Analyse tribo-énergétique du délaminage des couches de revêtements des outils coupants lors d'un usinage à sec des alliages aéronautiques

Triboenergetic analysis of coating layers delamination when dry machining aeronautical alloys

¹ Laboratoire Matériaux Endommagement Fiabilité Ingénierie des Procédés (LAMEFIP), ENSAM CER Bordeaux, Esplanade des Arts et Métiers, 33405 Talence, France
² Department of General Engineering, 151 Ottensman Hall, University of Wisconsin-Platteville, 1 University Plaza, Platteville, WI 53818-3099, USA
³ Laboratoire de Mécanique et Procédés de Fabrication (LMPF), ENSAM CER Châlons-en-Champagne, Rue Saint Dominique BP 508, 51006 Châlons-en-Champagne, France
⁴ Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Sumatera Utara, Jalan Almamater, 20155 Medan, North Sumatera, Indonesia

Auteur de correspondance : mohammed.nouari@lamef.bordeaux.ensam.fr

Reçu : 21 Août 2006
Accepté : 9 Février 2007

Résumé

Le chargement thermomécanique imposé lors d'une opération de coupe engendre une usure importante des outils coupants, plus particulièrement lorsque l'usinage est réalisé sur des superalliages réfractaires à base de nickel et/ou de titane. Le transfert de la chaleur générée par le frottement intense à l'interface outil-copeau joue un rôle primordial dans la préservation de l'intégrité de l'outil. Ce transfert dépend essentiellement des propriétés thermiques et de leur évolution en fonction de la température et des autres paramètres mécaniques du matériau (déformation, vitesse de déformation, etc.). Dans cette étude, l'effet des propriétés thermiques sur l'usure produite pendant l'usinage des alliages réfractaires est analysé. L'utilisation d'une analyse par éléments-finis couplée à des observations microscopiques des modes d'endommagement ont permis de suivre l'évolution de la conductivité thermique dans la zone de l'outil affectée par l'usure. Les résultats obtenus montrent une réduction importante de la conductivité thermique pendant l'écoulement du copeau. Cette réduction limite localement et de façon très importante la capacité du matériau à dissiper la charge thermique appliquée. Plusieurs zones apparaissent alors aux niveaux des faces de coupe et de dépouille de l'outil où la conductivité atteint des niveaux très bas, (zones mortes thermiquement). Par conséquent, différents mécanismes d'usure apparaissent et affectent la résistance à la microfissuration du substrat de l'outil et au délaminage de son revêtement.

Abstract

The applied thermo-mechanical loading during cutting process leads to an important tool failure especially when machining is effected on refractory super-alloys such as titanium and/or nickel based-alloys. Heat removal generated by tool/workpiece friction plays an important role in preserving the structural integrity of the cutting tool. Efficient heat removal in machining depends solely on the thermal properties of the tool and on their evolution with temperature and mechanical parameters (strain, strain rate, etc.). In the present work, the effect of these thermal properties on the produced wear during the machining of refractory alloys is particularly investigated. Finite-Element Analysis (FEA) and SEM-imagery were used to map the thermal conductivity within the affected tool zone. The results indicate that depending on the temperature rise, the tool-tip might undergo a severe drop in thermal conduction. This drop may locally restrict the ability of the tool material to dissipate the applied thermal load. This may nucleate thermally congested clusters within the tool-tip where the material completely loses the ability to transport heat. Thermal congestion renders an energetically active zone where the thermal energy available may be used to activate wear through different mechanisms. It is also found that the immediate layer under the surface of the tool tip is important to enhance the ability of the tool material to dissipate the thermal loads. The results also highlight the importance of matching the temperature dependant properties of the different coating layers in order to enhance delamination resistance.