Présentation
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 (abrasion à trois corps) ou liés entre eux (meules) ou à un support (abrasion à deux corps), les opérations d'usinage par abrasion (abrasive machining) sont extrêmement variées et d'un très grand intérêt pratique : opérations d'écriquage à la meule des brames ou des blooms d'acier élaborés par coulée continue, fabrication ou 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...), ponçage du bois, polissage du marbre, du granit..., réalisation par polissage des circuits microélectroniques ou des pièces d'optique de haute résolution. 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.
Il faut noter 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, 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.
L'article [BM 7 052] , première partie de ce dossier sur l'usinage par abrasion, présente les principaux procédés et effectue quelques rappels sur la rhéologie des matériaux. Il énonce la loi de Preston-Archard, montre comment elle permet une analyse mécanique à l'échelle macroscopique des procédés d'usinage par abrasion, en prenant pour exemple le rodage, et en discute l'origine physique. L'objectif de cet article [BM 7 053] est de décrire plus en détail les phénomènes mécaniques impliqués à l'échelle microscopique dans l'usinage par abrasion et, ainsi, fournir des modèles d'estimation de la vitesse d'abrasion k de la loi de Preston-Archard et l'état de surface final des pièces. Pour cela, il décrit les modalités de mise en œuvre et les résultats des diverses méthodes d'étude expérimentale et théorique des phénomènes impliqués dans l'abrasion ; il s'agit de deux types d'essais :
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les essais de rayure qui permettent l'étude directe des phénomènes élementaires en abrasion deux corps en simulant l'interaction entre un matériau, ductile ou fragile, et un abrasif de cinématique et de forme connues ;
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les essais d'abrasion qui permettent de rendre compte des phénomènes à l'échelle globale en abrasion deux corps et trois corps réalisée en mode ductile comme en mode fragile.
Cet article est consacré aux aspects mécaniques de l'abrasion. Les aspects thermiques qui concernent principalement la rectification et y jouent un grand rôle seront présentés dans un autre article dédié à la rectification. Les phénomènes chimiques, quant à eux, sont présents et exploités dans le procédé de polissage chimio-mécanique et le point des connaissances à ce sujet sera effectué dans un article consacré au polissage.
Un tableau des notations et symboles est présenté en fin d'article.
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Approches expérimentales et théoriques globales1. Approches expérimentale et théorique des phénomènes élémentaires
L'approche expérimentale des phénomènes élémentaires gouvernant la réaction du matériau au grain abrasif à l'échelle microscopique est basée sur les essais de rayure. Nous présentons en premier lieu le principe et les principales mises en œuvre de ces essais. Nous récapitulons ensuite les résultats obtenus sur les matériaux ductiles avant de faire le point des modèles et interprétations théoriques actuelles qui permettent en outre de préciser divers aspects importants. Nous discutons enfin le cas des matériaux fragiles et semi-fragiles.
1.1 Mise en œuvre de l'essai de rayure
L'essai de rayure est généralement pratiqué sur un échantillon du matériau étudié de surface plane. Il consiste à appliquer à la surface du matériau un indenteur, qui simule un grain abrasif, avec une force normale P tout en le déplaçant avec une vitesse de translation v tangente à la surface de l'échantillon. Les deux caractéristiques géométriques fondamentales de l'essai sont :
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la pénétration δh, c'est-à-dire la distance entre la pointe de l'indenteur O et la surface initiale de l'échantillon ;
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l'angle d'attaque β, à savoir l'angle entre les normales à la surface de l'indenteur et à la surface initiale de l'échantillon au premier point de contact A (figure 1).
La mise en œuvre est très variable : l'essai peut être mené sur diverses machines commerciales équipées d'indenteur de plus ou moins grande taille dans une large gamme de pénétration, depuis l'échelle macroscopique sur des machines de scratch testing, où la pénétration δh est de l'ordre du mm, jusqu'à l'échelle microscopique sur des nano-indenteurs-nano-rayeurs où δh est de l'ordre du micromètre [19] [20] [21].
On peut utiliser différents types d'indenteurs : pyramides à trois faces (Berkovich) ou à quatre faces (par exemple Vickers) orientées face en avant ou arête en avant, des cônes de révolution à pointe sphérique de rayon de courbure R plus ou moins grand : selon le rapport δh / R, l'indenteur est sphérique
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