de la température

En théorie, presque tous les procédés de formage à l’état solide peuvent être appliqués à différentes températures. On peut effectuer un procédé d’obtention de brut par déformation plastique : À chaud : L’augmentation de la température de la pièce à forger permet d’augmenter la plasticité et de faciliter l’écoulement de l’alliage et donc de faciliter la mise en forme de pièces complexes et volumineuses et de diminuer les efforts de forgeage. Malheureusement, le chauffage apporte des déformations importantes lors du refroidissement donc une moins bonne précision pour la pièce ainsi qu’une oxydation de la surface de la pièce. Pour le formage à chaud de l’aluminium, on utilise une billette chauffée à environ 370◦ C à 470◦ C et une température de 1150◦ C à 1250◦ C pour les aciers (au dessus de la température de recristallisation). À froid : Ce procédé permet d’obtenir un meilleur état de surface et une précision accrue mais demande des machines beaucoup plus puissantes et des outillages plus robustes. D’autre part, le phénomène d’écrouissage permet d’augmenter les caractéristiques mécaniques des pièces. Malheureusement, ce procédés engendre un état de contraintes internes pouvant entraîner des déformations importantes lors d’un traitement thermique. Mi-chaud : Ce procédé est en quelque sorte un compromis entre les deux autres. La température de forgeage se situe aux alentours de 700◦ C pour l’acier. Les efforts de 1. Par analogie aux fibres du bois...

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15.3 Le laminage

183

forgeage sont alors plus faibles qu’à froid et la précision atteinte ne nécessite pas d’opération de calibrage.

15.3

Le laminage

Le laminage, à chaud ou à froid, est réalisé par passage d’une pièce de métal entre deux cylindres dont l’écartement est inférieur à l’épaisseur initiale de la pièce. Les cylindres tournent en sens inverse et entraînent la pièce de métal (plaque, cylindre...). Le laminage étire et écrouit le métal. Il est parfois nécessaire de recuire celui-ci avant de recommencer l’opération, pour le rendre plus malléable et éviter sa rupture ou sa fissuration. Plusieurs passages dans des gorges de plus en plus petites permettent d’obtenir le produit final. Selon la forme de la gorge, plusieurs sections sont possibles.

Figure 15.3 – Principe du laminage et du laminage circulaire. Les matériaux laminés sont les aciers, les alliages d’aluminium, les laitons ou les cuproaluminiums...

15.4

Le forgeage

Le forgeage correspond la mise en forme à chaud par des efforts de pression et de percussion, à l’aide d’un marteau, d’un marteau-pilon ou d’une presse, d’un lopin de matière. Les engins de forgeage peuvent être classés en deux catégories suivant la vitesse d’impact : Les engins travaillant par chocs : avec une vitesse d’impact supérieure à 6 m · s−1 , ce sont les moutons (conversion de l’énergie cinétique provenant de la chute d’une masse en énergie de déformation par l’intermédiaire de l’outillage) et les marteauxpilons (le principe est le même que précédemment mais un complément de vitesse est donné à la masse au départ) ; Les engins travaillant par pression : avec une vitesse d’impact inférieure à 1 m·s−1 , ce sont les presses hydrauliques (vérin hydraulique sous haute pression (300 M P a), F = 6000 à 600 000 kN ) ou mécaniques (système à bielle-manivelle,vis sans fin, came, (F = 500 à 120 000 kN ).

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184

Chapitre 15 - Obtention par déformation plastique

Figure 15.4 – Presse de 65 000 tonnes, 40 mètres de haut (Groupe Eramet, Issoire), plus grosse presse du monde occidental, et matrice pour le forgeage d’un train d’atterrissage.

15.4.1

Le forgeage libre

Le forgeage libre consiste à former des pièces par une succession d’opérations élémentaires de déformation plastique à l’aide d’outillages simples et peu coûteux. Il est essentiellement réservé à la réalisation d’ébauches. Le forgeage libre concerne la déformation d’une pièce sans matrice imposant une forme finale. La contrainte de limite élastique est localement dépassée.

Figure 15.5 – Principe de base du forgeage libre. On peut définir un certain nombre d’opérations élémentaires : l’étirage : diminution de la section d’une pièce pour en augmenter la longueur. l’étampage : mise au rond d’une section. le refoulement : réduction de la longueur d’une pièce pour en augmenter la section. le dégorgeage : opération permettant d’obtenir une brusque diminution de section. le poinçonnage : opération permettant de percer un trou dans une pièce. le mandrinage : opération permettant d’augmenter le diamètre d’un trou. le bigornage : opération permettant d’augmenter le diamètre d’un trou en donnant une orientation des fibres dans le sens tangentiel.

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15.4 Le forgeage

15.4.2

185

Le matriçage - l’estampage

L’estampage, terme réservé à la mise en forme des métaux ferreux et alliages réfractaires, et le matriçage, terme réservé à la mise en forme des alliages légers et alliages de titane, utilisent des matrices afin d’obtenir des formes beaucoup plus complexes qu’en forgeage libre. Ils sont mis en oeuvre à chaud. Ces procédés consistent à obliger un lopin de matière à remplir deux formes creusées dans deux blocs d’acier (gravures dans la matrice).

