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tude, conception et ralisation dun outilde galetage et son effet sur la rugosit de

surface dun acier X8CrNiS18-9

Rpublique Algrienne Dmocratique et PopulaireMinistre de lEnseignement Suprieur et

De la Recherche Scientifique Universit MhamedBougara Boumerdes

Facult des Sciences de lIngnieurDpartement de Gnie Mcanique

MEMOIRE

Prsent en vue de lobtention du diplme de MASTEROption : Construction Mcanique

Ralis par : Encadr par : Mr M.TOURAB

KHERBOUCHE Nedjma MENDIL Rabah

Anne universitaire2016-2017

Remerciement

Nous tenons en premier lieu remercier notre Allah pour son aide quil nous a accord

afin de mener notre travail terme.

Nous remercions notre promoteur Mr. TOURAB enseignant du dpartement de gnie

mcanique(FSI) Boumerdes pour avoir bien voulu encadrer notre projet, pour son aide, ses

conseils et ses suggestions.

Nous remercions trs vivement le colonel D.MENSSOURI, chef dpartement

mathmatique et technologique lcole suprieur navale, de temanfouste, pour sa

disponibilit, ses orientations ainsi que pour ses conseils.

Je remercie trs vivement madame HADIALI, enseignant du dpartement de gniemcanique(FSI) luniversit de Boumerdes, pour avoir accept dexaminer ce travail et departiciper au jury.

Je voudrais aussi remercier Mrs. CHIKH, BELHADAF et SAMOUD enseignants dudpartement de gnie mcanique(FSI) Boumerdes, pour leurs aides et leurs encouragements.

Mes remerciements vont galement tous les membres du service laboratoire, htel desmonnaies de la banque dAlgrie, et particulirement Monsieur S. MAHFOUF qui par sacomptence technique ma permis de raliser certains travaux.

Mes remerciements vont galement aux agents techniques de service rouleaux, Mrs.

RACHID, SAMIR, HAKIM, MAHMOUD pour avoir voulu maider raliser certains

essais exprimentaux au sein de linstitut.

Nous remercions tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin lachvement de ce

travail.

Enfin je finirai nos remerciements par un grand merci nos parents, nos surs et nosfrres, nos amis qui nous ont soutenu et ont su trouver les mots ou simplement tre l dans lesmoments de doute et dhsitation.

MERCI tous

Ddicaces

Je ddie ce mmoire:

A ma trs chre mre qui a t la lumire de ma vie

ma chre femme

mes enfants Houssam et Khalil

A mes surs et mon frre qui mont encourag et soutenu moralement.

A toute ma famille

A ma binme, N.KHERBOUCHE et toute sa famille

A mes amis : MOURAD, MOHAMED, HAKO, SAID..etc.

A mes enseignants durant toutes les annes dtudes de DEUA jusquau

MASTER sur tout Mr. CHIKH.

MENDIL Rabah

Ddicaces

A ma trs chre mre, mon pre,

A mes frres, A mes surs

A toute ma famille

Qui ont t toujours mes cots

A mon binme M. Rabah et toute sa famille

A tous mes amis, (Sofiane, Rafik .)

Je ddi ce modeste travail

Nedjma KHERBOUCHE

Tableau des matires

TABLEAU DES MATIERES

Liste des figures

Liste des tableaux

Liste des nomenclatures

INTRODUCTION GENERALE ......................................................................................................1

CHAPITRE I : Gnralit sur les traitements mcaniques

I.1 Introduction.....................................................................................................................................3

I.2 Proprits mcaniques des mtaux .................................................................................................3

I.2.1 Elasticit et plasticit................................................................................................................3

I.2.2 Rsistance mcanique ..............................................................................................................4

I.2.3 Rigidit .....................................................................................................................................4

I.2.4 Ductilit....................................................................................................................................5

I.2.5 Tnacit ....................................................................................................................................5

I.2.6 Rsistance la fatigue ..............................................................................................................5

I.2.7 Duret .......................................................................................................................................5

I.2.7.1 Duret et rsistance en traction..........................................................................................5

I.2.7.2 Types d'essais ....................................................................................................................6

I.3 Qualit physico-gomtrique .......................................................................................................10

I.3.1 La surface ..............................................................................................................................10

I.3.2 L'tat structural et physique ..................................................................................................10

I.3.3 Topographie ...........................................................................................................................11

I.3.3.1 Dfinition.........................................................................................................................11

I.3.3.2 Importance de la topographie ..........................................................................................12

I.3.3.3 Paramtres de rugosit....................................................................................................13

I.4 Traitement mcanique de surface par galetage .............................................................................14

I.4.1 Introduction ............................................................................................................................14

I.4.2 Dfinition et principe .............................................................................................................15

I.4.3 Diffrents types de galetage ...................................................................................................16

I.4.4 Avantages du galetage............................................................................................................17

I.4.5 Effet du galetage sur ltat de surface ....................................................................................17

I.5 Conclusion ...................................................................................................................................18

Tableau des matires

CHAPITRE II: Etude et Conception de l'outil de galetage

II.1 Introduction .................................................................................................................................19

II.2 Description de Loutil..................................................................................................................19

II.2 .1 Fonction de l outil...............................................................................................................19

II.2.2 Caractristiques.....................................................................................................................19

II.2.3 Rglage de loutil ..................................................................................................................19

II.2.4 Choix de la matire des pices..............................................................................................19

II.3 Conception assist par ordinateur (CAO)....................................................................................20

II.3.1 Dfinition de la CAO............................................................................................................20

II.3.2 Avantages de la CAO............................................................................................................21

II.3.3 Mode dutilisation.................................................................................................................21

II.3.4 Description gnrale de SolidWorks ....................................................................................22

II.3.4.1 Dfinition de SolidWorks...............................................................................................22

II.3.4.2 Lcran graphique de SolidWorks..................................................................................22

II.4 Etudes de rsistance des matriaux de loutil de Galetage ..........................................................23

II.4.1 Introduction...........................................................................................................................23

II.4.2 Ressorts de compression hlicodale ....................................................................................23

II.4.2.1 Dfinition ......................................................................................................................23

II.4.2.2 Fonction..........................................................................................................................24

II.4.2.3 Matriau .........................................................................................................................24

II.4.2.4 Paramtres physiques .....................................................................................................24

II.4.2.5 Calcul statique ...............................................................................................................26

II.4.2.6 Calculs dynamique .........................................................................................................28

II.5 Etude de raction des pices de loutil ........................................................................................31

II.6 Etude dassemblages....................................................................................................................32

II.6.1 Prsentation...........................................................................................................................32

II.6.2 Caractristiques gomtriques ..............................................................................................32

II.6.3 Gomtrie dune vis :............................................................................................................32

II.6.4 Relation entre la force de traction et le couple de serrage ....................................................35

II.6.5 Calcul des assemblages par filetage .....................................................................................38

II.7 Bille et roulement ........................................................................................................................42

II.7.1 Bille.......................................................................................................................................42

II.7.1.1 Dfinition et principe ....................................................................................................42

Tableau des matires

II.7.1.2 Calcul de rsistance ......................................................................................................44

II.7.2 Roulement .............................................................................................................................46

II.7.2.1 Introduction ....................................................................................................................46

II.7.2.2 Calcul de rsistance........................................................................................................47

II.8 Emmanchement mandrin support corps ................................................................................50

II.9 Conclusion ...................................................................................................................................51

CHAPITRE III: Ralisation de l'outil de galetage

III.1 Introduction ................................................................................................................................52

III.2 Dfinition dun travail unitaire...................................................................................................52

III.3 Etude de dessin de dfinition .....................................................................................................52

III.4 Linventaire des diffrentes surfaces usiner ............................................................................53

III.5 Graphe orient des conditions du BE...........................................................................................53

III.6 Dtermination des oprations lmentaires................................................................................53

III.7 Qualit dimensionnelle...............................................................................................................53

III.8 Etat de surface ............................................................................................................................54

III.9 Rigidit de la pice.....................................................................................................................54

III.10 Contrat de phase .......................................................................................................................54

III.11 Conclusion................................................................................................................................82

CHAPITRE IV: Effet du galetage sur la rugosit d'un acier X8CrNiS18-9

IV.1 Plans dexpriences....................................................................................................................83

IV.1.1 Introduction .........................................................................................................................83

IV.1.2 Dfinition.............................................................................................................................84

IV.1.3 Espace exprimental............................................................................................................85

IV.2 Modlisation par les plans dexpriences ..................................................................................86

IV.2.1 Matrice dexpriences .........................................................................................................88

IV.2.2 Matrice des effets ................................................................................................................88

IV.2.3 Calcul des coefficients du modle.......................................................................................89

IV.3 Plans factoriels complets deux niveaux (2k) ............................................................................91

IV.3.1 Dfinition.............................................................................................................................91

IV.3.2 Avantages des plans factoriels complets .............................................................................91

IV.4 Analyse de la variance ANOVA ..........................................................................................92

IV.5 Equipements utiliss .................................................................................................................94

Tableau des matires

IV.5.1 Matriau...............................................................................................................................94

IV.5.1.1 Composition chimique et microstructure......................................................................94

