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INTRODUCTION L’évolution des techniques d’usinage a conduit ces dix dernières a

INTRODUCTION L’évolution des techniques d’usinage a conduit ces dix dernières années à développer un nouveau concept de production qui permet d’accroître la productivité : l’Usinage à Grande Vitesse (UGV). Les caractéristiques thermomécaniques sont encore plus prépondérantes dans une opération UGV que lors d’un usinage conventionnel. C’est pour cela que les principaux axes de recherches scientifiques sont très orientés UGV. L’opération d’usinage consiste à enlever de la matière par l’intermédiaire d’un outil coupant. La pièce (en tournage) ou l’outil (en fraisage) sont entraînés en rotation. Avec un mouvement de l’outil combiné d’avance, l’enlèvement de matière se produit alors à l’interface de la pointe de l’outil et de la pièce à usiner (enlèvement de copeaux). L’Usinage Grande Vitesse se caractérise par des vitesses de coupe élevées (vitesse relative de l’outil par rapport à la pièce). Ces grandes vitesses engendrent un phénomène de coupe spécifique. En augmentant la vitesse de coupe au-delà des limites de vitesse de l’usinage conventionnel, on commence par traverser une zone de vitesses inexploitables dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l’outil, mauvais état de surface...), puis on arrive dans le domaine de l’UGV où les conditions de coupe sont excellentes. La limite entre les zones est arbitraire et dépend des matériaux usinés. La modélisation de ces phénomènes, dans une optique de prédire les opérations d’usinage, reste très délicate à mettre en œuvre en fonction des objectifs que l’on se donne, notamment si l’on se préoccupe des détails à l’échelle microscopique. En effet, des sollicitations thermiques sont générées lors de la coupe par l’auto-échauffement au sein du matériau de la pièce et par les frottements à l’interface outil/pièce. En usinage conventionnel, l’énergie calorifique s’évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l’outil dans des proportions non négligeables. Ainsi, le matériau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) qui modifie les caractéristiques de la pièce finie. En UGV, la nature de la formation du copeau est différente et l’énergie de la coupe s’évacue à plus de 80 % dans les copeaux. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre le copeau et la pièce n’ont plus le temps d’avoir lieu : celle-ci reste pratiquement à température ambiante. Evolution de l’usinage Certains auteurs font remonter l’origine de l’usinage à grande vitesse (UGV) aux années 1920, mais je préfère la situer dans les années 1930 où le professeur Carl Salomon démontra par un brevet allemand déposé en 1931 « qu'à partir d'une certaine vitesse de coupe (de 5 à 10 fois supérieure à celles utilisées en usinage conventionnel) la température au niveau de l'arête de coupe commence à diminuer … » if fut donc le premier à jeter les bases essentielles d’un concept fondamental à savoir la modification de la répartition des énergies thermiques de coupe avec l’accroissement de la vitesse de coupe : « À grande vitesse, la chaleur engendrée par le cisaillement du copeau est évacuée totalement par celui-ci ; elle ne peut se propager à la pièce ». C’est aussi à cette époque, qu’apparaissent les premiers outils en carbure de tungstène et si l’on compare les performances de ces outils à celles qu’offrent t les aciers au carbone, les stellites ou les aciers rapides, on aurait pu déjà parler d’usinage à grande vitesse . De nombreux essais d’enlèvement de copeaux à grande vitesse ont été conduits à partir des années 1950 sur la base de procédés balistiques : tir au canon ou au fusil de l’outil sur l’éprouvette ou inversement. Les résultats obtenus montraient une formation nouvelle du copeau et l’évolution favorable des efforts de coupe remettait en question le principe de cisaillement et donnait l’espoir d’améliorations considérables de productivité à condition d’obtenir la maîtrise des durées de vie des outils. Même si ces études révolutionnaires restent d’actualité, ce n’est pas sur leurs résultats que se fonde l’émergence actuelle de l’UGV mais plutôt sur des évolutions : — qui concernent tous les éléments entrant dans la définition d’une opération d’usinage : les machines, les outils, les éléments intermédiaires et leurs attachements, etc. ; — qui laissent la physique de l’usinage dans le domaine de l’enlèvement de matière par cisaillement. Mais il est clair que l’augmentation des vitesses de coupe et l’accroissement correspondant des températures de coupe ont une influence considérable sur le matériau usiné et on observe : — une « compétition » entre un adoucissement lié à la température et un phénomène d’écrouissage ; — des changements de phases qui se manifestent, par exemple, par