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

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

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II.3. Comportement des polymères vis avis de l'usinage:

Le point de fusion et la conductibilité thermique des plastiques, en général, sont des valeurs inférieures à celles des métaux et il est donc nécessaire de limiter au minimum la chaleur engendrée en diminuant la friction. Des outils émoussés ou bien des tranchants qui raclent plutôt qu'ils ne coupent provoquent un dégagement de chaleur excessif, qui risque de générer des contraintes internes préjudiciables à géométrie et à la fiabilité de la pièce finie. Les arrêtes des outils doivent donc être toujours parfaitement affûtées et la dépouille doit être suffisante pour garantir que seul l'arête de coupe soit en contact avec la pièce usinée. On obtient généralement les meilleurs résultats en travaillant à très grandes vitesses avec une faible avance et des outils bien affûtés et lisses. Pour les pièces de faibles sections, une passe trop profonde est susceptible de provoquer son fléchissement. L'utilisation d'une lunette est conseillée pour les pièces assez longues, et pour les plastiques ayant un point de fusion bas, la lunette sera équipée de galets car des sabots risqueraient de porter la pièce en fusion. L'emploi d'un fluide de refroidissement est indispensable pour la réalisation de ces pièces.

Lors du tournage de pièces de précision, il faut éviter soigneusement toute surchauffe de la pièce tournée, faute de quoi on s'expose à réaliser une passe excessive due à la dilatation thermique de l'ébauche. Les mesures des pièces doivent toujours être effectuées à température ambiante, car le coefficient de dilatation dans le cas des plastiques est parfois jusqu'à 10 fois supérieure à celui de l'acier [12]. Dans ces cas, on peut également travailler avec refroidissement par fluide, quoi que, par ailleurs certains plastiques se travaillent aussi bien sans refroidissement.

Parmi les caractéristiques des polymères qui ont une influence sur les opérations d'usinage on peut citer [13] :

II.3.1 La dilatation et la conductivité thermique : Les matières plastique non chargées ont des coefficients de dilatation thermique généralement compris entre 50 et 200 m/m.k. ce sont des matériaux isolants, la combinaison de ces deux caractéristiques, fait que la chaleur engendrée par l'opération d'usinage reste concentrée sur la zone usinée et entraîne une déformation thermique importante, voire un risque de dégradation thermique.

II.3.2 Le module d'élasticité et la dureté : Les plastiques sont très souples par rapport aux aciers (modules compris entre 1000 et 2000 Mpa) et beaucoup moins durs ce qui impose, par exemple, des précautions de serrage particulières pour ne pas déformer la pièce ni en marquer la surface.

II.3.3 Les contraintes internes: Les pièces plastiques contiennent souvent des contraintes internes après moulage, dues, en particulier, au retrait de la matière passant de l'état liquide à l'état solide. Il arrive fréquemment que l'usinage modifie la répartition de ces contraintes. Dans l'étude [14] il a été prouvé que le tournage préserve la rigidité mais perd beaucoup sur óf et óy. Des précautions doivent par conséquent être prises pour qu'il n y ait pas d'accumulation de contraintes susceptibles d'entraîner des fissurations. Un des remèdes peut être de pratiquer un requit des pièces après moulage. La vitesse de refroidissement est un élément essentiel pour réduire les contraintes internes. Plus la température de recuit est élevée, plus la baisse de température doit être lente. Parfois, l'usinage est réalisé après dégrossissage d'une ébauche. Dans ce cas, l'ébauche est généralement sans contraintes internes car celles-ci sont libérée lors du dégrossissage.

II.3.4 L'usure des outils: Une grande partie des plastiques non chargés ont un comportement autolubrifiant et ne créent pas d'usure importante des outils. Par contre, Ceux qui comportent des charges minérales (verre) ont tendance à accentuer l'usure des outils traditionnels d'usinage par enlèvement de copeaux.

II.3.5 L'hygrométrie: Certains polymères absorbent un taux important d'humidité (polyamide, par exemple). Les phénomènes d'absorption ne sont pas instantanés mais se produisent au bout de quelques minutes, voire de quelques heures. Cela modifie les caractéristiques mécaniques et dimensionnelles. Cette évolution entre l'instant où on usine le polymère (échauffement donc séchage) et celui où on l'utilise (ambiance humide éventuellement donc dimensions différentes). Il faut donc tenir compte du comportement du polymère en présence d'humidité, de la présence ou non d'un liquide de refroidissement, de l'ambiance hygrométrique de l'atelier, du fait que l'échauffement dû à l'usinage va sécher le matériau en surface, etc....