IV.5.1.2 Caractristiques mcaniques.........................................................................................94

IV.5.2 Machine-outil ......................................................................................................................95

IV.5.3 Description du dispositif de galetage ..................................................................................95

IV.5.4 Prparation des prouvettes.................................................................................................96

IV.5.5 Appareil de mesure de Rugosit..........................................................................................97

IV.6 Analyse et discussion des rsultats ............................................................................................98

IV.6.1 Dtermination et vrification du modle.............................................................................98

IV.6.2 Analyse du modle ............................................................................................................101

IV.6.3 Effet de la profondeur sur la rugosit de surface...............................................................102

IV.6.4 Effet du nombre de passes de loutil sur la rugosit de surface ........................................103

IV.6.5 Effet de la vitesse de rotation sur la rugosit de surface ...................................................103

IV.6.6 Effet de lavance de galetage sur la rugosit de surface....................................................104

IV.6.7 Effet de linteraction du nombre de passes et lavance de galetage sur la rugosit ..........105

IV.6.8 Effet de linteraction de la vitesse de rotation et lavance de galetage sur la rugosit......106

IV.7 Conclusion ...............................................................................................................................107

CHAPITRE V: CONCLUSION GENERALE ................................................................... 108

ANNEXES

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Rsum

Le galetage bille est un procd par dformation plastique superficielle permettant

ainsi un traitement mcanique par formage froid des surfaces des pices mcaniques, il a t

utilis progressivement comme une opration de finition qui donne des avantages

supplmentaires tels que laugmentation de la duret de surface, la rsistance la fatigue, la

rsistance lusure et la gnration des contraintes rsiduelles de compression. Le but de cette

recherche est de faire une tude, une conception, une ralisation dun outil de galetage bille

ainsi que sa validation par ltude de linfluence de ses paramtres savoir : profondeur de

galetage, vitesse de rotation , avance et nombre de passes de loutil sur la rugosit de surface

(Ra) dun acier X8CrNiS18-9 par lapplication dun plan dexprience factoriel complet bas

sur une tude statistique afin de dterminer un modle mathmatique lient la rugosit de

surface en fonction des quatre paramtres du rgime de galetage bille. Les rsultats

exprimentaux ont rvl quune amlioration de la rugosit environ 65 % a t obtenue, ce

qui a permis de valider notre objectif.

Mots cls : Acier X8CrNiS18-9 ; galetage bille ; rugosit ; plan dexprience.

.

.

X8CrNiS18-9

:

(Ra)

.

. 65

- - -X8CrNiS18-9 :

Abstract

Ball burnishing is a superficial plastic deformation process which allows mechanical

processing by cold forming of surfaces and mechanical parts. It was used gradually as a

finishing operation which gives additional advantages such as: the increase in surface

hardness, resistance to fatigue, resistance to wear and to the generation of residual

compressive stresses. The aim of this research is to make a study, a design, and a realization

of ball burnishing tool as well as its validation by studying the influence of its parameters

namely: rolling depth, speed of rotation, advance and number of tool passes in the surface

roughness (Ra) of a steel X8CrNiS18-9. This has been achieved by applying a complete

factorial experimental plan based on a statistical study to determine a mathematical model and

links the surface roughness as a function of the four parameters of the ball rolling regime.

The experimental results revealed that an improvement of roughness of about 65% was

obtained, which enabled us to validate our objective.

Keywords: steel X8CrNiS18-9, ball burnishing, roughness, experimental design.

Liste des figures

LISTE DES FIGURES

CHAPITRE I :Figure I. 1 Courbe de traction (contraint/dformation)........................................................................4Figure I. 2 Principe de la durt Brinell.................................................................................................6Figure I. 3 Principe de mesure de la durt Rockwell ...........................................................................7Figure I. 4 Principe de durt Vichers ...................................................................................................7Figure I. 5 Reprsentation schmatique de la surface ........................................................................11Figure I. 6 Classement des irrgularits de surface............................................................................11Figure I. 7 Influence de la topographie sur le comportement des surfaces et du milieu intrafacial(troisime corp) ..................................................................................................................................12Figure I. 8 Paramtres de rugosit......................................................................................................13Figure I. 9 Principe de fonctionnement du brunissage.......................................................................15Figure I. 10 Outil du brunissage commercialis par la firme COGSDILL TOOL ............................15Figure I. 11 Diffrenes surfaces traiter par galetage .......................................................................15Figure I. 12 Diffrents types de galetage ...........................................................................................17

CHAPITRE II:Figure II. 1 Schma d'un ressort hlicoidal ........................................................................................23Figure II. 2 Schma de dimension de ressort compression ................................................................25Figure II. 3 Contrainte de torsion .......................................................................................................29Figure II. 4 Contrainte de cisaillement...............................................................................................29Figure II. 5 Contrainte de torsion+cisaillement+fatigue de vibration................................................31Figure II. 6 Raction des pices .........................................................................................................31Figure II. 7 Schma de filets triangulaire (mtrique ISO)..................................................................32Figure II. 8 Mode de ruine de l'assemblage viss ..............................................................................33Figure II. 9 Relation entre l'angle, le diamtre et le pas de l'hlice....................................................33Figure II. 10 Schma de deux manires de calculer l'aire cisaille....................................................34Figure II. 11 Action de contact sur un filet ISO.................................................................................36Figure II. 12 Schma de la dformation des irrgularits de surface lors d'un traitement par bille42Figure II. 13 Illustration de la zone de recouvrement de la bille de galetage ....................................46Figure II. 14 Roulement une rang de billes contact oblique .......................................................47Figure II. 15 Dimension de roulement ...............................................................................................47Figure II. 16 Assemblage mandrin support-manchon guide ..............................................................50

CHAPITRE IV:Figure IV. 1 Schma de l'exprimentation .........................................................................................84Figure IV. 2 Espace exprimental et domain d'tude.........................................................................86Figure IV. 3 Disposition des points exprimentaux d'un plan 2 ........................................................91Figure IV. 4 Tour universel WEILER GmbH....................................................................................95Figure IV. 5 Routage d'usinage pour l'acier .......................................................................................96Figure IV. 6 Dessin dfinition de l'prouvette ...................................................................................97Figure IV. 7 Appareil de mesure des tas de surface ( SURFTEST SJ-410Mitutoyo)......................97Figure IV. 8 Effet de le profondeur de galetage sur la rugosit de surface......................................102Figure IV. 9 Effet du nombre de passes de l'outil sur la rugosit de surface ...................................103Figure IV. 10 Effet de la vitesse de rotation sur la rugosit de surface............................................103Figure IV. 11 Effet de l'avance de galetage sur la rugosit de surface ............................................104Figure IV. 12 Effet de l'interaction du nombre de passes de l'outil et l'avance de galetage sur larugosit de surface............................................................................................................................105Figure IV. 13 Effet de l'interaction de la vitesse de rotation et l'avance de galetage sur la rugosit..........................................................................................................................................................106

NOMENCLATURE

^

NOMENCLATURE

SYMBOLES DESIGNATION

Yp -YvHauteur dun pic Profondeur dun creux, en rugosit de surface, par rapport la lignemoyenne.

RpHauteur profondeur maxi des pics et creux, en rugosit de surface, par rapport la lignemoyenne.

RyEcart entre le pic le plus haut et le creux le plus profond (Ry = Rp +Rm ) sur la longueurde base, en rugosit de surface.

RzHauteur des irrgularits sur dix points = moyenne des valeurs absolus des 5 Yp et 5 Yvles plus grands, sur 5 segments dvaluation conscutifs, en rugosit de surface.

Si Pas de saillies locales du profil, en rugosit de surface.

SmiPas des irrgularits du profil = longueur de la ligne moyenne contenant un pic et uncreux conscutif, en rugosit de surface.

Hv Nombre de durets Vickers.

HB Nombre de durets Brinell.

HRc Nombre de durets Rockwell.

Contrainte conventionnelle par traction.

Dformation conventionnelle par traction.

Contrainte de cisaillement.

G Module dlasticit transversal ou module de Colomb.

s Coefficient de scurit

E Module dlasticit longitudinal ou module de Young.

k Constante.

oContrainte dcoulement reprsentant la frontire entre le domaine lastique et ledomaine plastique.

n Coefficient dcrouissage ou de consolidation.

s Allongement plastique homogne ou allongement avant striction.

v Vitesse de galetage.

f Avance de galetage.

vc Vitesse de coupe (usinage).

ac Avance de coupe (usinage).

pc Profondeur de coupe (usinage).

RtMoyenne arithmtique des carts de profil, en rugosit de surface, par rapport la lignemoyenne, aprs tournage.

RaMoyenne arithmtique des carts de profil, en rugosit de surface, par rapport la lignemoyenne, aprs galetage.

Re Limite de rsistance llasticit, en traction.

R Limite de rsistance la rupture, en traction.

A Allongement en %.

Rer Limite de rsistance llasticit, en traction, aprs recuit.

Rr Limite de rsistance la rupture, en traction, aprs recuit.

Ar Allongement en %, aprs recuit.

Limite dendurance ou rsistance la fatigue pour un nombre de cycles infini.

