Bibliographie & annexes
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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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Eric Felder : Maître de Recherches honoraire MINES ParisTech-CEMEF, Paris, France
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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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4. Conclusion
Cet article présente tout d’abord le modèle d’usure par extrusion de bavures périphériques basé sur la théorie de l’élasticité. Ce mécanisme est induit par les déformations de rochet produites par les cycles de chargement des microcontacts et est actif lorsque la pression au niveau des microcontacts excède légèrement la pression d’accommodation élastique. Le modèle est valide pour des valeurs de l’index de plasticité en glissement Ψµ compris entre 1 et 3. En deça, l’usure se fait par fatigue de contact en régime élastique avec un nombre élevé de cycles (High Cycle Fatigue – HCF).
On a ensuite effectué le bilan en termes de force, de déplacement de matière et d’énergie lors de la formation de rayures dans un solide RPP par des aspérités coniques ou sphériques d’angle d’attaque représentatif des rugosités usuelles. Le bilan de matière a été précisé à l’aide des résultats expérimentaux des essais de rayure. Ils montrent que lorsque l’angle d’attaque dépasse une valeur critique, les aspérités produisent un enlèvement de matière par coupe. En deça de l’angle critique, l’aspérité induit une déformation plastique marquée du solide rayé, ce qui va induire à terme une usure par fatigue oligocyclique (Low Cycle Fatigue– LCF). Toutefois, l’expérience montre que le passage répété d’aspérités peut, pour des angles d’attaque faibles, produire un enlèvement de matière par extrusion de bavures périphériques. Un modèle montre que cette situation peut évoluer vers un état de contact microélastique et une faible vitesse d’usure.
Deux points restent ouverts : les relations entre ces deux types d’usure et les caractéristiques de fatigue oligocyclique des solides élastoplastiques dans ces conditions très particulières de sollicitation et qui sont très difficiles à simuler simplement. Ces points sont traités dans l’article [TRI 503].
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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).
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(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, - Trib....
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