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Etude des efforts de coupe et de la rugosité lors de l'usinage du PE80


par Mossaab SELAIMIA
Université 08 Mai 1945 Guelma - Algerie - Licence C.F.A.O 2008
  

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République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministre de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université 08 Mai 1945

Département de Génie Mécanique

Mémoire de projet de fin d'étude licence

Etude des efforts de coupe et de la rugosité lors de l'usinage du PE 80

Parcours : LICENCE C.F.A.O

Présenté par :

SELAIMIA Mossaab Et HIMOUD Khaled

Encadré par : Mr. BELHADI Salim

Mme. KADDECHE Mounia

JUIN 2009

Année: 2008 / 2009

Remerciement

Nous remercions Dieu qui nous a donné la force et la patience nécessaire pour Mener le présent travail à terme.

Nous remercions aussi, nos encadreurs Mr.BELHADI SALIM

Et Mme.KADDECHE MOUNIA .

Nous remercions également tous les enseignants du

Département de mécanique, et tout les étudiants promotion 2009

A touts ceux qui nous ont aidés à réaliser ce travail.

Mercie à tous.........

Dédicace

Dédicace

On dédie ce modeste travail :

A NOS PARENTS

A nos chers frères

Très chers AMIS

pour leurs soutiens et leurs sacrifices.

A tous ceux qui nous ont aidé de prés ou de loin pour la réalisation de ce Travail.

SELAIMIA MOSSAAB

HIMOUD KHALED

Une importante compétition sur les plans technique et économique continue d'opposer les métaux aux matériaux polymères pour la réalisation de pièces multiformes destinées à être utilisées dans des domaines variés comme le secteur de l'automobile, des prothèses biomédicales, de l'aéronautique, des applications électroménagères et autres. Les exigences des stylistes et concepteurs imposent bien souvent des mises en forme très compliquées ayant des cotes extrêmement précises nécessitant, parfois, une fabrication de petites séries comme le cas des coudes de diamètres importants.

Les polymères présentent l'avantage d'être mis en oeuvre plus facilement lors de la production par moulage ou par extrusion. Cependant, après moulage les pièces polymériques peuvent encourir la probabilité de voir leur structure se transformer par cristallisation en quelques jours, notamment en surface, et les cotes peuvent ne plus être dans la tolérance prévue par le design. Ainsi, les techniques de mise en forme et de fabrication doivent être impérativement adaptées aux comportements spécifiques du polymère pour l'application désirée. Comme les polymères usuels ne sont généralement pas conducteurs électriques, l'usinage par électroérosion n'est donc plus possible. D'autre part, l'usinage par ultrasons convient aux métaux durs, ce qui n'est pas le cas des plastiques. Cela limite les procédés à l'usinage conventionnel, souvent qualifié d'usinage par enlèvement de copeaux et à la découpe par laser ou au jet d'eau.

Cette étude expérimentale est conçue dans le but d'établir une loi de prédiction de la rugosité de la surface obtenue en fonction des paramètres du régime de coupe et d'étudier l'évolution des efforts de coupe lors de l'usinage des tubes en HDPE-80.

I.1. Définitions :

Les polymères, appelés aussi matières plastiques ou simplement plastiques, sont des matériaux organiques composés essentiellement d'atomes de carbone et d'hydrogène. La plupart des polymères sont élaborés à partir d'un ou de deux types de monomères seulement. Les composés macromoléculaires sont respectivement appelés homo ou copolymères [1].

Une macromolécule correspond à un enchaînement d'une multitude de monomères liés de façon covalente. Le terme polymère est plutôt réservé pour définir le matériau obtenue de manière naturelle ou par synthèse organique. Le terme plastique souligne plus fortement le caractère de matériau de synthèse fini (à partir duquel des pièces sont produites selon des technologies spécifiques) ; il définit moins la structure du matériau et les réactions requises pour son élaboration [2].