Rev Limite de rsistance llasticit, en traction, aprs revenu.

Rv Limite de rsistance la rupture, en traction, aprs revenu.

Av Allongement en %, aprs revenu.

y Fonction du modle mathmatique.

Coefficients du modle mathmatique.y Moyenne de tous les iy obtenus par les expriences ralises

Liste des tableaux

LISTE DES TABLEAUX

CHAPITRE I :

Tableau I. 1 Comparaison des trois mthodes principales utilises pour la dtermination de la durt

..............................................................................................................................................................9

CHAPITRE II :

Tableau II. 1 Caractristiques mcanique des matriaux .................................................................19

Tableau II. 2 Caractristiques mcaniques de chaque pice.............................................................20

Tableau II. 3 Compositions chimique et caractristiques mcanique de matriau NF A 47-301 ....24

Tableau II. 4 Les donnes de ressort ................................................................................................26

Tableau II. 5 Caractristiques de matriau .......................................................................................31

Tableau II. 6 Profil d'assemblage......................................................................................................32

Tableau II. 7 Rsistance en traction des matriaux courants............................................................35

Tableau II. 8 Rsistance en cisaillement des matriaux courants.....................................................35

Tableau II. 9 Coefficients de frottement acier sur acier selon la finition et la lubrification.............37

Tableau II. 10 Etat de calcul dassemblage mandrin support et tete de loutil ...............................40

Tableau II. 11 Etat de calcul dassemblage vis de rglage et corps de loutil ................................41

Tableau II. 12 Caractristiques de matriau .....................................................................................44

CHAPITRE IV :

Tableau IV. 1 Matrice d'expriences ................................................................................................88

Tableau IV. 2 Compsition chimique de X8CrSi18-9........................................................................94

Tableau IV. 3 Caractristiques mcaniques de X8CrNiS18-9..........................................................94

Tableau IV. 4 Caractristiques de la machine-outil..........................................................................95

Tableau IV. 5 Valeur d'chantillonnage d'valuations standards pour la dtermination de Ra........98

Tableau IV. 6 Matrice d'expriences et rsultats ..............................................................................99

Tableau IV. 7 Coefficients des modles et leurs signification........................................................100

Tableau IV. 8 Test de Fisher pour la rugosit de surface ...............................................................101

Tableau IV. 9 Valeurs et niveaux de variation des paramtres du gale ..........................................102

Introduction Gnrale

FSI/MCM15 Page 1

INTRODUCTION GENERALE

Dans les structures mcaniques, les surfaces des organes de machines sont les plus exposes

aux attaques extrieures qui sont de natures diverses (frottement, usure, corrosion, fatigue, etc.), des

sollicitations dynamiques (sollicitations de fatigue) qui occasionnent la rupture brutale des pices en

service. Dans la pratique, il a t constat que la majorit des cas de rupture dbute souvent avec un

amorage en surface. Elle est galement la partie de la pice o se produit les phnomnes de

frnsie, de grippage et de matage. De plus, les zones superficielles sont souvent les plus sollicites

causes des concentrations de contraintes imposes par la gomtrie d'une pice mcanique

(prsence de trous, des entailles et autres discontinuits gomtriques).

La qualit de la couche superficielle reprsente un facteur essentiel pour l'intgrit de la

structure mcanique. En effet, la dgradation de la surface de la pice entrane leffondrement de la

pice, ce qui occasionne des avaries voire larrt des ensembles mcaniques (machines,

quipements de transport, mcanismes de scurit, etc.).

Le comportement des pices mcaniques est donc li aux proprits des couches

superficielles. Ces dernires sont caractrises par les qualits physiques et gomtriques ; elles

prsentent une importance particulire afin de satisfaire des exigences prcises telles que : une

bonne tenue lusure, une grande rsistance la fatigue, un faible coefficient de frottement et une

bonne rsistance aux divers types de sollicitations. Ces exigences sont dune grande importance,

non-respect des dysfonctionnements dans lensemble et peut entraner des dgradations

prmatures. Sachant quune bonne tenue des pices en service est conditionne par les proprits

(physiques et gomtriques) des couches superficielles et que les proprits micro gomtriques

(rugosit) ainsi que la duret superficielle, accommodent de manire dcisive le comportement et la

dure de vie des organes mcaniques. Ainsi entre le moment o lon dcide de concevoir une

structure industrielle ayant une fonction donne et le moment de sa mise en service, il existe

plusieurs tapes que les industriels doivent matriser. Une de ces tapes reprsente le choix du

matriau et des procds de mise en uvre. Ces derniers sont trs varis dans la fabrication

mcanique. Ils comprennent plusieurs modes dobtention dbauche, plusieurs procds de mises en

forme et un grand nombre de traitements. Les procds de mises en forme sont pour une grande part

bass sur lenlvement de matire avec lemploi des outils artes dfinies ou non dfinies. Les

outils de coupe employs sont de matriaux diverses (acier rapide de coupe, carbure divers,

carbures revtus par les procds PVD, les cramiques, les outils en diamants) permettent dusiner

des mtaux et des alliages de plus en plus durs. Les outils artes non dfinie (meule par exemple)

Introduction Gnrale

FSI/MCM15 Page 2

sont prvus dans lusinage de finition (rectification) qui est prconise aprs les phases de

traitements thermiques pour la correction des dfauts gomtriques et lamlioration de laspect de

surface.

Les procds sans enlvement de copeaux ou traitements mcaniques de surface (TMS), qui

agissent par dformation plastique superficielle (DPS) trouvent leur place comme procds de

finition, assurent aux pices usines de bonnes proprits physique et gomtrique avec un indice

conomique relativement amlior. Les procds par (DPS) sont dune mise en uvre relativement

simple, moins coteux et consistent amliorer les proprits locales (en surface) du matriau.

Cest dans ce contexte et pour ce but que cette tude est oriente sur les traitements

mcaniques de surface (TMS). On tente de donner des proprits particulires aux couches

superficielles des pices en acier, en leur appliquant le traitement par (DPS) en loccurrence le

galetage. Bien que les tudes entreprises jusqu ce jour dans le domaine de la dformation

plastique des matriaux aient permis des progrs importants du processus, il est ncessaire de les

ractualiser et de les poursuivre afin de rpondre aux nouvelles conditions du contexte industriel. Il

apparat, en particulier que la complexit des interactions de nombreux facteurs impliqus dans les

phnomnes de dformation, ncessite des exprimentations spcifiques et bien contrles pour

chaque matriau dans le but de dfinir les meilleurs paramtres de traitement (rgime optimal)

relatifs aux rponses exiges.

Dans le premier chapitre sont prsentes une tude bibliographique sur les mtaux et leurs

proprits mcaniques, les traitements de surface. On situe le choix du procd de traitement, les

diffrents essais de duret, ltat de surface et procd de traitement mcanique de surface (TMS)

par galetage.

Le deuxime chapitre est consacr la partie de conception de loutil de galetage bille et

ltude de rsistance des matriaux des pices.

Le troisime chapitre est ltude complte de instrument ralise nous prsentons dans ce

chapitre une mthode dveloppes et tude des analyse de fabrication qui ncessite nous du

prparer du bureau des mthodes.

Concernant le quatrime chapitre est consacr ltude de la partie statistique de traitement

mcanique de surface (TMS) par galetage, une synthse des rsultats exprimentaux et leurs

discussions a t prsents la prsentation des paramtres de rgime par logiciels Minitab, suivi par

une conclusion gnrale.

CHAPITRE I :

Gnralit sur les

traitements mcaniques

Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques

FSI/MCM16 Page 3

I.1Introduction

Un matriau est une substance matire d'origine naturelle ou artificielle que l'homme utilise

pour produire des objets. Un matriau, reprsente une matire de base choisie en raison de ses

proprits particulires et de la mise en uvre en vue d'un usage spcifique. Les proprits

particulires des matriaux sont offertes par la nature chimique des diffrentes matires premires.

On distingue ainsi quatre grandes familles de matriaux : mtalliques, composites, organiques,

minraux. Les matriaux mtalliques sont des mtaux purs ou des alliages de mtaux [1].

Les mtaux prsentent tous lclat mtallique sur une coupe frache, d la rflexion de la

lumire sur le nuage dlectrons libres; lexception du mercure, les mtaux sont solides

temprature et pression normales, en raison de la valeur leve de lnergie de la liaison

intermtallique ; ils prsentent habituellement de bonnes proprits mcaniques, particulirement la

ductilit et la mallabilit qui tiennent la souplesse de la liaison mtallique et dautres proprits

physiques tels que la conductibilit lectrique et thermique.

I.2 Proprits mcaniques des mtaux

Les proprits mcaniques courantes des mtaux sont lies aux concepts usuels dlasticit et

de plasticit. Elles rsultent des diffrentes orientations des cristaux et de la prsence des joints de

grains.

I.2.1 Elasticit et plasticit

Lune des proprits principales de ltat mtallique est laptitude la dformation sous leffet

dune contrainte. Selon la valeur de celle-ci, la dformation rsultante peut tre lastique, cest--

dire quelle se rsorbe si la contrainte cesse dtre applique, ou plastique, dans ce cas le solide

conserve une dformation permanente aprs que la sollicitation mcanique est t supprime [2].

