Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article vise à permettre l’optimisation et la prévision de la durée de vie des contacts frottants en fournissant des modèles d’estimation de la vitesse d’usure. Il présente d’abord la modélisation de l’usure par extrusion de bavures périphériques à l’aide de la théorie de l’accommodation élastique. Il développe ensuite l’approche élémentaire de l’abrasion des matériaux ductiles par les équations de bilan qui précisent les forces, l’énergie dissipée et la matière déplacée. Les apports des essais de rayure à cette approche sont ensuite passés en revue.
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This article addresses the optimization and estimation of the lifetime of frictional contacts through models for the estimation of wear rate. The article first presents the model of wear by extrusion of peripheral burrs with the shakedown theory. It then provides the elementary models of the abrasive wear of ductile solids by the balance equations, which precisely state the forces, the dissipated energy and the displaced matter. The contributions of scratch tests to this approach are reviewed.
Auteur(s)
-
Eric Felder : Maître de Recherches honoraire MINES ParisTech-CEMEF, Paris, France
-
Pierre Montmitonnet : Directeur de Recherches CNRS MINES ParisTech-CEMEF, Paris, France
INTRODUCTION
Le mouvement relatif entre deux solides engendre deux phénomènes indissociables et irréversibles : le frottement, soit la résistance mécanique à ce mouvement relatif et l’usure, soit la perte de matière des corps antagonistes. Contrairement au frottement qui a des conséquences positives et/ou négatives, l’usure des pièces frottantes des mécanismes et des outils de fabrication n’a que des côtés négatifs et doit être contrôlée. Toutefois, un contact implique deux antagonistes et il est souvent souhaitable de concentrer les phénomènes d’usure, a priori inévitables, sur l’une des deux pièces, la plus facile et la moins coûteuse à changer. Dans les procédés de formage des matériaux, il importe de minimiser l’endommagement et l’usure des outils tout en garantissant à la pièce formée de bonnes dimensions et un bon aspect de surface. Il faut noter par ailleurs que l’objectif des procédés d’usinage par abrasion est d’ôter de la matière à la pièce usinée (un processus d’usure) à la vitesse la plus élevée possible, tout en minimisant l’endommagement et l’usure des agents abrasifs.
Comme il faut pouvoir prendre en compte l’usure dans la conception des machines et des opérations de fabrication, l’objectif de cet article est de fournir des modèles permettant de prévoir la vitesse d’usure des pièces frottantes et ainsi de maîtriser leur durée de vie.
Dans l’article [TRI500], la loi de Preston-Archard a été présentée et commentée. Elle décrit l’effet sur le volume d’usure V de la force normale P et de la longueur de glissement L à l’aide de la vitesse d’usure k. Dans un certain domaine de validité, lorsque les effets thermiques restent limités, on peut caractériser un contact frottant par sa vitesse d’usure :
avec :
- V :
- volume formé par les débris d’usure,
- P :
- force normale à la surface du contact,
- L :
- distance cumulée parcourue par glissement,
- k :
- vitesse d’usure, en Pa–1.
L’article [TRI501] décrit les divers mécanismes d’usure d’origine mécanique, thermomécanique et physico-chimique.
Le présent article présente la modélisation de l’usure par extrusion de bavures périphériques à l’aide de la théorie de l’accommodation élastique, puis l’approche élémentaire de l’abrasion basée sur les équations de bilan et les données expérimentales issues d’un essai de rayure. Ces modèles donnent des exemples d’analyse mécanique de contacts frottants à l’échelle microscopique et précisent la vitesse d’usure k ou le coefficient d’usure
, où HV est la dureté Vickers de la pièce considérée. On considère des matériaux ductiles, c’est-à-dire pouvant subir de grandes déformations avant rupture. Ces modèles sont principalement appliqués à des matériaux métalliques.
Dans l’article [TRI503], cette approche est poursuivie et l’on y effectue en outre une synthèse des modèles d’abrasion.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
wear | fatigue | elastic shakedown | cutting | abrasive wear
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Hypothèses générales
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5. Annexes
5.1 Annexe 1 : analyse de l’usure des dièdres en cuivre par extrusion de bavures
Les résultats de la figure 7 relatifs au contact entre un disque en acier et un pion en cuivre correspondent à une usure sous pression de contact initialement élevée. Il est intéressant de voir si cette usure suit la loi de Preston-Archard.
On peut tracer l’évolution du volume d’usure du cuivre V = (1/4)b l 2cotθ en fonction de la longueur de glissement L = 2π RN (figure 24). On observe, en première approximation, pour chaque rugosité de l’acier, un premier régime d’évolution linéaire caractérisé par une pente k 1= dV/(PdL), suivi, au-dessous d’une pression p c, d’un second régime linéaire dont la pente k 2= dV/(PdL) ~ k 1/10. Le régime d’usure du chanfrein en cuivre présente donc une transition d’un régime moyennement sévère à un régime doux. La pression critique p c décrit un ordre de grandeur quand la rugosité de l’acier passe de sa valeur minimale à sa valeur maximale. La vitesse d’usure douce k 2 augmente avec la rugosité de la pièce en acier de deux ordres de grandeur, passant de 3,3 × 10–7 à 1,45 × 10–5mm3.N–1.m–1, ce qui correspond à des coefficients d’usure k* faibles, variant de 2,7 × 10–7 à 1,2 × 10–5.
La figure 25 décrit des tentatives de corrélation des valeurs observées de la pression critique p c et de la vitesse d’usure k 2 du stade 2 avec les caractéristiques de rugosité de la pièce en acier. Finalement, on observe les bonnes corrélations suivantes, comme pµ ~ 1,65 σ 0 :
( 35 )
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Annexes
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KAPOOR (A.K.), JOHNSON (K.L.) - Plastic ratchetting as a mechanism of metallic wear, - Proc. Roy. Soc. London A 445 367-381 (1994).
-
(2) - KAPOOR (A.K.), WILLIAMS (J.A.), JOHNSON (K.L.) - The steady state sliding of rough surfaces, - Wear 175 81-92 (1994).
-
(3) - KAPOOR (A.K.), JOHNSON (K.L.), WILLIAMS (J.A.) - A model for the mild plastic ratchetting wear of metals, - Wear 200 38-44 (1996).
-
(4) - GREENWOOD (J.A.), WILLIAMSON (J.B.P.) - Contact of nominally flat surfaces, - Proc. Royal Soc. London A 295 300-319 (1966).
-
(5) - HAMILTON (G.M.) - Explicit equations for the stresses beneath a sliding spherical contact - , Proc. Inst. Mech. Engrs 197C 53-58 (1983).
-
(6) - FRANKLIN (F.J.), KAPOOR (A.) - Effect of adhesion on wear by plastic ratchetting, - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Théorie du contact de Hertz – Contacts ponctuels et linéiques.
-
Dureté des corps et analyse qualitative.
-
Dureté des métaux courants – Cas limite rigide-plastique.
-
Théorie de l’usure. Mesure, caractérisation des contacts et vitesses d’usure.
-
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