Figure 15.6 – Principe de base du matriçage et de l’estampage L’estampage représente plus de trois quarts des pièces forgées et peut être mis en oeuvre par des engins de choc ou de pression. La figure (Fig. 15.5, p. 187), présente l’architecture d’un outillage d’estampage et de matriçage. Le poids des pièces réalisables en estampage peut varier de quelques grammes jusqu’à 2 à 3 tonnes. Les tolérances dimensionnelles sur les pièces obtenues par estampage sont élevées et dépendent des dimensions. Un ordre de grandeur maximum serait le millimètre. Ces tolérances peuvent être diminuées grâce à une opération de calibrage à froid 2 et atteindre le 10éme de millimètre jusqu’à 0,8 millimètre en fonction de l’aire des surfaces à calibrer.

Figure 15.7 – Outillage de matriçage ou d’estampage

Figure 15.8 – Empreinte d’estampage en plusieurs opérations

2. Cette opération permet de redresser la pièce après refroidissement par écrasement entre deux faces d’outils, récupération de la déformation due à la chaleur.

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Chapitre 15 - Obtention par déformation plastique

Pour des pièces de petites dimensions (jusqu’à 100 mm), il faut prévoir des surépaisseurs d’usinage allant de 0,5 mm à 2 mm. Les matériaux forgés sont les aciers d’usage courant, non alliés et faiblement alliés, les alliages d’aluminium (5754, 2017, ...), les cupro-aluminiums, les laitons. Suivant la complexité de la pièce à obtenir, il est parfois nécessaire de faire subir au lopin de départ une succession d’ébauches pour améliorer la répartition du métal dans l’empreinte de finition. Cela permet d’éviter : — les défauts tels que les replis de matière et les criques, — une usure prématurée des outillages, — un manque de métal dans une partie de l’empreinte. La bavure, quand à elle, permet de s’assurer du bon remplissage de l’empreinte.

15.4.2.1

Exemples d’utilisation

L’estampage et/ou le matriçage sont des procédés d’obtention de brut utilisés pour l’industrie aéronautique (voir (Fig. 15.4.2.1, p. 186), l’industrie automobile (vilebrequin, bielle, arbre à came, arbre de boite de vitesse, bras de suspension, etc.), les turbopropulseurs et turboréacteurs (disques de turbine) et pour un grand nombre de pièces fortement sollicitées.

Figure 15.9 – Exemple de pièces obtenues par estampage ou matriçage sur avion

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15.5 L’extrusion, le filage et le tréfilage

15.5

187

L’extrusion, le filage et le tréfilage

Dans son principe, le filage est une opération d’extrusion : une presse hydraulique pousse une billette cylindrique ou un lopin d’alliage au travers d’une filière, outils creux qui détermine la forme de section souhaitée pour le profilé. Le filage connaît deux procédés distincts : — Le filage direct, le plus répandu, dans ce procédé, une billette d’alliage est poussée, au travers d’une filière de profilage fixe, par un piston mobile. — Le filage inverse , dans ce cas, le métal s’écoule autour ou à l’intérieur du poinçon, l’alliage se déplace alors à contresens du poinçon.

Figure 15.10 – Principe du filage direct et indirect Le procédé du filage direct est utilisé pour obtenir les profilés aluminium utilisés dans le bâtiment, dans l’industrie aéronautique ou de l’automobile, on parlera alors d’extrusion. Après chauffage à 480◦ C et passage dans la filière, chaque billette peut alors fournir ainsi des profilés dont la longueur varie de 20 à 50 mètres, selon la ductilité de l’alliage, la configuration de la filière et la puissance de la presse. Le filage peut être mis en œuvre à chaud ou à froid mais lorsque cette technique est effectuée à froid, les efforts mis en jeu sont très importants. Les filières utilisées sont soumises à des efforts extrêmement importants et sont fabriqués en aciers au tungstène.

Figure 15.11 – Filière et produits obtenu par filage

Figure 15.12 – Billette, filière et profilé d’aluminium obtenu par extrusion

Les tolérances des pièces extrudées permettent bien souvent de supprimer les opérations d’usinage car il est possible d’obtenir des précisions de l’ordre de 0,05 mm.

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Chapitre 15 - Obtention par déformation plastique

Le tréfilage quand à lui correspond à la réduction de la section d’un fil en métal par traction mécanique sur une machine à tréfiler. Ce procédé permet d’obtenir des fils métalliques de diamètre assez faible. Les matériaux filés sont des aciers pour traitement thermiques (C 10 à C 45), des aciers alliés (faiblement allié : 16 Mo Cr 5, inoxydable : X 6 Cr 13, ...), des alliages d’aluminium (alliages AlSiMg type 6061, 6082), des alliages de cuivre (laitons).

15.6

Travail des métaux en feuille

Les produits semi-finis sur forme de tôles (avec une épaisseur inférieure à 10 mm) sont très couramment utilisés en construction mécanique. Ils sont pour cela emboutis, poinçonnés, pliés ou ils subissent tout autre procédé de travail des métaux en feuille, ils sont ensuite assemblés par soudage, rivetage ou vissage. Le faible coût de production, le poids modéré sont autant d’atouts face aux produits concurrents fabriqués en fonderie ou en forge (exemple d’un bras de suspension avant de voiture, fondu, forgé ou mécano-soudé suivant le prix de la voiture et son utilisation).