On caractrise quantitativement la plasticit par laptitude dun mtal ou dun alliage donn

tolrer sans se rompre une dformation plus ou moins importante. Cette proprit, qui tient la

nature de la liaison entre atomes constituants le solide mtallique, est spcifique [1]. Les solides

mtalliques tmoignent gnralement la fois dune notable rsistance et dune capacit importante

de dformation. On mesure les diffrentes phases de dformation et mme de rupture de tous les

matriaux en utilisant l'essai de traction. Cet essai pratiqu sur des prouvettes, permet de construire

une courbe (contraintes/dformation) (Fig.I.1).La courbe nous renseigne sur deux zones principales,

c'est--dire deux tats ou proprits du matriau et qui sont : la une zone de dformation lastique

appele lasticit (OA) et la une zone de dformation plastique, appele plasticit (AB).


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L'lasticit est la facult que possde le mtal de pouvoir subir une dformation qui cesse

aprs suppression de l'effort qui la provoque, quand un chantillon de mtal est soumis un effort

relativement faible, il ne subit que des dformations lastiques. La position moyenne des atomes

n'est que lgrement modifie.

La plasticit du mtal revt deux aspects principaux :

mallabilit : possibilit de rduire le mtal en feuille plus ou moins mince.

ductilit : facult de pouvoir tirer le mtal en fils sans le rompre.

I.2.2 Rsistance mcanique

C'est la capacit d'une structure de rsister aux efforts mcaniques extrieurs, le plus souvent

cette grandeur est caractrise par la rsistance la rupture r mesure la suite d'un essai de

traction, c'est la grandeur la plus utilise pour la majorit des pices soumises un chargement

statique [2, 3].

I.2.3 Rigidit

Intervalle de la dformation lastique rversible d'une structure atomique. Cette proprit est

lie aux forces inter atomiques dues la variation de distance entre les atomes. Elle est caractrise

par le module longitudinal de Young o la loi de Hooke est valable. Elle est mesure suite un

essai de traction [4,5].

Figure I.1 Courbe de traction (contrainte/dformation).


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I.2.4 Ductilit

Cest le domaine de la dformation permanent irrversible d'une structure, souvent dsign

sous le nom de domaine plastique, cette plasticit est due au glissement irrversible entre les plans

cristallographiques du matriau, un matriau ductile peut tre tir ou allong sans se rompre [4].

I.2.5 Tnacit

Elle reprsente la capacit globale du matriau absorber l'nergie d'une dformation, et

caractrise sa rsistance la propagation brutale de la fissure. Cette proprit est quantifie par la

mesure de la rsilience [4,6].

I.2.6 Rsistance la fatigue

Elle caractrise la rsistance une sollicitation cyclique, type traction compression ou autre,

elles caractrise par la limite d'endurance D qui est mesure par les courbes de Whler [7].

I.2.7 Duret

L'essai de duret sert caractriser la rsistance la dformation plastique d'un matriau non

fragile l'aide d'un essai simple et rapide. La duret est dfinie comme la rsistance oppose par

l'prouvette la pntration d'un corps plus dur.

Comme la gomtrie de l'coulement plastique lors d'un essai de duret est complexe, l'essai

de duret n'est pas considr comme une analyse du comportement mcanique d'un matriau au

mme titre que l'essai de traction. L'essai de duret ne fournit qu'une seule valeur. En revanche,

l'essai est trs simple raliser, n'utilise pas de machine coteuse et n'exige pas l'usinage d'une

prouvette, puisqu'une surface plane de quelques mm suffit. En rsum, c'est un essai bon march et

souvent employ pour des essais comparatifs de sries d'prouvettes et pour examiner les effets des

divers traitements thermiques, thermomcaniques ou thermochimiques.

De nouvelles techniques ont largi le champ dapplication de lessai de duret. Ainsi les

fabricants proposent maintenant des appareils permettant de mesurer quelques caractristiques

supplmentaires (Module Young, Module de Coulomb, Coefficient de Poisson, Viscosit,

Forces dadhsion (entre la pointe et le substrat) ou encore tnacit et nergie de rupture, etc.)

partir de lenregistrement de la courbe force-dplacement [8].

I.2.7.1 Duret et rsistance en traction

La duret comme la rsistance la traction Rm, dtermine partir de l'essai de traction,

fonctions de la limite d'lasticit et de l'crouissage. Il n'est donc pas surprenant qu'on trouve

souvent une assez bonne corrlation linaire entre ces deux valeurs lorsqu'on compare les alliages

d'un mme type (aciers au carbone, alliages base d'Al, etc.)

R (en MPa) .H (I. 1)

H est la duret Vickers HV ou Brinell HB etune constante qui dpend du type d'alliage

considr. Pour les aciers au carbone et les aciers faiblement allisvaut environ [3].


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I.2.7.2 Types d'essais

Essai de duret Brinell

Lessai a t dit ds 1924. Il consiste faire pntrer dans le mtal tester, une bille polie

de forme sphrique en acier tremp ou en carbure de tungstne (Fig. I.2). Le diamtre D utilis peut

valoir 1 mm, 2,5 mm, 5mm et 10mm. La charge applique sur le mtal est maintenue pendant 15

30s selon le solide. Aprs lannulation de la charge, la bille laisse dans le mtal une empreinte circulaire

permanente dont on mesure le diamtre (quel type de diamtre normalement cest le diamtre

moyen).

La force F tant exprime en kgf, le diamtre de l'empreinte d (mme remarque) en mm et la duret

Brinell HB est exprime en kgf /mm2 selon la relation suivante (I.2).

HB =2F

D(D D d)(I. 2)

Avec :

d =d + d

2

Essai de duret Rockwell

Lessai consiste mesurer la profondeur rmanente de lempreinte indente. Le

pntrateur de forme gomtrique conique pour le critre HRC(Fig. I.3.a), ou bien sphrique

pour le critre HRB (Fig.I.3.b) est appuy sous faible charge, sur la surface essayer et dans des

conditions bien prcises. Le pntrateur conique est en diamant de section circulaire et dangle

au sommet 120 pointe arrondie sphrique de rayon de 0,2mm. Le pntrateur sphrique est

une bille dacier trempe polie de diamtre 1,588mm ou 3,175mm [8]. Lessai se droule en trois

phases.

Figure I.2Principe de la duret brinell.


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Une phase I de pntration initiale avant charge additionnelle : aprs application dune

charge initiale F0 = 98N (10 kgf). La profondeur de pntration tant lorigine qui sera

utilise pour la mesure de la duret.

Une phase P de pntration avec charge additionnelle : Sous la charge supplmentaire F1,

le pntrateur senfonce dune profondeur P.

Une phase R de pntration rmanente sans la charge additionnelle : La force F1est

relaxe et on lit les indications de lenfoncement.

Lessai de duret Vickers

Il consiste imprimer dans le mtal test une empreinte avec un pntrateur en diamant de

forme gomtrique pyramidale base carre et dangle au sommet entre deux faces opposes de

136, sous laction dune force connue. On mesure la diagonale de lempreinte laisse par le

pntrateur (Fig. I.4).

Figure I.4 Principe de duret Vickers.

aFigure I.3 Principe de mesure de la duret Rockwell

Echelle HRC Echelle HRB


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Gnralement la gamme des forces utilisables (5 100 kgf) permet dappliquer cette mthode

avec toutes les dimensions dchantillons. Pour des raisons de fiabilit de lessai, la force est choisie

de telle manire donner une empreinte ayant la diagonale moyenne infrieure aux deux tiers de

lpaisseur dempreinte. Dautre sources prconisent que la profondeur de pntration ne dpasse

pas le huitime de lpaisseur de la pice tester [8].

La force F tant exprime en kgf, le diamtre de l'empreinte d en mm et la duret Vickers est

exprime en kgf /mm2

Selon la relation suivante (I.3).

HV =1,8454P

d(I. 3)

Avec d =

Lessai de Vickers est celui qui fournit la plus grande diversit de renseignement. Il possde

deux avantages principaux : tre souvent non destructifs et pouvoir tre rpt un grand nombre de

fois ; cest--dire se prter une interprtation statistique (dislocation des diagonales dempreinte

suivant une loi gaussienne).


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Intrt et application des essais dindentation

Le tableau I.1 regroupe les principales directives pour une bonne ralisation dun essai de

duret par indentation [9].