l’apparition de bandes blanches aux plans de cisaillement. Quant aux efforts et énergies de coupe, nous verrons plus loin qu’ils varient peu avec la vitesse dès que l’on sort de la zone de copeau adhérent, c’est-à- dire bien en dessous des vitesses considérées comme appartenant au domaine de l’UGV. Actuellement de nombreux laboratoires travaillent sur le sujet. On a pu en effet constater une baisse relative de la température au niveau de l'arête de coupe à partir de certaines vitesses de coupe dans diverses matières. Cette baisse est faible dans les aciers et les fontes et plus importante dans l'aluminium et autres matériaux non ferreux. La définition de l'UGV se base donc sur d'autres facteurs. Bien qu’il ne faille pas confondre les notions de vitesse de coupe, de temps de production et de coût de fabrication, il faut constater leur étroite corrélation. De ce fait la recherche de la rentabilité économique pousse la recherche technologique qui ne se limite pas, loin s’en faut, au seul domaine des outils ; les matériaux usinés, les machines-outils, les processus de fabrication et finalement la conception des produits fabriqués évoluent de manière rapide et spectaculaire. L‘usinage à grande vitesse (UGV) est donc présenté comme le « fruit » de cette merveilleuse découverte du professeur Salomon: si l’on augmente les vitesses de coupe au-delà des limites habituelles, on commence par traverser une zone de vitesses inutilisables poétiquement baptisée « vallée de la mort ». Ensuite, on entre dans un paradis de l’usineur ; les énergies et les efforts spécifiques de coupe diminuent, les états de surface deviennent excellents, les durées de vie des outils augmentent pour devenir largement supérieures aux durées obtenues en usinage conventionnel. Définition de l'UGV Le terme d'Usinage Grande Vitesse (UGV) fait souvent référence à l'usinage avec vitesses de broche et avances élevées. Il peut s'agir par exemple d'usinage dans des structures d'avion en aluminium avec d'importants débits copeaux. On utilise cette technique dans une large gamme de matériaux à usiner, métalliques ou non, y compris pour la production de pièces ayant des exigences d'état de surface spécifiques ou pour des matériaux d'une dureté de 50 HRC ou plus. Dans les domaines de l'outillage, la plupart des pièces en acier étant trempées à environ 32-42 HRC, les opérations rencontrées le plus souvent sont les suivantes :  Ebauche et semi-finition de la pièce.  Traitement thermique pour obtenir la dureté voulue (= 63 HRC)  Usinage d'électrodes et enfonçage par EE de certaines parties des matrices ou des moules (en particulier pour les petits rayons et les cavités profondes difficilement accessibles aux outils coupants)  Finition et superfinition de surfaces cylindriques/planes/concaves avec des outils de coupe appropriés en carbure, cermet, céramique mixte ou nitrure de bore cubique polycristallin (CBN). Pour de nombreuses pièces à usiner, le processus de production implique une combinaison de ces différentes opérations et dans le cas des moules et matrices, il comprend également une longue finition manuelle. Il en résulte des coûts de production souvent élevés et des en-cours importants. De plus ces opérations de polissage nécessitent un personnel hautement qualifié. Personnel qu'il n'est pas toujours facile de trouver. Avec des cycles de formation longs. L'industrie des moules et matrices se caractérise souvent par la production d'un nombre limité de pièces de même type, voire une production à l'unité. La conception de ces pièces est soumise à des changements perpétuels et, de ce fait, il est souvent nécessaire de procéder à modifications de dernière minute voir à des réusinages complet de certaines parties. Le principal critère est la qualité de la matrice ou du moule en matière de précision dimensionnelle, géométrique et état de surface. Si le niveau de qualité après usinage est faible et s'il ne répond pas aux critères imposés, il faudra avoir recours à une finition manuelle. Cette dernière engendre un état de surface satisfaisant mais a toujours un impact négatif sur la précision dimensionnelle et géométrique. Un des principaux objectifs de l'industrie des moules et matrices a toujours été de réduire, voire d'éliminer, le recours au polissage manuel et par là d'améliorer la qualité et de diminuer les coûts de production et les en-cours. L’UGV recouvre l’ensemble des technologies d’usinage dans les domaines des vitesses de coupe et des vitesses de rotation de broches élevées et supérieures aux vitesses considérées « actuellement » comme industriellement maîtrisées. Ainsi, dès les années 70, en fabrication aéronautique (usinage des structures intégrales), le surfaçage des panneaux en alliage léger, requérant des fraises-tourteaux de diamètre 300 à 400 mm tournant uploads/Industriel/intro 1 .pdf