Roberval


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Thèse : Etude de l’intégrité de surfaces obtenues par différents procédés de super finition ; application à la tenue en fatigue contact.

1- Contextes scientifique et technologique

L’évolution des technologies conduit à une diminution des échelles : tolérances plus faibles rugosités de surface moindre, objets fabriqués avec des précisions élevées et ayant dans certain cas une taille réduite. Dans des domaines comme la mécanique ou l’optique, les procédés employés comme le tournage, le fraisage, la rectification, le polissage utilisent soit un outil coupant, soit des particules abrasives. L’usinage à grande vitesse (UGV) a permis par exemple, de faire des gains considérables en productivité. Le développement de l’UGV a fait l’objet d’un programme dit de saut technologique au cours des années 80-90. Ce procédé est maintenant bien présent dans l’industrie aéronautique où des pièces de taille importante en alliage léger sont à fraiser, mais aussi la mécanique générale pour l’usinage de moules, de matrice de forgeage en acier ou en fonte, etc.
L’usinage de haute précision (UHP) à l’outil coupant a pris son essor notamment aux U.S.A., en Allemagne, au Japon, au début des années 80. Ce procédé de superfinition a dans le domaine de la mécanique, deux grands objectifs : le premier est de parvenir à des résultats, aussi bien en rugosité qu’en exactitude, inférieurs d’un facteur 5 à 10, par rapport à l’usinage traditionnel. Le second est de s’affranchir d’opérations successives et donc de réaliser une pièce sur une seule machine en diminuant significativement ainsi les coûts et également les sources de pollution.
En France, l’UHP a fait l’objet d’un développement plus récent et pour des applications mécaniques, le laboratoire Roberval est le seul à mener des travaux de recherche. En termes d’état de surface et de topographie, nous avons atteint des rugosités de quelques nanomètres sur des alliages d’aluminium ou de cuivre (thèse de H. Khanfir) et de 0,1 à 0,2 μm et sur un acier dur pour roulement (thèses A. Gautier et N. Jouini). Dans tous les cas, les écarts de forme obtenus sont pour une pièce de 100 mm de 0,5 à 2 μm et l’impact de l’usinage sur l’état structural et les propriétés mécaniques du matériau usiné a été examiné. Dans le cadre des travaux sur l’acier dur, on a montré notre capacité à réaliser des surfaces ayant une rugosité comparable à celles obtenues classiquement en rectification. De plus on a démontré que leur durée de vie en fatigue de contact était fonction de leur niveau de rugosité (figure 1), mais pas de leur niveau de contraintes résiduelles en surface, contraintes résiduelles qui sont toujours en compression après usinage (étude menée avec le Cetim). Les évolutions métallurgiques et structurales ont été également étudiées, mais des analyses complémentaires doivent être encore menées pour identifier avec certitude les mécanismes en jeu notamment en fonction de l’évolution thermique du matériau usiné. Enfin, nous avons fait une étude comparative de trois techniques de mesure de rugosité et sélectionné la profilomètrie tactile ; enfin, une analyse de choix de paramètres de rugosité a permis de montrer que le couple (Lr, Ra) était objectivement le mieux adapté pour caractériser la topographie de nos surfaces (études menées avec M. Bigerelle).

2- Sujet proposé

Traditionnellement les pistes de roulement sont rectifiées puis pierrées. Nous proposons d’étudier l’impact du pierrage sur les pistes usinées pour ensuite les tester en fatigue de contact et en parallèle effectuer des analyses de rugosité et structurales et identifier l’impact du pierrage sur une surface usinée qui n’est pas de même nature qu’une surface rectifiée, même si les niveaux de rugosités sont proches. Nous souhaitons également comparer les surfaces usinées avec d’autres techniques de superfinition comme le toilage et le polissage.
Il s’agira donc de mener des investigations en coopération avec des partenaires industriels en lien avec le Cetim et des partenaires universitaires comme l’Ensam Lille (mesures de rugosité) et l’Ensam Chalon (comparaison avec le toilage) et d’entamer une modélisation thermomécanique de la coupe, tout d’abord thermique pour identifier l’impact de la coupe sur le matériau et ses changements de phases, et d’adapter aux paramètres spécifiques de l’UHP comme une faible profondeur de passe, des modèles de coupe déjà existants.

3- Publications
3.1 Articles
JOUINI N., GAUTIER A., REVEL P., MAZERAN P.E., BIGERELLE M.
Multi-scale analysis of high precision surfaces by Stylus Profiler, Scanning White-Light Interferometry and Atomic Force Microscopy, International Journal of Surface Science and Engineering. Vol. 3, N°4, (2009), pp 310-327.

GAUTIER A., KHANFIR H., REVEL P., FILLIT R.
Polish-mirror surfaces obtained by high precision turning
International Journal of Machining and Machinability of Materials. Vol. 4, N°2/3, (2008), pp 133-147.

BIGERELLE M., VAN GORP A., GAUTIER A., REVEL P.,
Multi-scale Morphology of High Precision Turning Process Surfaces
Journal of Engineering Manufacture, Vol. 221, N°10 (2007), pp 1485-1497

BOGARD V., REVEL P., HETET Y.
Optimization of thermomechanical solicitations by the inverse method.
Journal of Engineering Materials and Technology 129, 2 (2007), pp. 207-210.

REVEL P., KHANFIR H., FILLIT R.
Surface characterization of aluminum alloys after diamond turning
Journal of Materials Processing Technology. 178, 1-3 (2006) pp. 154-161

3.2 Communications
JOUINI N., REVEL P., BIGERELLE M.
Relevant roughness parameters of precision hard turning surfaces, Proceedings of 4th CIRP International Conference on High Performance Cutting, 24-26 Oct., (2010), Gifu, Japan.

GAUTIER A., REVEL P., LIEURADE H.P., THOQUENNE G.
Contact-fatigue of High Precision Machined Surfaces.
Fatigue Design, 21-22 Novembre, (2007), Senlis, France.

GAUTIER A., BIGERELLE M., REVEL P.
Multi-scale morphology of high precision turning process surfaces.
2nd international meeting of abrasion, 9-10 may, (2006), Chalons en champagne, France.

personne à contacter : P. Revel (UTC)
Projet mené en coopération avec le Cetim Senlis et l’ENSAM