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Auteur(s)
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Éric FELDER : Maître de recherches, groupe Surfaces et Tribologie - CEMEF (Centre de mise en forme des matériaux) - UMR 7635 CNRS-Mines ParisTech(Sophia-Antipolis)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Basées sur l'utilisation de grains d'abrasifs libres ou liés entre eux (meules) ou à un support (bandes, papier…), les opérations d'usinage par abrasion (abrasive machining) sont extrêmement variées : elles vont des opérations d'écriquage à la meule des brames ou blooms d'acier élaborés par coulée continue à la réalisation par polissage des circuits micro-électroniques ou des pièces d'optique de haute résolution, en passant par la fabrication ou la finition par rectification des pièces mécaniques de toutes sortes (outils de mise en forme par déformation plastique des métaux ou par injection des polymères, pièces de roulements, éléments de machines…), le ponçage du bois, le polissage du marbre et du granit… Ainsi, certains auteurs estiment que le coût des seules opérations de rectification représente 20 à 25 % du coût des opérations d'usinage dans un pays industrialisé. Par ailleurs, le travail par abrasion est la seule possibilité économique pour :
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usiner les matériaux de très hautes dureté et/ou de haute fragilité : aciers à roulement martensitiques, aciers rapides dans l'état métallurgique d'utilisation, alliages réfractaires, carbures métalliques, verres, céramiques ;
-
réaliser les très faibles rugosités (de l'ordre du nm) indispensables à certaines applications optiques, microélectroniques, micromécaniques…
Il faut noter enfin que les interactions entre les grains abrasifs et la pièce usinée sont très proches des interactions entre pièces frottantes qui conduisent à leur usure par abrasion, un des modes d'usure les plus importants des outils de mise en forme (cylindres de laminoir, matrices de forgeage, filières de filage et tréfilage…), des éléments de machines ou des produits manufacturés. Les performances des procédés d'usinage par abrasion ne cessent de s'améliorer du fait des besoins industriels croissants. Toutefois, malgré leur grande importance économique, les procédés d'usinage à l'abrasif restent largement méconnus et leurs aspects scientifiques mal compris et mystérieux.
Cet article, consacré aux aspects mécaniques de l'abrasion, a pour objectif de commencer un bilan des connaissances scientifiques sur ce type d'usinage ; le lecteur pourra également se reporter aux articles spécialisés de la présente rubrique pour une description plus précise des modalités de mise en œuvre des divers procédés.
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Rhéologie des corps et conséquences sur les mécanismes d'enlèvement de matière
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1. Définition et domaines d'application
Comme toute opération d'usinage, le travail à l'abrasif a pour objectif d'imposer à une pièce, par enlèvement de matière, des dimensions et un état de surface (rugosité et écarts de forme, intégrité mécanique et physico-chimique) vérifiant un cahier des charges. Cet enlèvement de matière s'effectue en appliquant à la pièce un chargement mécanique (forces, couples), mais, alors que dans les autres procédés mécaniques dits « de coupe » un ou quelques outils tranchants de forme bien précise – comme un foret, une fraise, une broche ou des plaquettes d'usinage – enlèvent la matière sous forme de copeaux de taille millimétrique, l'enlèvement de matière par abrasion est assuré à l'échelle micrométrique ou submicrométrique par des grains abrasifs de taille, de forme et d'orientation variables.
Ce chapitre :
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présente les diverses caractéristiques de « l'outil » : l'abrasif (nature, taille, forme) ;
-
puis ses diverses mises en œuvre dans les procédés d'usinage par abrasion ;
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et enfin compare les performances des procédés d'usinage par abrasion à celles des autres procédés d'usinage.
1.1 Abrasifs industriels
Le tableau 1 présente les quatre abrasifs industriels les plus utilisés et leurs principales propriétés. Il s'agit de composés de structure cristalline et présentant :
-
une température de fusion très élevée, qui se situe au-dessus de 2 000 oC ;
-
une très grande rigidité élastique, attestée par la valeur très élevée du module d'Young E (§ 2.1), supérieure à 400 GPa ;
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une très haute dureté,...
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Définition et domaines d'application
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MALKIN (S.) - Grinding technology : Theory and applications of machining with abrasives. - Ellis Horwood Ltd., Chichester, UK, 118 fig., 2 tables (1989).
-
(2) - SHAW (M.C.) - Principles of abrasive processing. - Oxford University Press, Oxford, 574 p., 415 fig. (1996).
-
(3) - SAMUELS (L.E.) - Metallographic polishing by mechanical methods. - (London : Pitman) (1967).
-
(4) - ROUAULT DE COLIGNY (P.) - Analyse et optimisation du procédé de découpe de plaques de silicium. - Thèse de doctorat en Sciences et Génie des Matériaux, École des Mines de Paris (2002).
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(5) - LUCCA (D.A.), RHOTER (R.L.) - Energy dissipation and tool-workpiece contact in ultraprecision machining. - Tribology Transactions, 37, 3, p. 651-655 (1994).
-
(6) - TABOR (D.) - The hardness of solids. - Oxford,...
1 À lire également dans nos bases
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FELDER (E.) - Usure des polymères. Étude expérimentale. Mécanique du contact - [AM 3 135] (2005).
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FELDER (E.) - Usure des polymères. Données tribologiques typiques - [AM 3 137] (2005).
Base documentaire Travail des matériaux AssemblageDOUZET (J.-L.) - Abrasifs. - [B 7 050] (1990).
RHOADES (L.), CLOUSER (H.), SCELLIER (A.) - Usinage par extrusion de pâte abrasive. - [B 7 235] (1994).
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FELDER (E.) - Modélisation de la coupe des métaux. - [BM 7 041] (2006)
TORBATY (S.) - Rectification très grande vitesse. - [BM 7 220] (2004)
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FELDER (E.) - Dureté des matériaux courants. Cas limite rigide-plastique - [M 4 155] (2005).
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FELDER (E.) - Dureté des corps. Analyse d'autres comportements - [M 4 157] (2005).
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FRANÇOIS (D.) - Essais mécaniques des métaux. Essais de dureté - [M 4 160] (2005).
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