15.6.1

L’emboutissage

L’emboutissage correspond à la déformation d’une tôle plane (le flan C) en une surface complexe, à l’aide d’une matrice fixe E+G et d’un poinçon B actionné par une presse. Le plus souvent, le flan est retenu par le serre-flan K afin d’améliorer l’écoulement du métal dans la matrice.

Figure 15.13 – Principe de l’emboutissage Si l’opération est effectuée à froid, les caractéristiques dimensionnelles seront bonnes mais le procédé sera limité en épaisseur de tôle et en profondeur d’empreinte. Le phénomène d’écrouissage peut faire apparaître un durcissement de la tôle et des contraintes internes nécessitant un recuit. Si l’opération est effectuée à une température plus élevée que la température de recristallisation du métal (à chaud), elle produit une pièce non écrouie mais apporte de plus grandes dispersions ainsi qu’une oxydation de la pièce. Les principaux défauts sont les défonçages du flan (provenant d’un allongement trop important ou d’une mauvaise gamme) ou la formation de plis.

Technologie de fabrication

15.6 Travail des métaux en feuille

189

Figure 15.14 – Outillage d’emboutissage Figure 15.15 – Pièce emboutie pour l’induspour carrosserie automobile trie automobile (structure Citroën Picasso) Les débouchés de cette technique de mise en forme sont donc extrêmement larges. Nous noterons notamment la présence de l’emboutissage dans les domaines : Des transports : que ce soit dans le domaine de l’automobile, des transports routiers ou des deux roues, l’emboutissage intervient pour de très nombreuses pièces extérieures (carrosserie) et intérieures (renforts). De l’électroménager : radiateurs, machines à laver, ballon d’eau chaude... Du sanitaire : lavabos métalliques, bacs de douches... De l’emballage : boîtes de boisson, conserves en fer blanc (acier doux (C 2000 A ) sous basse tension. Après coupure du courant, l’effort de compression “forge” la soudure. De nombreux procédés de soudure par résistance existent. Ce procédé est très utilisé en grande et petite série, il est aussi très rapide. Il est utilisé dans de très nombreux domaines : l’industrie automobile, aéronautique, aérospatiale, nucléaire, électrique et électronique, les appareils ménagers, le mobilier métallique, les armatures en fils, le soudage en bout de barre, de profilés, de pièces tubulaires, de tôles, etc... 16.2.3.1

Soudage par points

Les pièces à souder sont superposées et sont serrées localement entre deux électrodes ou des mâchoires en alliage de cuivre. L’ensemble pièces / électrodes est traversé par un courant de soudage qui provoque une élévation de température par effet Joule à l’interface des deux pièces et la fusion localisée des deux pièces dans la zone de positionnement des deux électrodes.

Figure 16.5 – Soudage par points

16.2.3.2

Figure 16.6 – Soudage par bossages

Soudage par bossages

Le procédé de soudage par résistance par bossage est très comparable au procédé de soudage par résistance par points. Les pièces à souder sont superposées (assemblage par recouvrement) et sont serrées localement entre deux électrodes en alliage de cuivre. Le bossage, obtenu par emboutissage de la pièce, assure la concentration du courant de soudage et la localisation de la soudure. L’ensemble pièces / électrodes est traversé par un courant de soudage qui provoque une élévation de température par effet Joule à l’interface des deux pièces et la fusion localisée des deux pièces dans la zone de positionnement du bossage ou

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198

Chapitre 16 - Mécanosoudage

des bossages. Lorsque la matière atteint un certain degré de plasticité, le bossage s’affaisse et l’assemblage des deux pièces est réalisé. 16.2.3.3

Soudage par molette

Les pièces à souder sont superposées et sont serrées localement entre deux molettes en alliage de cuivre. L’ensemble pièces / molettes est traversé par un courant de soudage qui provoque une élévation de température par effet Joule à l’interface des deux pièces et la fusion localisée des deux pièces dans la zone de positionnement des deux molettes. Le soudage à la molette permet d’obtenir une soudure continue et étanche lorsque le passage du courant est continu.

Figure 16.7 – Principe de fonctionnement

16.2.4

Figure 16.8 – Exemple

Le soudage par friction

Ce procédé de soudage est un procédé en phase solide, une des deux pièces à assembler est entraînée en rotation par l’intermédiaire d’un mandrin.

Figure 16.9 – Pièce obtenu par friction

Figure 16.10 – Machine de friction

Les deux pièces sont mises en contact grâce à un déplacement, le contact est maintenu grâce à un effort axial déterminé. Par frottement les pièces s’échauffent de part et d’autre du plan de joint ( V = 100 m/min). Un bourrelet commence alors à se former. Après un

Technologie de fabrication

16.2 Principaux procédés de soudage

199

brusque arrêt de la pièce en rotation, l’effort axial est augmenté . C’est la phase de forgeage de la soudure qui se traduit par la formation d’un bourrelet très caractéristique. On élimine ensuite ce bourrelet par usinage. On notera qu’il est préférable de souder deux pièces de même section. Ce procédé est utilisé dans les mécanismes nécessitant une grande résistance (arbres de boites de vitesses, leviers sur axes, goujons sur moyeu de poids lourds, rallonges de forets, queues de soupapes...)