II.3.6 L'électrostatique: Certains plastiques développent des charges électrostatiques superficielles importantes par frottement, qui attire les copeaux ou la poudre issus de l'usinage.

II.4. Conditions d'usinage du polyéthylène de haute densité :

Les matériaux d'outils peuvent être en acier rapide qui sont les moins chers à l'achat. Ils ont une durée de vis moins longue, surtout avec les matériaux renforcés de fibre de verre. Les carbures, qui ont une plus grande résistance à l'abrasion que les aciers rapides et ils ont un bon rapport prix/usure. Pendant l'usinage, Parfois le refroidissement n'est pas nécessaire. C'est le cas de certains usinages de matières plastique à faible coefficient de frottement, par exemple polyéthylène. La précaution essentielle consiste à éviter toute déformation. Il faut penser aussi que l'effort d'usinage est inférieur à celui nécessaire pour usiner une pièce similaire en acier ; il n'est donc pas nécessaire de serrer la pièce avec le même effort. Ce qui nous à pousser d'utiliser des montages spéciaux ; pour l'alésage en à pénétrer notre tube dans tube en acier, pour éviter toute déformation, pendant l'usinage et surtout à faible épaisseur, par contre pour le chariotage en à utiliser un mandrin en bois. Les mesures des cotes doivent toujours être effectuées après retour de la pièce à la température ambiante. Une tolérance de 0.1 à 0.2% de la cote nominale est accessible sans précautions spéciales.

La Figure (9) définit différent angle d'un outil de tour, les autres paramètres de coupes sont illustrés sur le Tableau (III).

Figure 9 : Géométrie type d'un outil de tournage [5].

Tableau III : Tournage du polyéthylène [15].

II.5. Les efforts de la coupe :

Les efforts de coupe sont à l'origine des déformations plastiques et donc des élévations de température qui se produisent au cours de la coupe. Pour toutes autres conditions de coupe égales, l'augmentation de la vitesse de coupe ne s'accompagne pas d'une variation notable des efforts de coupe (10% de baisse environ), alors que l'augmentation de la vitesse d'avance entraîne une augmentation de la valeur de l'effort tangentiel (relation linéaire: l'effort double environ quand la vitesse d'avance double).

II.5.1. Définition et intérêt de leur mesure :

Le tournage longitudinal donne lieu à un effort de coupe dont la décomposition dans trois directions privilégiées peut servir de base à la définition des efforts de coupe pour toutes les opérations d usinage [16].

Ø Fz : composante dans le sens de la vitesse de coupe, appelée effort tangentiel ou effort principal de coupe.

Ø Fx: composante dans le sens de l avance, appelée effort d'avance ou effort axial en tournage, joue un rôle fondamentale dans le processus de coupe.

Ø Fy : composante dans le sens perpendiculaire aux deux autres, appelée effort de refoulement ou effort radial, n'a qu'une importance secondaire est disparaît dans le cas de coupe orthogonale pure.

Fz

Fy

Fx

Figure 10 : Les composantes de l'effort de coupe.

La connaissance des efforts de coupe est à la base de puissance nécessaire à la coupe. Quand on veut connaître le rendement mécanique d une machine outil, on a besoin de savoir quelle est la puissance prise à l outil, et donc d avoir des renseignements sur les efforts de coupe.

La valeur des efforts de coupe sert aussi à dimensionne les organes de machine et à prévoir les déformations des pièces. Elle intervient dans la précision d'usinage, dans les conditions d'apparition des vibrations, au broutage, et indirectement dans la formation de l'état de surface.

Enfin, les efforts de coupe, étant en relation avec les propriétés mécaniques du métal, dans le processus de formation du copeau.

Les formules empiriques les plus utilisées pour le calcul pratique sont les suivantes [17]:

Fz = C1 PX 1. ay1. Vn 1. KV (3)

Fy = C2 PX 2. ay 2 . Vn 2. KP (4)

Fx = C3 PX 3. ay 3. Vn 3. Ka. (5)

Avec:

Les coefficients C1, C2, C3 sont des constantes qui dépendent des propriétés mécaniques du métal à usiner et conditions de son usinage.

Les coefficients KV, KP, Ka se sont les coefficients correctif relatif aux conditions d'usinage concrète.