I.2. Classification des polymères :

On peut classer les matériaux polymères suivant différents critères. Le point de vue thermique conduit au classement des matériaux polymères organiques en matériaux thermoplastiques et matériaux thermodurcissables. Le point de vue mécanique introduit les notions de solides viscoélastiques et d'élastomères. On peut aussi examiner le matériau en s'intéressant à sa structure physique ou à sa structure chimique : dans le premier cas, les notion de matériau semi-cristallins et de matériau amorphe sont introduites ; dans le second, c'est la structure moléculaire en chaîne d'atome qui est à prendre en considération [3].

I.2.1. Point de vue thermomécanique :

* Les thermoplastiques :

Les thermoplastiques sont constitués de macromolécules linéaires ou ramifiées, liées entre elles par des liaisons physiques. Ces matières sont solides à température ambiante. Elles se ramollissent à la chaleur jusqu'à un état plastique dans lequel elles se laissent comparativement plus facilement déformer. Ce processus est réversible, c'est-à-dire que les thermoplastiques se rigidifient de nouveau au refroidissement. Selon la régularité de leur chaîne, ces polymères peuvent cristalliser (thermoplastiques semi-cristallins) ou non (thermoplastiques amorphes) [2].

Ce qui caractérise un matériau thermoplastique est la possibilité, après avoir subi une histoire thermomécanique, d'être ramené par des moyens physiques à l'état initiale. [3].

** Les thermodurcissables :

Les matières thermodurcissables diffèrent nettement des matières thermoplastiques, non seulement du point de vue de structure chimique, mais aussi des technologies de mise en forme requises. Les principaux représentants de la famille des thermodurcissables sont les polyesters insaturés (UP), les époxydes (EP), les phénoplastes (phénol-formaldéhyde PF, notamment), les aminoplastes, les acrylates et les silicones (SI). Ces matières trouvent des applications, en particulier après renforcement par des fibres, pour l'élaboration d'équipements industriels et sportifs, mais aussi dans la construction aéronautique et d'engins spatiaux.

Les thermodurcissables sont stables même à des températures relativement élevées et présentent en générale une bonne tenue vis-à-vis des milieux agressifs. Ils ne peuvent jamais revenir à l'état initiale quand leur température a été augmentée.

***Les élastomères :

Les polymères de la 3éme famille, celle des élastomères, se distinguent par les faibles valeurs des forces d'attraction entre les chaînes et de leurs modules élastiques (à température ambiante) et par leur capacité élevée de déformation (quelque centaine de pour cent) [4].

Les élastomères sont des composés macromoléculaires dont les propriétés sont étroitement liées à leur nature chimique et au caractère aléatoire de la distribution des chaînes moléculaires. Le caoutchouc naturel et les caoutchoucs synthétiques appartiennent à cette famille.

I.2.2. Point de vue de la structure physique :

* Polymère amorphe:

L'état amorphe des matériaux polymères est caractérisé par l'absence d'ordre à grande distance. Il n'y a pas de distance constante entre les macromolécules et aucune régularité dans l'arrangement et l'orientation, et ceci en raison de la structure et de la disposition aléatoire des chaînes individuelles.

La structure des macromolécules dans les états physiques solide (vitreux) et liquide étant très semblable pour les matériaux amorphes. Pour une phase cristalline au contraire, un nouvel arrangement ordonné des macromolécules les unes par rapport aux autres est crée au refroidissement de la matière fondue (cristallisation).

Les macromolécules dans la conformation de types pelote statistique peuvent, selon les conditions auxquelles elles sont soumises, s'entrelacer, s'enchevêtrer, mais aussi créer des noeuds chimiques (réticulation) à certain endroits (figure 1) [2].

Exemple :PVC, PS,, PMMA, SAN Exemple :NR, SBR, PUR

Figure1 : Interpénétration de structure en pelote [2].

** Polymères Semi-Cristallins :

Dans un polymère cristallisé les molécules sont serrées les unes contre les autres et parfaitement ordonnées dans des lamelles cristallines. Généralement les polymères semi-cristallins présentent une alternance de plaquettes de phase amorphe et de phase cristalline appelée structure lamellaire.

