Usinage assisté jet d’eau haute pression (HP)

32 déplacement du faisceau. Elle augmente avec la puissance du laser et est d’autant plus grande que la vitesse est faible.

Figure I-18: Traitement thermique en UAL sur du Ti6Al4V [Germain 2006c]

Un modèle thermique transitoire tridimensionnel est développé pour prédire le champ de température dans le lopin en cours d’usinage subissant l’assistance laser. L’effet de l’assistance laser sur la qualité de surface et l'intégrité de la sous -couche est étudié en termes de rugosité, microdureté, microstructures et contraintes résiduelles. Les contraintes résiduelles en surface remontent vers la traction d’environ 150 MPa dans cet alliage de titane.

Bibliographie

33 possibilité de fractionner les copeaux par action mécanique du jet et cela de manière indépendante des paramètres de coupe. L’action du jet permet donc d’augmenter très sensiblement la zone de fragmentation du copeau pour des paramètres de coupe fixés.

De plus, dans certaines conditions le jet d’eau HP peut s’insérer de manière durable entre le copeau et l’outil ce qui permet une protection de celui-ci. Dans ce cas, la durée de vie de l’outil peut être augmentée très sensiblement, les efforts diminués et les contraintes résiduelles évoluent alors vers la compression.

b) Principaux résultats des différents travaux réalisés en jet d’eau Plusieurs études ont été menées au cours de ces dernières années. Un des premiers à avoir étudié l’assistance jet d’eau haute pression est Kovacevic *Kovacevic 1995+ qui s’est intéressé à son rôle dans le cas du fraisage. Il observe que selon la direction du jet et sa position, les efforts de coupe diminuent de manière considérable, environ 40%.

Kaminski et al [Kaminski 2000] a étudié, quant à lui, les effets d'un jet d'eau haute basse pression et ultra haute pression dirigé vers l'interface outil /copeau sur la température de l'outil, les efforts de coupe, la forme du copeau et la rugosité de surface lors d’opérations de tournage. Pour évaluer l'effet du refroidissement, des plaquettes spéciales avec des thermocouples intégrés ont été utilisées. Les résultats montrent une réduction significative de la température en pointe d’outil, de 40-45%. Ceci est réalisé en utilisant des pressions du jet dans la gamme 40-300 MPa.

Figure I-20: influence de la pression sur la Température et les efforts de coupe [Kaminski 2000]

Ezugwu s’est plutôt intéressé à l’usinage de l’Inconel 718 sous assistance jet d’eau haute pression *Ezugwu 2005+. L’Inconel 718 a été usiné avec un outil carbure revêtu PVD (TiCN/Al2O3/TiN) à des vitesses de coupe allant jusqu'à 50 m.min-1 en utilisant une lubrification classique et des pressions pouvant atteindre 200 bar. La durée de vie des outil s, la rugosité de surface (Ra), l'usure des outils et les efforts de coupe ont été enregistrés. Les

34 résultats des essais montrent que l’état de surface est acceptable et que la durée de vie de l’outil est amélioré lors de l'usinage d'Inconel 718 avec des pressions élevées du lubrifiant.

Par rapport à une lubrification classique, la durée de vie d'outil augmente de 340%, lors de l'usinage à 200 bars et à une vitesse de 50 m min-1. De manière générale, cet auteur observe qu’une augmentation de la pression induit une diminution de l’usure de l’outil. Selon lui, ceci peut être attribué à la capacité du jet à soulever le copeau en s’insérant vers la pointe de l’outil. Cette action entraîne une diminution de la zone de contact outil/copeau qui entraîne à son tour la réduction des températures de coupe et des composantes d’efforts. La fragmentation du copeau lors de l'usinage dépend de la profondeur de passe, de la vitesse d'avance et de la vitesse de coupe employées ainsi que de la pression du jet.