Type d'essai Brinell Vickers Rockwell

Symbole HB HV HR

Pntrateur

Bille de diamtre Den

acier tremp. Duret

min 6 HB

Pyramide rgulire,

base carr. Angle

entre 2 faces

opposes:136

HRC: cne en diamant,

angle au sommet =120

HRB: bille d'acier

Mode

d'application de

la charge

Chargement progressif

pendant 15

s, maintien 15 s puis

dcharge

Comme HB

PrchargeP0, puis

charge supplmentaire,

et retour P0

Valeur mesure

Moyenne de 2

diamtres

perpendiculaires d de

l'empreinte

Moyenne des 2

diagonales d

Profondeur de

pntration

Adaptation la

duret du

matriau

Choix de la charge P

telle que

0,3 D< d < 0,6 D

Choix de la charge P

telle que

d> 0,4 mm

-

Mesure pour H

(voir formules)

P/surface de la calotte

sphrique

P/surface de

l'empreinte

pyramidale

Complment' la

profondeur de

pntration

Application

principale

Aciers non tremps,

fontes, soudures,

mtaux non-ferreux

Aciers tremps,

aciers outilsAciers tremps

Avantages

D tant relativement

large HB convient

pour les matriaux

htrognes

Pratiquement

indpendant de la

charge. Convient bien

pour les pices minces

Mesure la plus simple,

la lecture directe

permet une acquisition des

donnes

automatiques

Inconvnients

HB est fonction de la

charge. Formation de

bourrelets au bord de

l'empreinte

Ne convient pas pour

les matriaux

htrognes

(petite empreinte)

Dispersion importante

des mesures

Tableau I.1 Comparaison des trois mthodes principales utilises pour la dtermination de la duret


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Les diffrents essais par pntrateurs ont permis dtablir des relations empiriques [10, 11]

partir de corrlation entre la duret Vickers HV, la duret Brinell HB et la rsistance de la rupture

pour dfrents aciers (relations I.4 et I.5):

= 77,14 + 2,6396 + 0,0010 2 (I. 4)

= 164,71 + 2,222 + 0,002 2 (I. 5)

A partir de ces deux relations, il est possible de relier directement les durets Vickers et

Brinell. Diffrentes autres relations sont proposes dans la bibliographie pour relier les durets et

les caractristiques mcaniques des matriaux [12] mais ces relations sont empiriques et doivent

tre utilises avec prudence.

I.3Qualit physico-gomtrique

On appelle tats de surface les irrgularits des surfaces dues au procd dlaboration de la

pice (usinage, moulage, etc.). Ils sont, le plus souvent, mesurs avec des appareils palpeur

pointe de diamant, appels profilomtres, qui relvent le profil de la surface. Ces appareils

impriment un graphique anamorphos du profil rel palp (cest--dire que lagrandissement

vertical est plus important que lagrandissement horizontal). Ce graphique permet de visualiser la

forme des irrgularits et destimer leur profondeur et leur espacement.

I.3.1 La surface

En tribologie, la surface ne dfinit pas uniquement la zone de sparation des corps, mais

concerne toutes les caractristiques du contact qui jouent un rle sur le frottement, c'est--dire sur

les contraintes mcaniques, les tempratures et les comportements du troisime corps (lubrifiant,

dbris d'usure, etc.). Par consquent, on admettra que les paramtres dfinissant la surface

correspondent l'ensemble des proprits mcaniques, physiques et chimiques des matriaux en

prsence, ainsi qu'aux caractristiques gomtriques du contact incluant, par extension, la forme des

pices [8,9].

I.3.2 L'tat structural et physique

D'une faon gnrale, les caractristiques d'une surface diffrent de celles du matriau (dans

lamasse), d'une part parce que la symtrie de la structure atomique est rompue (modification des

forces de liaison, de la concentration en dfauts, etc.), d'autre part parce que l'environnement

(atmosphre, contraintes appliques, temprature, etc.) peut modifier considrablement les couches

superficielles, en crant des concentrations d'lments trs diffrentes des valeurs moyennes

volumiques.

Aprs qu'elle ait t prpare par (traitements thermiques, usinages...) et place dans son


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environnement de travail, une surface est constitue d'une succession de couches reprsente

schmatiquement dans la fig.I.5.

I.3.3 Topographie

I.3.3.1 Dfinition

Ce terme gnrique regroupe l'ensemble des facteurs caractrisant les irrgularits

gomtriques d'une surface, qui vont du domaine microscopique dfini plus gnralement par la

rugosit, au domaine macroscopique correspondant la gomtrie de contact. Les irrgularits

dune surface peuvent tre classes en trois niveaux (fig. I.6). Sont donc concerns tous les effets

qui rsultent de la mise en uvre et du parachvement d'une pice mcanique (oprations de mise

en forme, de mise la cte, traitements thermiques, traitements de surfaces), et en particulier :

la gnration de sillons, asprits, cavits, porosits, etc.

la gnration de dfauts de forme (linarit, circularit, etc.).

Figure I.5Reprsentation schmatique de la surface [8].

Figure I.6 Classement des irrgularits de surface.


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I.3.3.2 Importance de la topographie

La rugosit est un paramtre important dont on connat par ailleurs ses effets sur la

rsistance la corrosion et le comportement mcanique des matriaux.

La topographie agit sur la plupart des facteurs qui gouvernent le comportement au

frottement et l'usure, et notamment (Fig. I.7): le mode de contact ; le comportement du milieu

Inter faciale (troisime corps).

Lorsqu'elle concerne plus particulirement le domaine des pices d'outillage destines la

mise en forme (coupe, dformation, moulage, etc.), la rugosit constitue aussi un facteur

dterminant pour la qualit des produits finis (proprits d'aspect, etc.)[10].

La rugosit intervient de manire prpondrante dans le processus de galetage, auquel est

systmatiquement lie une diminution des irrgularits de surface ; cette volution correspond une

limination des asprits, se produisant ou bien par cisaillement - dchirement (avec mission de

dbris), ou bien par consommation chimique (action des additives extrmes pressions des

lubrifiants), ou bien encore par plastification.

La dfinition de la topographie prend en compte toutes les caractristiques des irrgularits

de surface : dimensionnelles (par exemple hauteur des pics ), gomtriques (par exemple forme,

acuit des asprits ou des cavits), mais aussi la rpartition et lorientation (prfrentielle ou

alatoire, etc.). Les caractristiques topographiques des surfaces sont caractrises par lacuit, la

forme, lorientation des rugosits.

Figure I.7 Influence de la topographie sur le comportement des surfaces et du

milieu inter faciale (troisime corps).


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I.3.3.3 Paramtres de rugosit

Les paramtres dtat de surface les plus couramment utiliss sont rcapituls dans la fig. I.8.

- MM : Ligne moyenne indiquant la direction gnrale du profil.

- L : Longueur de base servant de mesure et de calcul les paramtres de rugosit.

- YP : Hauteur dun pic par rapport MM.

- YV : Profondeur dun creux par rapport MM .

- Rp, Rv (ou Rm) : Hauteur, Profondeur maxi des pics et creux, par rapport MM .

- RT : Rti(ou Ry) Ecart max sur la longueur dvaluation, (Ry=Rp+Rm).

- Rtm : Moyenne des Rti sur la longueur totale dvaluation.

- R i : Profondeur lmentaire de la rugosit.

- R : Profondeur moyenne de la rugosit (moyenne Ri sur la longueur dvaluation).

- Rmax : Profondeur maximum de la rugosit.

- R z : Hauteur des irrgularits sur 10 points (moyenne des valeurs absolues des 5Yp et 5Yv les

plus grands, sur 5 segments dvaluation conscutifs.

- R a : Moyenne arithmtique des carts de profil par rapport la ligne moyenne, reprsente

lavaleur moyenne des distances des pointes successives.

- Si : Pas de saillies locales du profil.

- Smi : Pas des irrgularits du profil (moyenne des Smi sur la longueur de base).

Rugosit minimale

Ramene aux facteurs dimensionnels et de forme, cette notion sous-entend principalement :

hauteur minimale des rugosits ;

acuit (rayon de courbure) minimale des pics.

La premire prescription s'adresse en particulier aux contacts travaillant en rgime lubrifi,

domaine pour lequel la hauteur des asprits dtermine l'paisseur critique des films lubrifiants.

Figure I.8 Paramtres de rugosit.


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La seconde prescription quant elle est quasi universelle puisqu'elle vise, par lamlioration

de la portance (accroissement de la surface relle de contact), diminuer les pressions superficielles

et les risques de vieillissement ou de dgradation qui lui sont associs.

La diminution de l'acuit des asprits va notamment dans le sens d'une amlioration de la

tenue des films superficiels favorables, et plus particulirement ceux sensibles aux effets de

surcharge localise (Films minces et/ou fragiles base d'oxydes, etc.).Pour un grand nombre de

situations, la recherche d'une rugosit optimale se substitue celle d'un perfectionnement du poli

des surfaces.

Lun des critres de mesure de rugosit largement employ est la rugosit (Ra). Elle se

reprsente par les irrgularits releves comme les carts de profil effectif par rapport la ligne de

rfrence dfinie sur la longueur de base, et calcule par la formule suivante :

=1

|()|

1

| | (I. 6)

O n : nombre de pointes successive du profil ; Y1, Y2, Y3,.Yn par rapport la ligne MM

I.4 Traitement mcanique de surface par galetage

I.4.1 Introduction

A travers une opration de mise en uvre, on vise gnralement amliorer les aptitudes

en service des pices mcaniques, tant sur le plan rsistance pendant le fonctionnement (tenue a la

fatigue, rsistance l'usure, rsistance la corrosion, etc.), que sur la qualit de prcision des

couches superficielles du produit [13, 14].