Cependant certains matériaux polymères, tel que le polyéthylène, peuvent présenter localement une organisation macromoléculaire qui se répète sur une distance telle qu'elle rappelle la structure cristalline des solides métalliques.

A partir des études en laboratoire sur les monocristaux de polyéthylène, la cristallisation résultait de l'organisation en parallèle de segments de macromolécules. Elle se replient sur elles-mêmes et peuvent ainsi participer à l'édification de lamelles d'épaisseurs assez constante (quelques dizaines de nanomètres).

Figure 2 : Un monocristal de PE à partir d'une solution de glycérol [4].

Les polymères semi-cristallins sont utilisés à une température qui se situe entre la température de transition vitreuse de leur phase amorphe et la température de fusion, de leur phase cristalline. Ceci permet de profiter de la souplesse de la phase amorphe et de la rigidité de la phase cristalline.

I. 3. Elaboration des polymères:

La nature des polymères conditionne leur mode d'élaboration. Même si plusieurs voies sont chimiquement et économiquement possibles, la liberté du choix de la méthode de la mise en oeuvre est restreinte. Pour un objet thermoplastique, il est rarement possible d'effectuer la polymérisation dans le moule à partir des monomères, alors qu'un thermodurcissable nécessite toujours que la chimie terminale soit faite lors de la mise en forme. Ces contraintes font qu'entre le début des opérations de synthèse et la mise en forme du matériau en objet il va falloir passer par des étapes intermédiaires. Les substances de base nécessaires à l'élaboration des matières plastiques peuvent, à priori, être choisies dans les trois origines de la nature (animale; végétale et minérale) [5].

Actuellement les matières plastiques sont essentiellement produites à partir de la pétrochimie (on pourrait également utiliser la carbochimie, mais il est plus facile d'utiliser directement un liquide ou un gaz). On opère suivant le cycle représenté dans la figure 3.

Figure 3: Grandes étapes de la fabrication des plastiques [5].

A partir de naphta, le producteur de plastiques prépare par vapocraquage (ou reformage) les rands intermédiaires de la pétrochimie, dont les monomères qui, sous l'effet de pression, température, catalyseurs... deviendront des polymères (polycondensats), qui constituent les matières plastiques proprement dites, que l'on utilisera dans la transformation. On passe du monomère au polymère (combinaisons de monomères) de trois façons : par polymérisation; par polycondensation et par polyaddition.

I.4. Le matériau polyéthylène:

I.4.1. Structure et propriétés:

La polymérisation de l'éthylène produit un hydrocarbure à chaîne essentiellement droite et à masse molaire élevée. Les polyéthylènes (PE) possèdent l'une des structures chimiques les plus simples de tous les polymères. C'est des matériaux thermoplastiques semi cristallins qui représentent un enchaînement de groupe (CH2-CH2). Ils sont obtenus par polymérisation d'éthylène gazeux. Ce dernier est polymérisé en présence d'un comonomère (butène, pentène, hexène, octène...etc.). Divers procédés sont utilisables pour cette polymérisation, au nombre desquelles nous citerons : la déshydratation de l'alcool éthylique sur l'alumine, la hydrogénation de l'acétylène et le cracking des hydrocarbures aliphatiques se trouvant dans le naphta (pétrole brut) et les gaz naturels. Cette dernière s'effectue à haute température, vers 800°C. L'éthylène doit être soigneusement purifié, pour le débarrasser de diverses impuretés gazeuses comme : CO, CO2, N2, NH3, S...qui pourraient jouer le rôle d'inhibiteurs de polymérisation, en rompant les chaînes de polymère, au fur et à mesure de leur formation.

D'après la norme américaine ASTM D1248, les polyéthylènes sont classifiés comme suit : les PE qui ont les densités comprises entre 0.910 g cm-1 et 0.925 g cm-1 sont de type I ; polyéthylène à basse densité. La rangée de 0.926 à 0.940 est le type II, polyéthylène moyenne densité. Les rangées de 0.941 à 0.959 sont classifiées sous le type III et +0.960 comme type IV, sont appelées polyéthylène haute densité. Cette classification est devenue fondamentale dans l'industrie des tubes [5].