Les coefficients X1,2,3 , y1,2,3 , n1,2,3 se sont des exposants qui caractérise le degré d'influence des paramètres p,a , v sur les forces de coupes Fz , Fx , Fy.  

II.5.2. Influence des différents facteurs sur les composantes de l'effort de coupe :

- Les propriétés mécaniques du matériau à usiner :

La valeur de réaction Fz , Fx , Fy est proportionnelle à la charge rupture à la traction Rt et à la dureté HB du métal à usiner.

- Influence de la profondeur de passe et l'avance:

Avec l'augmentation des ces deux facteur, la section droit du copeau s'accroît, de même que le volume du métal déformé, il en résulte que le métal résiste plus à la formation du coupeau et la valeur des composantes Fz , Fx et Fy nécessaire pour assurer la coupe est plus importante. En chariotage, la profondeur de passe intervient d'une manière plus accentuée sur les efforts de coupe que l'avance.

- Influence de la vitesse de coupe : On peut distinguer 03 zones (Figure 11) ;

Ø Zone A : diminution de F avec les vitesses bases due à une diminution de frottement copeau - outil.

Ø Zone B : l'apparition de l'arrête rapportée provoque une augmentation des frottements et par suite de l'effort tangentiel de coupe.

Ø Zone C : La VC augmente arête rapportée diminue. L'effort tangentiel de coupe F diminue et se stabilise vers 200m/min.

Figure 11 : Influence de la vitesse de coupe sur l'effort de coupe.

- Influence de l'angle d'attaque ( ) :

Lorsque () est négatif l'effort tangentiel de coupe est important au fur et à mesure que augmente, l'effort de coupe diminue et prend une valeur stable à partir de 30° (Figure 12) : Petit est grand la résistance imposée à l'outil attaquant la pièce usiner est importante.

Figure 12 : Influence del'angle d'attaque.

- Influence de l'angle de direction principale (÷) :

Avec une avance inchangée, le copeau devient plus fin au fur et à mesure que l'angle ÷r diminue. Ceci conduit à une augmentation de l'effort de coupe, la réduction de l'angle de position est limitée par les dégradations croissantes de la stabilité (forte augmentation des efforts d'avances et de pénétration tendance au broutage) figure 13.

Figure 13 : Influence de l'angle de direction principale.

Influence de matériau de coupe :

Les matériaux de coupe revêtus, en particulier ceux avec des revêtements TiN ou Ti (C,N), accusent un frottement moindre et des efforts de coupe plus faible que les matériaux de coupe non revêtus. Les faces d'attaque superfinies (rectifiées, rodées, polies) et dotées d'une arête de coupe dure et tranchante, réduisent les efforts de coupe (Figure 14).

Figure 14 : Matériau de coupe.

III.1. Introduction:

En Algérie, le réseau de distribution de gaz naturel compte plus de 22000Km construits en polyéthylène. Le choix de ce dernier (en fait des copolymères d'éthylène à faible proportion de butène ou d'hexène voir d'octène) pour la fabrication des tubes de distribution du gaz découle des nombreux avantages technico-économiques procurés par ce matériau. Le PE est un matériau léger, ce qui facilite les opérations de manutention et de mise en oeuvre sur le terrain. Il possède une bonne résistance à la corrosion, quelles que soient les conditions au sol, ce qui permet d'éviter les surcoûts dus à l'application d'une protection passive ou active. De plus, les systèmes en PE supportent les effets des mouvements du sol dus aux instabilités et aux grandes variations de température. Du fait de leur bonne résistance à la fissuration, les canalisations en PE présentent un degré de fiabilité élevé dans des conditions d'utilisations normales. Dans ces conditions leur durée de vie est estimée à plus de 50 ans sur la base de courbes de régression construites à partir d'essais accélérés en pression hydraulique [18].

En service, Ces tubes en polyéthylène subissent des charges internes et des charges externes qui provoquent des déformations et altères leurs propriétés mécaniques.

Afin de mesurer ces propriétés mécaniques, la préparation d'éprouvettes d'essais mécaniques, directement extraites à partir du tube pour conserver l'histoire thermomécanique intrinsèque et ayant un état de surface comparable a celui des éprouvettes obtenues par moulage ou par injection, s'impose.

C'est dans ce cadre que s'inscrit cette étude expérimentale concernant le suivi des efforts de coupe générés et de la rugosité de la surface usinée, lors de l'usinage des tubes en HDPE-80, en fonction des paramètres du régime de coupe.

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