Des études sur l’influence du refroidissement haute pression en tournage de l’alliage Ti-6Al- 4V ont été réalisées par Nandy *Nandy 2008+. Il a étudié l’influence de l’huile pure et de l’huile soluble sur la forme et la fragmentation du copeau, les efforts de coupe, le coefficient de frottement, la longueur de contact, la durée de vie des outils et l’état de surface en comparant avec un usinage classique. Il observe un gain d’environ 250% sur la durée de vie des outils lorsqu’il utilise la haute pression avec huile soluble alors qu’avec l’huile pure l’usinage assisté ne présente aucun bénéfice. Le refroidissement haute pression offre une bonne fragmentation des copeaux même si celle-ci est plus prononcée avec l’huile soluble que l’huile entière.

Il observe aussi que la résultante tangentielle de l’effort de coupe tangentiel Ft est plus faible pour l’huile entière que pour l’huile soluble. Il suppose que la réduction de Ft est attribuée à une meilleure lubrification. La réduction des efforts de coupe radial et axial Fr et Fa, pour l’huile soluble, serait plutôt due à la diminution de la longueur de contact en raison de la courbure plus importante du copeau.

Plusieurs études ont porté sur les influences de la haute pression sur les contraintes résiduelles induites par le tournage.

Tout d’abord, M. Habak *Habak 2006 b+ a étudié les effets de la haute pression du jet d’eau dirigée à l’interface outil/copeau sur les contraintes résiduelles et la forme des copeaux lors du tournage d’un acier inoxydable austénitique 316L. La particularité de son approche réside dans l’utilisation d’un outil non adapté à ce type de matériau et à 3 pressions de jet bien distinctes : 200 bars, 500 bars et 800 bars. Les résultats montrent qu’il est possible de créer une bonne fragmentation des copeaux et ainsi pouvoir contrôler la forme du copeau et réduire l’usure de l’outil même avec un outil non adapté. De plus, les contraintes résiduelles en surface diminuent (contrainte plus fortement en compression) lorsque la pression du jet augmente. Cette réduction peut être de 20 à 40 %, dans les deux directions d’analyse, par rapport au tournage sec. Par contre, la profondeur affectée par ces contraintes et par l’écrouissage n’est pas affectée.

Bibliographie

35 Manouchehr Vosough [Vosough 2005] a aussi étudié ce phénomène pour l’usinage de l’alliage Ti-6Al-4V. Ces résultats confortent ceux de M. Habak mise à part la profondeur affectée par les contraintes résiduelles. Il trouve que cette profondeur est deux fois plus grande lors de l’usinage assisté jet d’eau haute pression.

Figure I-21: Profil de contraintes résiduelles en fonction de la pression [Habak 2004b] acier austénitique 316L

Shet [Shet 2003+ est un des seuls à avoir modélisé en éléments finis l’assistance jet d’eau haute pression en coupe orthogonale. Le jet d’eau est injecté directement à l’interface outil/copeaux par l’intermédiaire d’un trou sur la face de coupe. L’effet mécanique du jet est modélisé par un chargement reparti sur l’interface. Les interactions sont prises en compte par une loi de frottement de type Coulomb et la fragmentation par une technique de séparation des nœuds basée sur un critère de contrainte critique. La distribution de température induite par les effets du jet d’eau haute pression est modélisée par un coefficient de transfert de chaleur convectif. Grace à cela, il étudie l’effet de la position du jet et de la pression. La simulation a montré une réduction de la température, de l’effort de coupe et des contraintes résiduelles avec l’assistance jet d’eau. L’auteur conclut que ces avantages sont dus à une réduction de la pression de contact et de la contrainte de cisaillement le long de l’interface outil/copeau et donc de la longueur de contact.

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

0 50 100 150 200 250

Depth (µm )

Residual stresses (MPa)

sxx (Dry turning, Vc=80m/min) sxx (20MPa, Vc=80m/min) sxx (50MPa, Vc=80m/min) sxx (80MPa, Vc=80m/min)

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

0 50 100 150 200 250

Depth (µm )

Residual stresses (MPa)

sxx (Dry turning, Vc=150m/min) sxx (20MPa, Vc=150m/min) sxx (50MPa, Vc=150m/min) sxx (80MPa, Vc=150m/min)

36