Le polyéthylène à basse densité (LDPE) possède un plus grand nombre de ramifications, ce qui produit une structure moléculaire moins compacte.

Le polyéthylène à haute densité (HDPE) possède peu de ramifications, ce que le rend plus rigide et moins perméable que le LDPE.

Le polyéthylène à basse densité linéaire (LLDPE) combine la dureté du polyéthylène à basse densité avec la rigidité du polyéthylène à haute densité.

Le polyéthylène à haute densité réticulé (XLPE) est une forme de polyéthylène à haute densité dans lequel les chaînes moléculaires individuelles sont liées les unes aux autres pour former un polymère tridimensionnel à la masse molaire extrêmement élevée.

Dans ce thème, on est intéressé par les polyéthylènes de haute densité. Ces polyéthylènes (PEHD) sont des polymères non ou très peu branchés, courts ou longs, fabriqué surtout à basse et moyenne pressions par amorçage ionique. Par rapport aux PEBD, les matériaux au PEHD ont une rigidité, une résistance mécanique et un point de fusion supérieurs, mais ils présentent une résistance plus faible à la fissuration provoquée par l'environnement. La formule chimique du PEHD est de la forme [6] :

La Figure 4 représente le modèle d'un segment macromoléculaire de polyéthylène de haute densité; la chaîne est dans la réalité environ dix fois plus longue. Les atomes d'hydrogène (blancs) sont liés latéralement aux atomes de carbone (noirs), ce qui confère une allure en zigzag à la macromolécule.

En l'absence de contraintes, le polyéthylène haute densité peut supporter une température de 110 à 120°C, stérilisation par exemple, cette température décroît sous charge et augmente avec la réticulation. Le passage de la température de transition vitreuse est d'autant moins sensible que le polyéthylène est plus cristallin. La fusion des polyéthylènes est étalée. La température de fusion augmente avec la masse volumique. Ils brûlent avec une flamme bleutée et ils « gouttent ». La sensibilité dimensionnelles est indépendante de la reprise d'humidité très faibles <0.2% [5].

Figure 4 : Structure macromoléculaire du polyéthylène linéaire (PE-HD) [1].

a) Schéma de la structure d'une chaîne et disposition spatiale des atomes.

b) Modèle d'un segment macromoléculaire.

Les propriétés importantes de ces types sont rassemblées dans le Tableau I.

Tableau I: Propriétés mécaniques et thermiques des polyéthylènes [7].

Les propriétés des polyéthylènes dépendent des paramètres structuraux comme la cristallinité, la masse volumique et la distribution des masses molaires, de la conception de la pièce et des conditions d'utilisation comme la durée des charges appliquées, la nature des contraintes de sollicitation et la température. Le HDPE est un polymère semi-cristallin. L'introduction de branchements courts dans la chaîne carbonée, favorisant l'encombrement stérique, abaisse la masse volumique du HDPE et sa cristallinité.

I.4.2.Mise en oeuvre du PE:

Pendant la mise en oeuvre, le polymère est mélangé à différents produits (stabilisants, lubrifiants, plastifiants, charges..) pour élaborer une formulation qui se présente le plus souvent sous forme de poudre ou de granulés. Cette formulation est ensuite fondue (cas des polymères semi-cristallins) ou plastifiée (cas des polymères amorphes), à la fois par conduction thermique depuis les parois de l'outillage de mise en forme et par dissipation d'énergie mécanique. Cette matière thermoplastique très visqueuse est ensuite forcée dans un outillage qui va donner une première forme au produit (tube, jonc, film...), elle est en suite mise en forme est alors refroidie, dans certain cas étirée ou bi étirée, pour obtenir le produit final.

Etant donné leur faible conductivité thermique et leur viscosité élevée, les matériaux polymères ne se laissent pas mettre en oeuvre comme des matériaux traditionnels. Il faut en effet provoquer leur fusion, puis les mettre sous une pression suffisante pour pouvoir les forcer au travers des outillages de mise en forme.