16.2.5

Friction Stir Welding (FSW) ou friction malaxage

Le soudage Friction Stir Welding System ou Soudage par friction malaxage (brevet TWI) est un procédé de soudage par friction sans fusion. Le procédé est relativement nouveau et il est développé depuis 1992 par TWI et ESAB. Ce procédé est particulièrement adapté pour le raboutage de tôles et profilés en alliage d’aluminium. Il permet l’assemblage d’alliages d’aluminium réputés difficiles à souder (séries 2xxx et 7xxx). Ce procédé de soudage est aussi utilisé pour les jonctions hétérogènes Aluminium / Cuivre, Aluminium / Acier, Magnésium / Cuivre et Cuivre / Acier. Ce procédé assure des soudures de très haute qualité avec un minimum de déformations.

Figure 16.11 – Principe de fonctionnement

Figure 16.12 – Exemple

Les pièces à assembler en bout à bout sont solidement maintenues sur un bâti rigide. Un outil rotatif ou fraise avec un profil spécial est positionné au droit du joint. Une certaine vitesse de rotation de la fraise et une force de pression très élevée sont imprimées à l’outil à la surface de la pièce à assembler. La chaleur dégagée par le frottement de la fraise associée à la pression d’appui assure la mise à l’état plastique des matériaux à assembler et assure leur jonction. L’outil rotatif mélange le métal des pièces. La soudure est réalisée par un mouvement linéaire de l’outil en rotation à une certaine vitesse d’avance. Il autorise l’assemblage de pièces d’épaisseurs comprises entre 1,5 mm et 30 mm. Le FSW est peu bruyant et n’émet ni fumée, ni poussière, ni plasma ou rayonnement dangereux. Les domaines d’application du FSW sont nombreux, industrie automobile, industrie aéronautique, industrie ferroviaire et chantiers navals. Ce procédé commence à être utilisé dans l’industrie pour remplacer les rivets (Eclipse 500) ou pour souder des éléments de carrosserie sur les Mazda MX5 et RX8.

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200

16.2.6

Chapitre 16 - Mécanosoudage

Soudage à haute énergie

Les procédés de soudage à haute énergie sont caractérisé par une concentration très importante d’énergie en un point donné. Cette concentration thermique du faisceau, très focalisé, permet d’obtenir des densités de puissance de l’ordre de 10 à 100 MW par cm2 . Contrairement aux procédés conventionnels, les procédés à haute énergie ne réalisent pas la fusion des matériaux à souder par transfert thermique de la surface vers l’intérieur de la pièce mais bénéficient de la formation d’un capillaire ou keyhole rempli de vapeurs métalliques. La formation de ce capillaire permet donc un transfert direct de l’énergie au cœur de la matière, permettant ainsi l’obtention de cordons de soudure beaucoup moins larges que pénétrants. Ces procédés sont utilisés pour l’aéronautique, le nucléaire, le secteur spatial ou pour la mécanique de précision.

16.2.7

Soudage laser

Le principe du soudage laser est de focaliser le faisceau laser (en général à partir d’une tête de focalisation composée d’au moins 2 miroirs) sur les pièces à souder. La taille réduite de la tâche focale (environ 300/400 µm pour un laser CO2 ) permet de concentrer l’énergie, et ainsi d’atteindre des densités de puissance très élevées (plus de 106 W/cm2 ). Ces densités de puissance élevées gênèrent (d’abord à la surface de la tôle) une vaporisation très importante qui, en se détendant vers l’extérieur, “creuse” le bain de soudage et induit ainsi la création d’un “keyhole”, capillaire de plasma, dans la tôle à souder. La création de ce capillaire permet d’atteindre des profondeurs de pénétration assez importantes à des vitesses de soudage relativement élevées. A titre d’exemple, le soudage laser CO2 de tôles d’acier de 2 mm d’épaisseur peut être réalisé à des vitesses de 5 à 8 m/min pour une puissance laser de 5 kW.

Figure 16.13 – Principe de fonctionnement Ce procédé apporte de faibles déformation sur la pièce et la zone affectée thermiquement est très réduite, le soudage autogène est possible. Cependant, ce type de procédé est encore peu utilisé du fait de son coût et des contraintes d’utilisation de ce type d’installation. Le soudage laser permet de souder l’acier, l’inox, le titane et le magnésium.

Technologie de fabrication

16.2 Principaux procédés de soudage

16.2.8

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Soudage par faisceau d’électrons

Le principe de base du procédé par faisceau d’électrons (F.E.) est la transformation de l’énergie cinétique d’un faisceau d’électrons en énergie calorifique. Le processus de soudage est réalisé dans une chambre à vide de l’ordre de 10−6 mbar à 10−7 mbar. Le faisceau d’électrons est généré par un canon lui-même placé sous vide.

