Théorie de l’usure - Modèles bidimensionnels

Le mouvement relatif entre deux solides engendre deux phénomènes indissociables et irréversibles : le frottement, c’est-à-dire la résistance mécanique à ce mouvement relatif et l’usure, c’est-à-dire la perte de matière des corps antagonistes. Contrairement au frottement qui a des conséquences positives et négatives, l’usure des pièces frottantes des mécanismes et des outils de fabrication n’a que des côtés négatifs et doit être minimisée. 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. Il faut noter par ailleurs que l’objectif des procédés d’usinage par abrasion est d’ôter de la matière à la pièce usinée 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. La loi de Preston-Archard a été présentée et commentée dans [TRI500]. Elle décrit l’effet sur le volume des débris 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 : k = V/( PL ). L’article [TRI501] décrit les divers mécanismes d’usure d’origine mécanique, thermomécanique et physico-chimique. L’article [TRI502] présente la modélisation de l’usure par extrusion de bavures périphériques et l’approche élémentaire de l’abrasion à l’aide des équations de bilan de forces, de matière et d’énergie et des résultats des essais de rayure. Il précise la vitesse d’usure k ou le coefficient d’usure k* = k HV des matériaux ductiles, où HV désigne la dureté Vickers de la pièce considérée, sachant qu’un matériau ductile peut par définition subir de grandes déformations avant rupture. Le présent article poursuit l’analyse mécanique des contacts frottants à l’échelle microscopique entamée dans [TRI502]. Il présente l’approche bidimensionnelle, analytique, puis numérique, de l’abrasion, puis discute la validité expérimentale de ces diverses modélisations de l’usure induite par une contre-pièce dure et rugueuse dans le cas des métaux.