Les machines d'extrusion (Figure 5) sont des équipements de mise en oeuvre les plus utilisés et au travers desquelles, la plus grande quantité de matières thermoplastiques est mise et forme. Les éléments actifs de ces machines sont une ou plusieurs vis enfermées dans un Foureau, dont la température peut être contrôlée par des éléments chauffants et refroidissant. Ces vis sont entraînées par un moteur électrique (parfois hydraulique) à vitesses variables au travers d'un réducteur et d'un dispositif d'accouplement [5].

Le PEHD peut être transformé par d'autres techniques :

* Extrusion de films par technique ''Chill - Roll'';

* Production de fils et de fibres à partir de film extrudé - soufflés (fibrillation) ;

* Production de fils par filage.

Pour plus d'informations le lecteur pourra consulter l'ouvrage [7].

Figure 5: Représentation d'une installation d'extrusion des tubes [5].

I.5. Application des plastiques en tuyauterie:

Les tuyaux plastiques ont été utilisés pour la première fois par les Allemands, au milieu des années 1930, dans des réseaux sanitaires d'évacuation. Leur emploi est maintenant très diversifié et largement répandu dans les pays industrialisés [6]. Le transport souterrain de l'eau et d'égout a connu plutôt le béton, l'argile vitrifiée et l'acier. Cependant, il y a une grande variété de tubes plastiques souterrains comme le PVC et le polyéthylène à haute densité. Une autre application concerne le transport d'eau chaude est le (XPE). Ce dernier est un tube extrudé en polyéthylène réticulé utilisé pour le transport d'eau chaude.

Les plastiques sont les tubes de choix pour les lignes de distribution de gaz à basse pression. Tandis que les composites et les plastiques sont employés pour les lignes d'écoulement, de collecte et de distribution. Actuellement, ils sont acceptés dans les systèmes de transmission à haute pression de gaz naturel pour des états d'étude. En raison de la facilité d'enroulement en plus petits diamètres et de transport, les composites et les plastiques sont un produit de substitution économique pour le tube d'acier. Cependant il y a eu un essai limité d'un mélange d'acier/composite dans une application de canalisation à transmission de gaz naturel. Les résultats de cette recherche indiquent qu'il y a quelques obstacles qui doivent être franchi pour fabriquer un tube de composite à grand diamètre comme un choix permanent pour le transport du gaz naturel à haute pression dans l'avenir [6]. Le Tableau II donne les propriétés des plastiques et des matériaux traditionnels employés en tuyauterie.

Tableau II : Propriétés des plastiques et des matériaux traditionnels employés en transport de fluides [5].

La discipline du développement technologique des canalisations de gaz exige l'amélioration continue sur plusieurs fronts. Les chercheurs prévoient un futur où les systèmes de gaz sont plus fiables, et plus économiques que ceux d'aujourd'hui. Afin de réduire le coût et d'améliorer l'efficacité du contrôle de fuite de gaz naturel, GRI (Gas Research Institute) a étudié l'utilisation de capteurs sensibles à distance, et des techniques de formation d'image de fuite par laser qui tirent profit des propriétés spectrales infrarouges d'absorption du gaz naturel. Des systèmes prototypes ont été établis et ont montré l'efficacité de ce procédé. D'autres chercheurs ont réussi de fabriquer un matériau magnétique pour des tubes de PE. Cette technologie facilite la localisation ainsi que l'installation des canalisations. En ce qui concerne le contrôle des réseaux, plusieurs méthodes de détection ont été développées parmi lesquelles on cite brièvement : techniques basées sur l'emploi de satellite afin de détecter les éboulements potentiels qui sont dangereux ; appareillage de contrôle de pression qui fournit une méthode simple et beaucoup plus rapide pour surveiller et enregistrer l'évolution de la pression, le temps et la température dans un trancon de canalisation. Pour la préparation en "direct" des lignes de gaz à l'intérieur du tube, un système robotique automatisé est développé et manipulé à distance économisant le temps et assurant la sécurité des personnes [6].

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