Figure 16.14 – Principe de fonctionnement

Figure 16.15 – Exemple

Ce procédé, entièrement automatisé, permet de souder des pièces très épaisses (200 mm sur l’acier), avec une très faible oxydation des joints soudés et peu de déformations des pièces soudés. Malheureusement, comme pour le soudage par laser, ce procédé demande un investissement très important, un matériel sophistiqué, une préparation soignée des assemblages, etc. De nombreux matériaux sont soudables grâce à ce procédé : acier au carbone, inox, nickel et alliages, aluminium et alliages, alliages de titane ou de cuivre.

16.2.9

Le brasage

Le brasage est l’assemblage de deux matériaux à l’aide d’un métal d’apport ayant une température de fusion inférieure à celle des métaux à assembler et mouillant les surfaces qui ne participent pas par leur fusion à la constitution du joint brasé. Le chauffage de la zone à braser peut se faire par une flamme (chalumeau), un arc électrique, un inducteur ou au laser. Ce procédé est par exemple utilisé : — en électronique pour souder les composants sur les platines ; — en plomberie pour assembler des tubes de façon étanche (brasage par capillarité).

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Chapitre 16 - Mécanosoudage

Le métal d’apport peut être un alliage d’étain, de cuivre ou d’argent. L’alliage doit posséder une caractéristique majeure : il doit être eutectique. Très fréquemment sont utilisés des flux de brasage afin d’améliorer le mouillage du métal d’apport.

16.3

Principales règles de tracé

Règle 1 : Souder des épaisseurs aussi voisines que possible. Si les épaisseurs sont nettement différentes, préparer les pièces comme sur le schéma ci-dessous. Règle 2 : Placer la soudure dans les zones les moins sollicitées. Éviter, en particulier, les sollicitations en flexion et en torsion. Règle 3 : Penser aux déformations engendrées par les dilatations locales lors du soudage. Éviter en particulier les soudures d’angle sur pièces prismatiques. Règle 4 : Afin d’augmenter la longévité des outils, éviter d’usiner une soudure. Le refroidissement de la soudure créer une trempe locale, donc le matériau devient très dur. Règle 5 : Éviter les masses de soudure et veiller à une bonne conception des renforts. Pour une construction fortement sollicitée, on supprime les amorces de rupture en effectuant un cordon de soudure. Règle 6 : Veiller aux possibilités d’accès du soudeur, du chalumeau ou des électrodes. A vérifier notamment dans le cas des soudures en X (e > 12mm) ou avec reprise à l’envers. Règle 7 : Prévoir des formes qui permettent le positionnement des pièces à souder ou à défaut, concevoir un montage de soudage. Règle 8 : Songer à des surépaisseurs pour l’usinage éventuel des faces après soudage (déformations).

Figure 16.16 – Exemple de pièce mécano-soudée

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Quatrième partie

Annexes

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Annexe A

Élaboration de l’acier et de la fonte

L

e fer est l’un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux autres éléments, sous forme de minerai. Le principal mode de production d’acier est celui des hauts fourneaux qui génère environ 95% de l’offre mondiale. Le mode de fabrication traditionnel (via la fonte) devrait rester la principale source de production d’acier aussi longtemps que le coke métallurgique sera disponible à un coût compétitif.

A.1

Un peu d’histoire

En Europe, la fabrication du fer remonte à 1 700 avant J.C. Depuis les Hittites jusqu’à la fin du Moyen Age, l’élaboration du fer resta la même : on chauffait ensemble des couches alternées de minerai et de bois (ou de charbon de bois) jusqu’à obtenir une masse de métal pâteuse qu’il fallait ensuite marteler à chaud pour la débarrasser de ses impuretés et obtenir ainsi du fer brut, prêt à être forgé. La forge était installée à quelques pas du foyer où s’élaborait le métal. D’abord simple trou conique dans le sol, le foyer se transforma en un four, le “bas-fourneau”, perfectionné petit à petit : de l’ordre de quelques kilos à l’origine, les quantité obtenues pouvaient atteindre 50 à 60 kilos au Moyen Age. On fabriqua aussi dès le début, de petites quantité d’acier, à savoir du fer enrichi en carbone. Un matériau qui se révéla à la fois plus dur et plus résistant. Au XVème siècle, la génération des premiers “hauts fourneaux” de 4 à 6 mètres de haut propagea une découverte fortuite mais majeure : un métal ferreux à l’état liquide, la fonte, qui se prêtait à la fabrication de toutes sortes d’objets (marmites, boulets de canons, chenets, tuyau). La fonte permettait également de produire du fer en abondance, grâce à l’affinage : le lingot de fonte était chauffé et soumis à de l’air soufflé, ce qui provoquait la combustion du carbone contenu dans la fonte et un écoulement du fer goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut. Il faut attendre les grandes inventions du XIXème siècle (les fours Bessemer, Thomas et Martin) pour que l’acier, jusqu’alors fabriqué en faible quantité à partir du fer, connaisse un développement spectaculaire et s’impose rapidement comme le métal-roi de la révolution industrielle.

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Annexe A - Élaboration de l’acier et de la fonte

Au début du XXème siècle, la production mondiale d’acier atteignit 28 millions de tonnes, soit six fois plus qu’en 1880. Et à la veille de la première guerre mondiale, elle grimpa à 85 millions de tonnes. Il existe deux modes de fabrication de l’acier selon que celui-ci est produit à partir du minerai de fer ou provient du recyclage des ferrailles.