Les traitements mcaniques de surface (TMS) [15] sont des procds qui mettent en uvre

une dformation plastique froid des couches superficielles. Ces procds conduisent en

gnral une surface caractrise par une faible rugosit [16,17], un crouissage des couches

superficielles et des contraintes rsiduelles de compression. De ce nouvel aspect se dduit une

amlioration de la plupart des proprits mcaniques telles que ; la tenue en fatigue [18] la

rsistance lusure, etc.

Parmi ces traitements mcaniques de surface (TMS) qui consistent bonifier les

proprits des matriaux, le galetage est lun des procds qui trouve des applications de plus en

plus larges dans le domaine industriel.


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I.4.2 Dfinition et principe

Le galetage constitue un traitement de mise en uvre froid, il dforme plastiquement les

couches superficielles [19] dune pice ayant subi en gnral un usinage pralable par

enlvement de coupeaux (Fig. I.9).

La technologie du procd est varie selon la machine et loutil utilis [19, 20]. Elle rside

principalement dans le fait que la force applique par l'outil de galetage sur la pice traiter

oblige les couches superficielles de celles-ci subir une dformation plastique.

Le brunissage se fait laide dune pointe en diamant ou avec une bille en acier tremp o en

carbure mtallique. Il constitue une opration simple excuter, vu quelle peut tre ralise sur des

machines-outils aussi bien classique (tour, fraiseuse, etc.), que spciales (galetage) [21].

Le procd intresse aussi bien les surfaces extrieures que les surfaces intrieures (Fig.

I.11).et peut tre appliqu sur des pices de haute duret pouvant atteindre jusqu plus de 50HRC.

Figure I.11Diffrentes surfaces traiter par galetage.

Figure I.9. Principe de fonctionnement du galetage.

Figure I.10. Outil du galetage commercialis par la firme COGSDILL TOOL:

a) partie active, b) corps de loutil.


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I.4.3 Diffrents types de galetage

Le galetage se fait laide dun ou plusieurs galets en acier tremp ou en carbure mtallique.

Il est souvent appliqu la surface usine avec une force dfinie, lorsque les surfaces usiner sont

petites, les galets peuvent tre remplacs par des billes en acier tremp ou cramique [6]. Il

constitue une opration simple excuter, vu quelle peut tre ralise sur des machines-outils aussi

bien classiques (tour, fraiseuse,etc.), que spciales (machine galeter) [18]. Certains travaux ont

montr que le galetage peut tre appliqu aux diffrents types de matriaux condition quils

remplissent les conditions suivantes :

- Rsistance la rupture2mm

daN130R

- Duret Rockwell 42HRc

- Allongement 6%

Selon les objectifs atteindre et les buts recherchs, on distingue :

a) Le galetage de surface :

Il permet damliorer la surface du point de vue macro et micro gomtrie. Toutefois, la

tolrance finale ne dpend pas de cette seule action mais, en premier lieu, de la valeur

dimensionnelle de lopration antrieure, dusinage par exemple, de la prparation de la surface de

la pice galeter : tournage fin, rectification normale ou fine. Le galetage est donc fonction de

lapproche dimensionnelle fournie par lbauche.

b) Le galetage dimensionnel ou de forme:

Le but est de modifier la forme initiale de la pice, soit pour introduire des corrections

volontaires destines un usage particulier (cas du galetage de pignons taille en vue de rduire le

bruit en fonctionnement) soit pour ramener la forme initiale dans la tolrance (cas du galetage

d'bauches de rotules obtenues par frappe). La tolrance se situe entre 0.1 et 0.15mm [18].

c) Le galetage de renforcement :

Il permet d'augmenter la rsistance la fatigue des pices de construction soumises des

contraintes leves. Par dpassement local de la limite d'lasticit, il se produit des prcontraintes

de compression qui ont une influences favorable sur l'endurance du matriau dans les zones

soumises fatigue, notamment alterne (exemple : galetage de congs de raccordement entre une

partie cylindrique et un paulement sur un arbre soumis des flexions alternes).

Ces trois types de galetage sont schmatiss dans la figure I.12

Le procd de galetage dveloppe des prcontraintes de compression, se situant au voisinage

de la limite dlasticit, ces prcontraintes rigoureusement rparties ont une influence


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particulirement favorable sur lendurance du matriau dans les zones soumises des contraintes

aux fatigues svres.

Figure I.12 Diffrents types de galetage

I.4.4 Avantages du galetage

Amlioration de l'tat de surface de la pice usine. Opration conomique du fait qu'elle se

fait sur pice non traite, et donc qu'elle conomise une opration de rectification plus coteuse.

Opration trs prcise, surtout dans le cas de l'utilisation de la commande numrique.

I.4.5 Effet du galetage sur ltat de surface

Aprs un traitement mcanique de surface par le procd de galetage, ltat de surface

obtenue dune pice mcanique varie en fonction de ltat initial comme il a t mentionn

prcdemment par les travaux. Si on considre que ltat initial est un usinage fin normal et quun

traitement de surface est correctement ralis, le galetage permet damliorer ltat de surface, dans

la majorit des travaux de recherche raliss dans le domaine du galetage la rugosit moyenne

arithmtique Ra est le critre le plus utilis pour exprimer ltat de surface.

Leffet damlioration de la rugosit de surface par galetage a une incidence directe sur

laugmentation de la capacit portante de la surface. Si lon considre que pour un tat de surface

parfait, entendant par l rugosit nulle, le pourcentage de la capacit portante est de 100 %.

Autrement, pour une mme rugosit, ce pourcentage est plus important dans le cas dune surface

galete que dans le cas dune surface rectifie, exemple pour un tat de surface initial de rugosit 8

m le pourcentage de la capacit portante est de 60 % pour une surface galete, alors quil nest

que de 20 % pour une surface rectifie.

a b c


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I.5 Conclusion

Les proprits mcaniques des mtaux et alliages sont dun grand intrt puisquelles

conditionnent non seulement les problmes de mise en forme des matriaux mais galement leur

comportement en service dans des applications industrielles extrmement diversifies. Le

choix du matriau dune pice industrielle dpendra des proprits mcaniques tel que :

rsistance, duret, ductilit. Il est donc ncessaire de mesurer ces grandeurs physiques par des

essais mcaniques.

Pour dfinir les caractristiques mcaniques des matriaux, on ralise des essais

mcaniques sur des prouvettes. Le but de ces essais est d'obtenir des valeurs des proprits

qui seront utilisables dans les calculs de rsistance des matriaux ou qui permettront

d'apprcier le comportement d'un matriau en service. Les corrlations sont entirement empiriques

et sont intressantes du point de vue conomique dans le cas o la mesure directe est difficile

effectuer.

CHAPITRE II :

Etude et conception del'outil de galetage

Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage

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II.1Introduction

On a vu dans le premier chapitre que le procde de galetage peut seffectue avec des outils

fabriques localement. Dans ce chapitre nous allons procder la conception de cet outil adapt aux

besoins de notre des ateliers des rouleaux.

On a procd en une conception sous environnement SolidWorks qui reste un logiciel

puissant dans le domaine de la CAO.

II.2 Description de Loutil

II.2 .1 Fonction de l outil

L'outil en question est compos de dix pices lies entre elles avec diffrentes liaisons

(Tableau II.2).il est conu pour galeter les surfaces externes des pices cylindriques.

II.2.2 Caractristiques

La machine : tour conventionnels.

Porte-outil : grands et petits porte-outils.

Pression max fourni:25.726 N.

II.2.3 Rglage de loutil

Le rglage de la pression de galetage peut seffectuer soit laide de la vis de rglage ou bien

avec le dlassement horizontal de chariot de la machine (tour).la pression zro lorsque la bille serrer

en contact avec la surface de la pice.on commence le rglage de pression en compressions le

ressort avec : 1mm donne 25.726 N

II.2.4 Choix de la matire des pices

Notre outil est constitu de six pices lies entre elles avec dfrentes liaisons.et chaque une

de ces pices avec une matire distingue.

Les caractristiques mcaniques de ce matriau :

ReN/mm2

RmN/mm2

Duret

Acier XC 38 400 650 190 HB

Acier X8CrNiS18-9 480 800 250 HB

Bronze CuSn4P 345 180 95 HV

Tableau II.1Caractristiques mcaniques des matriaux [22].


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N Dsignations Matire Fonction QuantitsLiaison avecautre pices

1 Vis de rglage XC 35assurer le maintien deressort et rgle-lapression de galetage

1par serrageavec la tige

2 corps XC35Porte et protge les autreslments

1glissire avecla tige

3 ressort Carde piano

Fournis la pressionncessaire l'opration etl'absorption des vibrationscause par la machine detour.

1Liaisoncomplte avecla tte doutil

4Vis de rglagepression

/liminer la rotation de latige

2par filetageavec le corps

5 Manchon guideBronzeCuSn4P

Assurer le mouvement derotation de Mandrinsupport

1par serrageavec le corps

6 Mandrin support X8CrNiS18-9Transmit la force deressort la partieactive

1par filetageavec la tte deloutil

7Tte de fixation deloutil

XC35Porter de roulement et labille

1

par filetageavecle mandrinsupport

8 Couvercle de loutil XC35 Couvercle de bille 1par filetageavec la tte deloutil

9 Bille 100 Cr 6 joue le rle d'un galet 1par serrageavecle roulement

10Roulement unerange de billes contact oblique

/Assurer le mouvement derotation de la bille

1par serrageavec la ttede loutil

Tableau II.2 Caractristiques mcanique de chaque pice

II.3Conception assist par ordinateur (CAO)

II.3.2Les avantages de la CAO

Cration et modlisation de lobjet 2D/3D.

