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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 ;
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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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Loi mécanique de l'usinage par abrasion
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2. Rhéologie des corps et conséquences sur les mécanismes d'enlèvement de matière
Afin de pouvoir discuter les aspects mécaniques de l'abrasion évoqués au paragraphe et traités plus en détail par la suite, on effectue ici un bref rappel des notions de base, nécessaires à leur compréhension. Pour cela, nous présentons rapidement les essais de traction (§ ), puis les essais d'indentation (dureté) (§ ) et les diverses grandeurs mécaniques que ces deux essais permettent de mesurer. Le lecteur peut trouver dans les articles de la rubrique « Essais mécaniques des métaux » une présentation plus détaillée de ces essais. La description du comportement des divers matériaux en indentation permet finalement au paragraphe d'aborder la description à l'échelle microscopique des processus d'abrasion.
2.1 Comportement en traction
L'essai de traction (figure 6a ) permet de définir les caractéristiques mécaniques principales d'un matériau. Dans un premier temps, la force augmente proportionnellement à l'allongement et de manière biunivoque ; après décharge, il ne subsiste aucune déformation résiduelle. Il s'agit du domaine de déformation élastique caractérisé, pour un matériau isotrope (propriétés mécaniques indépendantes de la direction) par le module d'Young E, rapport entre la contrainte et la déformation longitudinale, et le coefficient de Poisson ν, rapport entre la déformation latérale et la déformation longitudinale. Le domaine de déformation élastique, totalement réversible, est limité par deux phénomènes possibles :
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la rupture de l'éprouvette (figure b ) lorsque la contrainte atteint une valeur critique σR ; c'est le comportement des matériaux fragiles comme les aciers rapides, les aciers à roulement trempés, les carbures métalliques, les céramiques, les verres ;
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la déformation plastique du matériau (figure c ) : au-dessus d'une contrainte Re dite « limite d'élasticité », la force n'est plus proportionnelle à l'allongement et sa croissance se ralentit progressivement ; une décharge de l'éprouvette met en évidence un allongement permanent dit « plastique », mais un volume inchangé. La réduction de section de l'éprouvette reste uniforme jusqu'au maximum de force qui correspond à...
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BIBLIOGRAPHIE
-
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(2) - SHAW (M.C.) - Principles of abrasive processing. - Oxford University Press, Oxford, 574 p., 415 fig. (1996).
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(3) - SAMUELS (L.E.) - Metallographic polishing by mechanical methods. - (London : Pitman) (1967).
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(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. - ...
1 À lire également dans nos bases
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FELDER (E.) - Usure des polymères. Données tribologiques typiques - [AM 3 137] (2005).
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RHOADES (L.) - CLOUSER (H.) - SCELLIER (A.) - Usinage par extrusion de pâte abrasive. - [B 7 235] (1994).
FELDER (E.) - Procédés d'usinage. Présentation - [BM 7 000] (2008).
FELDER (E.) - Modélisation de la coupe des métaux. - [BM 7 041] (2006)
TORBATY (S.) - Rectification très grande vitesse. - [BM 7 220] (2004)
KREMER (D.) - Usinage par ultrasons. - [BM 7 240] (1998).
CANNET (G.) - DELZENNE (M.) - Coupage thermique et coupage au jet d'eau. - [BM 7 280] (1998).
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FELDER (E.) - Dureté des matériaux courants. Cas limite rigide-plastique - [M 4 155] (2005).
FELDER (E.) - Dureté des matériaux. Influence de l'élasticité - [M 4 156] (2005).
FELDER (E.) - Dureté des corps. Analyse d'autres comportements - [M 4 157] (2005).
FELDER (E.) - Dureté des corps et analyse qualitative. - [M 4 158] (2005).
FRANÇOIS (D.) - Essais mécaniques des métaux. Essais de dureté - [M 4 160] (2005).
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