A.2 A.2.1

Du minerai de fer à l’acier Une chaîne de montagnes faite de minerais

Pour fabriquer de l’acier, il faut du minerai de fer, du charbon, de la chaux, des ferroalliages : manganèse, aluminium, silicium, chrome, nickel, vanadium, titane qui apportent à l’acier des caractéristiques particulières en fonction de son utilisation. Il faut également beaucoup d’eau pour refroidir les installations car l’acier est travaillé à plus de 1500◦ C. Les matières premières proviennent, pour le minerai : du Brésil, de la Mauritanie, de l’Australie, du Canada ; et pour le charbon : de l’Australie, des USA, du Canada, de la Colombie.

A.2.2

La cokerie

Avec le charbon, on fabrique du coke qui sert de combustible aux hauts-fourneaux pour faire fondre le minerai. On ne peut pas utiliser le charbon directement car il faut le débarrasser de toutes ses impuretés (qui se mélangeraient à la fonte) et de son humidité. Une installation appelée Cokerie a pour but d’effectuer ces opérations : on va distiller le charbon dans des fours pendant 17 heures pour en extraire les matières volatiles.

A.2.3

Le haut-fourneaux

Après avoir été concassé, criblé, puis aggloméré ou bouleté, le minerai de fer va être placé dans un haut-fourneau en couches alternées avec du coke dont le but est de fournir la chaleur adéquate pour l’opération. L’air chaud (1200 ◦ C) insufflé à la base provoque la combustion du coke (carbone presque pur). La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange à base de fer, appelé “fonte”. Une température d’environ 2000◦ C est nécessaire afin que la gangue et le fer fusionnent, après réduction des oxydes de fer du minerai par le gaz issu de cette combustion. Le fer s’alliant au carbone donnera naissance à la fonte. A intervalles réguliers, la fonte et le laitier 1 sont recueillis séparément grâce aux coulées. Le laitier bien qu’inutile lors des opérations suivantes trouvera un débouché dans le secteur du bâtiment et des travaux publics comme revêtement routier. Cette fonte liquide part à l’aciérie dans des wagons spéciaux appelés “poches-tonneaux”, sortes d’énormes bouteilles thermos en forme de cigare capables de maintenir la fonte à température (1500◦ ) pendant plus de 48 heures. C’est à l’aciérie que l’on va transformer cette fonte en acier. 1. Scorie du haut-fourneau, composée de silicates d’alumine et de chaux, nageant sur le métal en fusion.

Technologie de Fabrication

A.2 Du minerai de fer à l’acier

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Figure A.1 – Principes de fabrication de l’acier

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A.2.4

Annexe A - Élaboration de l’acier et de la fonte

Le convertisseur

A l’issue de cette première étape, la fonte est dirigée vers un appareil appelé convertisseur (grosse marmite d’une capacité de 350 tonnes). Il en existe de deux types principaux : celui imaginé par Henry Bessemer vers 1850 et le convertisseur Thomas Gilchrist mis au point en Grande-Bretagne en 1878. Le principe est le même : la fonte est déversée à l’intérieur de la cornue, sur un lit de ferrailles, la conversion se déroule alors à chaud. On insuffle de l’oxygène par des tuyères situées dans le fond du vase. L’oxygène permet la combustion des impuretés contenues dans le métal brut, ainsi que l’élimination d’une partie du carbone par oxydation. La transformation de la fonte en acier a été opérée. Cet acier de base est alors versé dans des poches dans lesquelles sont ajoutées les ferroalliages par un dosage très précis (affinage et mise à nuance). Tout au long de la fabrication de l’acier sont effectuées une multitude de prélèvements pour ajuster les charges en fonctions des analyses.

A.2.5

La coulée continue

Une fois que l’acier souhaité est obtenu, il est coulé dans une lingotière de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué). Le métal commence à former une peau solide dans la lingotière violemment refroidie à l’eau, tiré vers le bas par un jeu de rouleaux, il achève de se solidifier. Il s’agit de solidifier l’acier sous forme d’une longue bande ininterrompue qui sera découpée par des chalumeaux de façon à donner des brames. Une brame est un parallélépipède d’acier d’environ 10 m de long sur 1,50 m de large sur 20 cm d’épaisseur. Elle pèse en moyenne 25 tonnes et sera laminée pour devenir une bobine.

A.3

Deuxième mode de production : la filière électrique

L’ancêtre des fours électriques que l’on connaît aujourd’hui est le four Martin-Siemens (affinage sur sole), système qui n’est plus usité dans le monde qu’en Europe de l’Est pour environ 10% de la production mondiale. Le principe de ce four a été mis en œuvre au XIXème siècle. Ce système a peu évolué jusqu’aux années 1960 où il a commencé à être dépassé par les fours électriques. Dans le cas des four électriques, un “panier à ferrailles”, chargé à l’aide d’un aimant, achemine la matière première jusqu’au four. Le chauffage est assuré par un arc électrique jaillissant entre des électrodes de carbone et les matières placées dans le four. Afin d’améliorer le procédé de base, on a ajouté un insufflement d’air enrichi en oxygène ou d’oxygène pur durant la période oxydante afin d’améliorer et d’accélérer le processus. A la fin du processus, après mise à nuance et affinage, l’acier est coulé en continu sous forme de brames, blooms, billettes, ronds ou de lingots. La matière première enfournée peut aller du matériau brut (par exemple des pièces de machine) dûment sélectionné, jusqu’à la ferraille livrée préparée, triée, broyée, calibrée, avec une teneur minimale en fer de 92 %.