Manipulations diverses (modifications).

Mise en plan. Cartouche. Nomenclature.

Sauvegarde et archivage.

Module danalyse.


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II.3.1 Dfinition de la CAO

La CAO nest pas une science mais une technique qui sappuie sur la mcanique et

linfographie.

Conception : imaginer et formuler des solutions pour remplir des fonctions dfinies a

lintrieur dun ensemble de contrainte.

Cest un processus dans lequel figurent plusieurs caractristiques :

Lactivit humaine est le fait dun spcialiste de mtier concern (projeteur. dessinateur

prparateur ).

Le dialogue Homme /Machine se fait en temps rel.

Les informations changes graphiques et alphanumriques.

Les diffrentes applications de la CAO permettent de crer des objets en 2D ou 3D et de les

visualiser en modles filaires. surfaciques et volumiques.

Les modles 3D sont tablis par des mthodes dites des lments finis ou des volumes

finis.qui dcompose la structure de lobjet tudier en lments simples (triangles.

paralllpipdes).A partir de ces modles numriques. Des calculs exploitant les lois de la

gomtrie.de la physique et de la mcanique permettent de tester le comportement du produit

raliser. Certains programmes de CAO peuvent faire voluer lobjet dans lespace et le visualiser

selon diffrentes perspective.ou modifier la taille.ou monter lintrieur. Ou mme fournir la liste des

composants ncessaires sa construction. Les programmes 3D de CAO. Gros consommateurs de

puissance de calcul pour les simulations. Ils sont utiliss dans tous les services de recherche et de

dveloppement de nombreux mtiers lis lindustrie (automobile. aronautique). Mais

galement dans des applications ncessitant une reprsentation graphique fidle de ce que lon

envisage de raliser. Comme en architecteur et dans le btiment. Aujourdhui.les fonctionnalits

Internet dun logiciel de CAO permettent de mettre en ligne le catalogue des produits. Dchanger

les donnes de conception au sein dinternet de lentreprise ou sur le Web. Le Web permet

dacheter et de tlcharger auprs de fournisseurs dapplication spcialise des logiciels de CAO

volus pour un usage ponctuel.

II.3.3Mode dutilisation

La CAO est une mthode de travail en temps rel et en mode interactif ou lutilisateur

dialogue avec lordinateur pendant que celui-ci droule son programme. Cette possibilit de piloter

lordinateur entre deux squences de calcul se ralise par actions combines du logiciel et du

matriel.


FSI/MCM16 Page 22

II.3.4Description gnrale de SolidWorks

II.3.4.1Dfinition de SolidWorks

Cest le premier systme de CAO offrir une approche de conception 3D native. Simple

dutilisation et facile apprendre. Le SolidWorks offre les fonctionnalits les plus avances dans le

domaine de la modlisation de pices. La dfinition de formes complexes.la cration et la gestion

de trs gros assemblages et la mise en plan. SolidWorks offre un rapport puissance-prix qui permet

un retour sur investissement trs rapide.

II.3.4.2Lcran graphique de SolidWorks


FSI/MCM16 Page 23

II.4Etudes de rsistance des matriaux de loutil de Galetage

II.4.1Introduction

Les diffrents calculs de rsistance des martiaux peuvent tre effectus selon plusieurs

mthodes. Soit par des formules analytiques. Soit par discrtisation en lments finis ou autres

mthodes numrique. Dans notre tude une combinaison des mthodes de calcul suscites sera

utilise selon le type de calcul faire et selon chargement subit par les pices a tudies.

II.4.2Ressorts de compression hlicodale

Les ressorts en mtal peuvent tre diviss en groupes selon plusieurs aspects. La division

selon le type de charge et la conception structurale d'un ressort peut tre considre comme base.

Les types de ressort les plus courants sont dcrits en dtail comme suit:

a) Ressorts pour une contrainte par des forces axiales (compression/tension) :

- Ressorts hlicodaux (enrouls)

- Ressorts de Belleville et ressorts plaques

- Ressorts annulaires

- Ressorts bobins

b) Ressorts pour une contrainte par des forces transversales (flexion) :

- Ressorts en lames

- Ressorts incurvs

c) Ressorts pour une contrainte par des couples :

- Barres de torsion

- Ressorts en spirale

- Ressorts hlicodaux (enrouls)

II.4.2.1Dfinition

Ce type de ressort. Encore appel ressort boudin ou ressort de compression .Peut tre

considr comme une barre de torsion que l'on aurait enroule en hlice. C'est sans doute le plus

courant.

Figure II.1 Schma d'un ressort hlicodal.

a) ressort etat libre .b) ressort tat comprim complet

(a) (b)


FSI/MCM16 Page 24

II.4.2.2Fonction

Les ressorts jouent le rle daccumulateur denergie pontentielle et le rle de covertisseur

denergie potentielle en energie mcanique de translation ou de rotaion .

II.4.2.3Matriau

Corde piano: NF A 47-301 de classe (SH). Temprature de fonctionnement entre (-30 et +120

C).

Composition chimique

C% Si% Mn% Pmax Smax Cu max

0.5 1.00 0.1-0.31 0.5-1.22 0.02 0.025 0.12

Caracteristiques mcaniques

Re Rm G

920 N/mm2 1225 N/mm2 81500 N/mm

Tableau II.3 Compositions chimique et caractristiques mcanique du matriau NF A 47-301.

II.4.2.4 Paramtres physiques

La partie active du ressort comporte un fil enroul selon une hlice rgulire.mais il faut tenir

compte des extrmits destines assurer la liaison. La figure II.1 ci-dessus reprsente un ressort de

compression extrmits rapproches et meules.

d (Diamtre du fil) : ce paramtre donne l'paisseur du fil utilis pour produire le ressort.

S (Arbre) : ce paramtre correspond au diamtre maximal de l'arbre pouvant tre introduit

dans le ressort. La tolrance concernant ce paramtre est de 0.35 %.

Di (Diamtre intrieur) : le diamtre intrieur d'un ressort peut tre calcul en soustrayant

deux fois le diamtre du fil au diamtre extrieur du ressort. La tolrance concernant ce

paramtre est de 0.35 %.

De (Diamtre extrieur) : le diamtre extrieur d'un ressort peut tre calcul en ajoutant

deux fois le diamtre du fil au diamtre intrieur du ressort. La tolrance concernant ce

paramtre est de 0.35 % (indication).

H (Diamtre alsage) : c'est le diamtre minimal de fonctionnement du ressort. La

tolrance concernant ce paramtre est de 2 %.

P (Pas) : distance moyenne entre deux spires actives successives d'un ressort.

Lc (Longueur bloc) : longueur maximale du ressort aprs blocage complet. Ce paramtre

est indiqu sur la figure II.3b. La tolrance concernant ce paramtre est de 0.93 %.

Chapitre II

FSI/MCM16

Ln (longueur autorise) :

dflexion est plus importante

irrversible d'une forme en rponse une force applique)

L0 (Longueur libre) : la longueur libre est mesure l'tat non compress du ressort aprs

un premier blocage (si ncessaire)

Nbre de spires : nombre total de spires d'un ressort (fig

spires actives. il suffit de soustraire les deux spires des extrmits

K (Raideur) : ce paramtre dtermine la rsistance du ressort lors de sa compression

est mesure comme suit

Figure II

Dans les formules ci-dessus les divers symboles ont les significations

F1, F2, F, Fn, Fb(Kgf) : charges

L0 (mm) : longueur libre

charge.

L1, L2, L, Ln, Lb (mm)

correspondante.

f1, f2, f, fn, fb (mm) : savoir les diffrences entre la longueur libre L

L, Ln, Lb sous les charges F


(longueur autorise) : longueur maximale autorise d'un ressort aprs torsion

dflexion est plus importante. il y a risque de dformation plastique (modification

irrversible d'une forme en rponse une force applique).

: la longueur libre est mesure l'tat non compress du ressort aprs

ocage (si ncessaire). La tolrance concernant ce paramtre est de 0

: nombre total de spires d'un ressort (figII.2). Pour calculer le nombre de

il suffit de soustraire les deux spires des extrmits.

: ce paramtre dtermine la rsistance du ressort lors de sa compression

est mesure comme suit : 1 daN/mm = 10 N/mm.

II.2 Schma de dimension de ressort compression

dessus les divers symboles ont les significations suivantes:

: charges. savoir les forces agissant dans le sens du ressort

: longueur libre. soit la longueur le long de son axe. le ressort nest pas soumis une

(mm) : longueur du ressort soumise des charges F

: savoir les diffrences entre la longueur libre L

sous les charges F1, F2, F, Fn, Fb

Etude et conception de l'outil de galetage

Page 25

longueur maximale autorise d'un ressort aprs torsion. Si la

il y a risque de dformation plastique (modification

: la longueur libre est mesure l'tat non compress du ressort aprs

La tolrance concernant ce paramtre est de 0.93 %.

