Surface texturing of cutting inserts for turning of aluminium – Study of cutting forces, wear, chip formation and tool-chip contact
Cette étude démontre que les plaquettes en carbure cémenté non revêtues, texturées par laser femtoseconde, améliorent considérablement les performances d'usinage en milieu humide des alliages d'aluminium façonnés en réduisant drastiquement l'usure de flanc, en abaissant les forces de coupe et en modifiant la formation de copeaux par rapport aux outils conventionnels.
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Dans le monde de la fabrication, la manière dont le métal est façonné dépend souvent de la netteté et de la durabilité de l'outil qui effectue la coupe. Lorsqu'une machine tranche un métal mou et collant comme l'aluminium, le matériau a tendance à s'accrocher à la lame, tout comme de l'argile humide colle aux doigts d'un sculpteur. Cette adhérence crée de la friction, génère de la chaleur et provoque une usure rapide ou la rupture de l'outil. Pour résoudre ce problème, les ingénieurs tentent depuis longtemps de modifier la surface de l'outil de coupe, espérant qu'une texture spécifique puisse aider le métal à glisser plus facilement. L'idée est qu'en gravant de minuscules motifs à la surface de l'outil, on peut contrôler la façon dont le métal s'élimine en copeaux, réduire la force nécessaire pour couper et maintenir l'outil tranchant plus longtemps. Il ne s'agit pas seulement de fabriquer une meilleure lame ; il s'agit de rendre l'ensemble du processus de construction des voitures, des avions et des machines plus efficace et moins gaspilleur.
Une équipe de chercheurs en France a récemment appliqué ce concept en utilisant un outil très précis : un laser femtoseconde. Il s'agit d'un laser qui émet des impulsions de lumière si courtes qu'elles ne durent qu'un quadrillionième de seconde, permettant de graver des motifs microscopiques dans des matériaux durs sans les brûler. L'équipe s'est concentrée sur des plaquettes en carbure de tungstène non revêtues, qui sont les petites pointes remplaçables utilisées dans les tours pour usiner des pièces en aluminium. Ils ont créé trois types différents de textures de surface sur la face supérieure plane de ces outils. Une texture consistait en des ondulations extrêmement fines, semblables à des vagues, connues sous le nom de structures de surface périodiques induites par laser. Une autre présentait des lignes parallèles plus larges. La troisième était une combinaison des deux, mélangeant les minuscules ondulations avec de petits creux circulaires. Ils ont ensuite mis ces outils à l'épreuve en coupant un alliage d'aluminium spécifique dans un environnement humide, où un liquide de refroidissement est pulvérisé sur la zone de coupe, et ont comparé les résultats par rapport à un outil lisse standard.
Les résultats ont révélé que la texture de l'outil faisait une différence spectaculaire dans sa durée de vie. Lorsque les chercheurs ont mesuré l'usure sur le côté de l'outil qui frotte contre la pièce finie, ils ont constaté que l'outil doté des minuscules ondulations en forme de vagues s'était usé presque 92 % moins que l'outil lisse. L'outil présentant le motif mixte d'ondulations et de creux a également obtenu des performances exceptionnelles, réduisant l'usure de près de 80 %. Cependant, l'outil avec les lignes parallèles plus larges n'a pas été aussi performant ; en fait, il s'est usé plus rapidement que l'outil lisse. Cela suggère que la taille et la forme de la texture comptent énormément, et que simplement rendre une surface plus rugueuse n'est pas toujours la solution. Les chercheurs ont également observé que l'outil avec les minuscules ondulations empêchait l'aluminium de coller à sa surface autant que les autres outils, ce qui est un facteur clé pour éviter d'endommager l'outil.
Bien que l'usure sur le côté de l'outil se soit considérablement améliorée, les forces nécessaires pour pousser l'outil à travers le métal ont raconté une histoire légèrement différente. La force de coupe, qui est la poussée principale nécessaire pour trancher le métal, est restée largement la même pour la plupart des outils texturés par rapport à l'outil lisse. La seule exception fut l'outil au motif mixte d'ondulations et de creux, qui a nécessité environ 7 % de force en moins pour couper. Cependant, la force poussant l'outil latéralement, appelée force d'avance, a augmenté pour tous les outils texturés. Les chercheurs pensent que cela se produit parce que les textures modifient la façon dont le copeau de métal appuie contre l'outil, créant un type de friction différent. Curieusement, l'outil avec les lignes plus larges a provoqué le cisaillement, ou la division, du métal selon un angle plus raide que les autres outils, ce qui a modifié la forme du copeau de métal produit.
Pour comprendre pourquoi ces textures fonctionnaient de telle manière, l'équipe a également réalisé des simulations informatiques modélisant le contact entre l'outil et le copeau de métal. Ces simulations ont montré que les minuscules ondulations et les motifs mixtes permettaient à l'outil de maintenir une plus grande zone de contact avec le métal sans rester bloqué, ce qui aide à expliquer pourquoi l'usure était tellement moindre. Les simulations ont également suggéré que les textures pourraient créer de minuscules canaux qui aident à évacuer les minuscules particules de débris d'usure qui se forment pendant la coupe. Les chercheurs ont noté que la rugosité initiale de l'outil, causée par le processus de meulage avant l'utilisation du laser, jouait également un rôle dans la façon dont le métal glissait sur la surface. Cela signifie que la performance finale d'un outil texturé est une combinaison des nouveaux motifs et de l'état de surface sous-jacent.
L'étude conclut que, bien que ces outils texturés par laser ne réduisent pas toujours la force de coupe principale, ils offrent un moyen puissant de prolonger la vie de l'outil et d'améliorer la qualité de la coupe. Les meilleurs résultats proviennent des outils dotés des ondulations les plus fines ou de la combinaison d'ondulations et de creux, qui réduisent considérablement l'usure et l'adhérence. Les chercheurs suggèrent que cette approche pourrait éventuellement remplacer le besoin de revêtements chimiques spéciaux sur les outils de coupe, qui sont souvent coûteux et peuvent émousser le tranchant de la lame. En utilisant un laser pour créer ces motifs, les fabricants pourraient potentiellement réduire les coûts des outils et l'impact environnemental de la production de nouveaux outils. Bien que l'étude ait été menée sur un outil non revêtu simple pour observer l'effet pur de la texture, les conclusions pointent vers un avenir où la surface d'un outil de coupe est soigneusement conçue pour gérer les défis collants de l'usinage des métaux tendres.
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