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Annexe B

Élaboration de l’aluminium

M

étal à la fois banal et précieux, l’aluminium est l’un des composants les plus importants de la planète puisqu’il constitue 8% de l’écorce terrestre (troisième derrière l’oxygène (47%) et le silicium (28%)). Il n’existe pas à l’état natif dans la nature, mais se présente contenu dans des minerais sous forme principalement d’oxydes. Il joue un rôle capital dans de nombreux secteurs de l’industrie aérospatiale à la robotique mais aussi dans la haute couture, la bijouterie ou le mobilier contemporain.

B.1

Un peu d’histoire

C’est en 1825 que le chimiste Danois Hans Christian OERSTED isola l’aluminium pour la première fois, par une réaction chimique impliquant un amalgame au potassium. En 1854, en France, Henri Sainte-Claire Deville obtient un métal (Chlorure double d’aluminium et de sodium) réduit par le sodium. Aidé par le soutien financier de Napoléon III, Deville créa une usine expérimentale et exposa l’aluminium pur, sous le nom “d’argile transformée en argent”, à l’Exposition internationale de Paris en 1855. En 1886, Paul Héroult en France et Charles Martin Hall aux États-Unis découvrent, indépendamment, que l’oxyde d’aluminium ou alumine se dissout dans la cryolite 1 et peut être décomposé par électrolyse pour donner du métal brut en fusion. En 1887, le chimiste autrichien Karl Joseph Bayer fait breveter un procédé de transformation. Aujourd’hui, le procédé Paul HEROULT est toujours la méthode fondamentale utilisée dans la production d’aluminium dont l’utilisation est devenue usuelle.

B.2

De la bauxite à l’aluminium

La bauxite est le minerai le plus utilisé pour obtenir de l’alumine, matière intermédiaire nécessaire à la fabrication de l’aluminium. Divers procédés ont été utilisés, à plus ou moins grande échelle, pour extraire l’alumine pure de la bauxite, nécessaire à la fabrication électrolytique de l’aluminium. Tous ont été 1. La cryolite ou cryolithe, est un minéral composé de fluorure double de sodium et d’aluminium, de formule N a3 AlF6 également noté 3N aF, AlF3 . La cryolithe est principalement utilisée pour la production d’aluminium et dans l’industrie des céramiques. Elle a été découverte sur la cote ouest du Groenland. C’est un minéral rare ; aussi, pour faire face aux besoins de l’industrie, la cryolithe est produite artificiellement.

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Annexe B - Élaboration de l’aluminium

détrônés par le procédé de Karl Joseph Bayer, appliqué dès 1893 en France à Gardanne et maintenant utilisé universellement.

B.2.1

Extraction de la Bauxite

La bauxite 2 est formée par l’altération rapide des roches granitiques en climat chaud et humide, c’est pour cela que les principaux gisements de bauxite sont situés dans les régions tropicales. On exploite aujourd’hui la bauxite en grandes quantités en Australie, en Guinée et en Jamaïque. La bauxite contient de 40 à 60% d’oxyde d’aluminium hydraté (alumine) mélangé à de la silice, de l’oxyde de titane et de l’oxyde de fer donnant cette couleur rouge caractéristique. Il en faut environ 4 tonnes pour produire 2 tonnes d’alumine qui donnent 1 tonne d’aluminium.

B.2.2

Élaboration de l’alumine : Technologie du procédé Bayer

Après avoir été broyée, la bauxite est mélangée à une solution de soude à très haute température et sous pression : c’est l’attaque. L’oxyde d’aluminium contenu dans la bauxite se dissout.

Figure B.1 – Principe de fabrication de l’alumine La liqueur obtenue (l’aluminate de sodium : N aAlO2 ) est décantée, filtrée puis refroidie progressivement afin d’obtenir par précipitation de l’hydrate d’alumine. Cet hydrate est ensuite épuré et calciné dans des fours pour obtenir l’alumine (poudre blanche) produit intermédiaire selon la réaction : 2 N aAlO2 + H2 O  Al2 O3 + 2 N aOH aluminate de sodium + eau  oxyde d0 aluminium + soude 2. La bauxite a été découverte par le chimiste Pierre Berthier en 1821 près du village des Baux-deProvence (proche de Marseille en France). Il découvrit la bauxite en cherchant du minerai de fer pour le compte d’industriels lyonnais. Il lui donna le nom de terre d’alumine des Baux. Le nom fut transformé en beauxite par Armand Dufrénoy en 1847 puis en bauxite par Henry Sainte-Claire Deville en 1861.

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B.2 De la bauxite à l’aluminium

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90% de l’alumine est destinée à la production d’aluminium (c’est l’alumine métallurgique). Le reste (alumine technique) est utilisé pour la fabrication de céramiques, de réfractaires et de verre.