Pour calculer le nombre de

: ce paramtre dtermine la rsistance du ressort lors de sa compression. Elle

compression

suivantes:

savoir les forces agissant dans le sens du ressort.

le ressort nest pas soumis une

des charges F1, F2, F, Fn, Fb

: savoir les diffrences entre la longueur libre L0 et les longueurs L1, L2,


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Dsignation Symbole Valeur

Diamtre du fil d 3.00mm

Diamtre dArbre S 14.30 mm

Diamtre intrieur Di 15.00 mm

Diamtre extrieur De 21.00 mm

Diamtre moyenne Dm 18.00 mm

Diamtre Alsage Df 21.90 mm

Nombre de spires utilis nu 5.50 Spires

Longueur autorise Ln 25.04 mm

Longueur libre L0 41.40 mm

Longueur bloc Lb 21.00 mm

Raideur K 25.726 N/mm

Charge max. pour (Ln) Fn 420.852 N

Masse totale du ressort Mt 23.6972 g

Tableau II.4 Donnes de ressort [22].

II.4.2.5Calcul statique :

Pour les ressorts dont les spires extrmes sont jointe et meules sur les trois quarts de leur

longueur. Nous avons :

n= 1.5 + n (II. 1)

a) Calcul du nombre total de spires nt

nu (nombre de spires utilis) = 5.50 Spires

n= 1.5 + 5.5 = 7.00 Spires

b) Calcul des distances minimales autorises entre des spires Sa

Sa = Ln Lb (II. 2)

Sa =25.04 21.00 = 4.04 mm

c) Calcul la distance moyenne entre deux spires actives successives d'un ressort P.

P =L 1.5d

n(II. 3)

P =41.40 (1.5 3)

5.50= 6.70 mm


FSI/MCM16 Page 27

d) Calcul la Course maximale (compression) Sn

Sn = Lo - Ln (II. 4)

Sn = 41. 40 25. 04 = 16. 36 mm

e) Calcul des charges F1, F2, F, Fn, Fb

L1et F1 (Longueur sous charge F) : F1 = (L0-L1) x K. qui permet d'obtenir l'quation de la longueur

L1

L1 = L0 - F1/K (II. 5)

La profondeur maximale de passe de loutil de galetage est de (L = L0-L1=1.00 mm) et

L = 41.4 mm.

L: longueur du ressort soumise des charges F1

L = 41.4 1.00 = 40.4 mm

F1 = (L0-L1) x K = (41.40 40.4) x 25.726 = 25.726 N

On pose :

L2 = 40 mm,L= 30 mm

L: longueur du ressort soumise des charges F2

F2 = (L0-L2) x K = (41. 40 40) x 25.726 =36. 0164N

L: longueur du ressort soumise des charges F

F= (L0-L) x K = (41. 40 30) x 25.726 =293. 2764 N

L: longueur du ressort soumise des charges Fn

Fn= (L0-Ln) x K (41. 40 25. 04) x 25.726 = 420.852 N

L: longueur du ressort soumise des charges Fb

F= (L0-L) x K = (41. 40 21) x 25.726 =524.810 N


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II.4.2.6Calculsdynamique

Les formules approximatives pour le calcul des contraintes apparaissant dans les

ressorts hlicodaux faible pas se trouvant en compression ou en traction peuvent tre tablies

partir des efforts internes existant dans la section dune spire. Efforts qui remplacent linfluence de

la partie infrieure du ressort mentalement sectionne. Sous leffet dune force transversale F et du

moment de torsion gal au produit de leffort de traction par le rayon moyen rmoy du

ressort ; M= F r moy; dans la section dune spire apparaissent deux groupes de contraintes

tangentielles ; les contraintes dues au cisaillement quon considre.par convention. Comme

uniformment rparties(Cisaillement technologique).

a) Calcul lallongement ou le raccourcissement du ressort compression ()

l =8 Fmax nt D

3

G d4(II. 6)

=8 25.726 7 183

81500 34= 1.27 mm

b) Calcul le moment de torsion ) (

M= Fmax Dm

2(II. 7)

M= 25.726 18

2= 231.54 N/mm

c) Calcul la contrainte dues au cisaillement ()

=Fmax

A=

4F d

(II. 8)

=4 25.726

3= 1.21 N/mm

d) Calcul la contrainte dues la torsion dont la valeur maximale () :

=8 Fmax Dm

d3(II. 9)

=8 25.726 18

33= 34.67 N/mm

Chapitre II

FSI/MCM16

e) Calcul des contraintes suiva

Les contraintes tangentielles tant constantes sur la

section et les contraintes de torsion tant maximales la

priphrie de la section du fil. Les

le ressort seront situes en priphries et valent

Il faut examiner ici la rpartition des contraintes dans le fil

Si nous ne tenons compte que du moment de torsion

rparties comme l'indique la fig

valent :

Cette formule n'est gure utilisable que pour des

avant-projets.

Si nous prenons en compte

suppos uniformment rparti sur la section du fil

nous arrivions la rpartition indique par la

fig. II.4.

Que le ressort travaille en traction ou en compression

point I situ l'intrieur du ressort

La correction faite est telle que

Le terme correcteur qu'il faut ajouter est d'autant plus grand que le

ce qui caractrise un ressort

En ralit. il faut encore tenir compte de la courbure de la

La rpartition des contraintes n'est pas linaire et prend l'allure donne sur la

un maximum trs marqu au point intrieur I o s'amorcent presque toujours

les ruptures de fatigue.

Figure II.5


ivant diverses mthodes [23]:

Les contraintes tangentielles tant constantes sur la

section et les contraintes de torsion tant maximales la

fil. Les contraintes maximales dans

le ressort seront situes en priphries et valent.

Il faut examiner ici la rpartition des contraintes dans le fil :

Si nous ne tenons compte que du moment de torsion. les contraintes de cisaillement sont

ties comme l'indique la fig.II3 Elles sont maximales sur la priphrie du fil

Cette formule n'est gure utilisable que pour des

Si nous prenons en compte l'effort tranchant.

suppos uniformment rparti sur la section du fil.

partition indique par la

Que le ressort travaille en traction ou en compression.les deux contraintes tangentielles s'ajoutent au

point I situ l'intrieur du ressort.

La correction faite est telle que :

Le terme correcteur qu'il faut ajouter est d'autant plus grand que le

ce qui caractrise un ressort raide . Ceci sera justifi par la suite.

il faut encore tenir compte de la courbure de la poutre constituant le resso

La rpartition des contraintes n'est pas linaire et prend l'allure donne sur la


.

Figure I

Figure II.4

5 Contrainte de torsion +Cisaillement + Fatigue de vibration

Etude et conception de l'outil de galetage

Page 29

les contraintes de cisaillement sont

Elles sont maximales sur la priphrie du fil. o elles

les deux contraintes tangentielles s'ajoutent au

Le terme correcteur qu'il faut ajouter est d'autant plus grand que le rapport m = D/d est petit.

.

constituant le ressort.

La rpartition des contraintes n'est pas linaire et prend l'allure donne sur la fig. II.5. avec


Figure II.3 Contrainte de torsion

4 Contrainte de cisaillement

+ Fatigue de vibration


FSI/MCM16 Page 30

Calcul simpliste ne tenant compte que de la torsion (1=)

Kr (facteur de la correction de la tension en torsion)

= + (II. 10)

= 1.21 + 34.67 = 35.88 N/mm

Calcul de proportions m

m =Dd

(II. 11)

m =18.00

3= 6

Calcul exactde :

K =4m 1

4m 4+

0.615

m(II. 12)

K = 1.25

= K8 Fmax Dm

d3(II. 13)

= 1.25258 25.726 18

33= 54.60 N/mm

Calcul tenant compte de la torsion et du cisaillement :

K = 1 +

2(II. 14)

K = 1 +3

2 18= 1.083

= K8 Fmax Dm

d3

= 1.0838 25.726 18

33= 47.30 N/mm

Calcul derreur relative entre les diffrentes formules :

(1) et (2) Erreur (%) = (1 .

54.60) 100 =34.28 %

(1) et (3) Erreur (%) =1 .

47.30 100 =24.14 %

Calcul le coefficient de scurit par rapport la formule exacte (s) :

0.58

(II. 14)

s 0.58R 0.58

920

54.60 0.597 9.77


FSI/MCM16 Page 31

II.5Etude de raction des pices de loutil

le mandrin support est sollicit la compression de contrainte.

1 : Ressort ; 2 : Manchon support ; 3 : prouvette ; 4:couvercle ; 5 : bille.6 : Tte de loutil.

7 : vis de rglage

Les efforts appliqus sur la partie active de loutil de galetage :

F/= F/= F/= F/= K L = 25.752 1.00 = 25.726 N

Tableau II.5 Caractristiques de matriau [24].

Calcul la rsistance pratique en traction :

La Contrainte normale :

=4

=4 25.726

16= 0.128 N/mm

Pour un corps

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