B.2.3

Production d’aluminium primaire

L’aluminium est obtenu par électrolyse de l’alumine selon le procédé découvert en 1886, indépendamment et au même moment par le français Paul Héroult et l’américain Charles Hall. Il consiste à réduire par électrolyse de l’alumine dissoute dans de la cryolithe (fluorure double d’aluminium et de sodium) fondue à environ 1000◦ C dans une cuve garnie de carbone (qui sert de cathode) et traversée par un courant électrique de haute intensité 3 . L’aluminium se dépose au fond de la cuve tandis que l’oxygène réagit avec le carbone des anodes pour se dégager essentiellement sous forme de CO2 . Cette combustion du carbone oblige à remplacer régulièrement les anodes. L’alumine se dissocie selon le bilan : Al2 O3 → 2Al3+ + 3O2− et à la cathode, l’aluminium se dépose suivant la réaction : 2Al3+ + 6e− → 2Al L’aluminium liquide se dépose au fond, sur la cathode tandis que l’oxygène réagit avec le carbone des anodes pour se dégager sous forme de CO2 .

Figure B.2 – Principe de fabrication de l’aluminium Les cuves sont entièrement capotées afin de capter les gaz qui s’échappent du bain lors de l’électrolyse (ces gaz contiennent notamment du fluor) et de les envoyer vers un dispositif d’épuration où le fluor est récupéré par fixation sur de l’alumine. 3. De 100 000 à 200 000 Ampères pour maintenir la température de fusion de la cryolite et la fusion de l’alumine.

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B.2.4

Annexe B - Élaboration de l’aluminium

Coulée de l’aluminium liquide

L’aluminium liquide qui se dépose au fond de la cuve lors de l’électrolyse de l’alumine est régulièrement prélevé par siphonage dans une poche, transportée sur un chariot à la fonderie, puis déversée dans un four où se fait la “mise à titre” : on ajoute d’autres métaux dans des proportions précises, pour obtenir des alliages aux propriétés souhaitées.

B.2.5

Obtention des produits

L’aluminium sort de la fonderie sous des formes diverses en fonction de la destination des produits. Les billettes cylindriques forment les armatures routières et ferroviaires. Le fil est dédié aux câbles de distribution d’énergie, aux grillages. Les lingots s’utilisent pour les pièces de fonderies notamment les blocs moteurs. Les plaques de laminage (ou coïl) servent à la fabrication des tôles pour les avions ou les automobiles.

B.2.6

La transformation de l’aluminium, le laminage

Le laminage permet d’obtenir des tôles ou bandes d’aluminium, pour la fabrication de tous les produits alliant la légèreté à de grandes qualités de surface et nécessitant des propriétés mécaniques performantes. Issue de la première fusion ou du recyclage, une plaque d’aluminium fait l’objet d’un premier laminage à chaud puis d’un laminage à froid afin d’obtenir une épaisseur pouvant atteindre 6 microns (papier d’aluminium).

B.2.7

Le traitement de surface

Les traitements de surface de l’aluminium ont pour but d’enrichir l’aspect du métal et de le préserver durablement des effets de la corrosion. Des normes techniques européennes définissent les procédés et les contrôles à effectuer pour avoir des produits de grandes qualités.

B.2.8

La production d’aluminium dans le monde

Depuis le début du XXe siècle, l’industrie mondiale de l’aluminium a connu un développement sans précédent dans l’histoire des métaux : de 2 500 tonnes en 1895, la production annuelle dépasse à présent les 20 millions de tonnes. Elle a doublé tous les 9 ans jusqu’en 1950 où elle a connu son plus grand essor. De nos jours, cette production reste stationnaire.

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Annexe C

Données pour la préparation de la production

A

fin de pouvoir mettre en place des gammes de fabrication et des contrat de phase, il est primordial d’avoir des bases solides sur les machines-outils, les opérations associées, les outils utilisés, etc. Vous trouverez ci-joint des documents issus du Précis de méthode d’usinage et des Mémotech Génie Mécanique et Productique Mécanique qui devraient vous permettre d’acquérir ces bases. Vous trouverez des données sur : — les opérations et les outils de tournage, — les opérations et les outils de fraisage, — les opérations et les outils de perçage, — les outils de brochage, — les opérations et les machines de rectification, — les machines de taillage d’engrenage.

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe C - Données pour la préparation de la production

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Annexe D

Liaison pièce-machine

U

ne fois l’avant-projet d’étude de fabrication (APEF) validé, il faut préparer les contrats de phase et la production en série des pièces. Pour cela, dans un grand nombre de cas, il est nécessaire de fabriquer des portes-pièces spécifiques. Pour concevoir facilement ces portes-pièces 1 , il est nécessaire de connaître un certain nombre de systèmes de base 2 pour pouvoir les réutiliser ou s’en inspirer lors de conceptions futures. Vous trouverez dans les pages qui suivent un certain nombre de ces systèmes de base issus du Précis de méthodes d’usinage.

1. Comme pour les autres types de conceptions... 2. Comme les gammes pour un instrument de musique...

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Annexe D - Liaison pièce-machine

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Annexe D - Liaison pièce-machine

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Annexe D - Liaison pièce-machine

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Annexe D - Liaison pièce-machine

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