Usinage de l'Inconel 718 : Intégrité de surface, mesure de température et modèle analytique du fraisage périphérique

Inconel 718 alloy is known as difficult to cut and generally requires the use of cutting fluids. These represent a source of pollution and a significant fraction of the workpiece cost. The wish is then to migrate to dry and high speed machining. However, due to mechanical and refractory properties of Inconel 718, the surfaces generated can then be damaged. The objective of this study is double: to show that dry machining of Inconel 718 is possible and to develop experimental and simulation tools to qualify the machining, especially for peripheral milling. First, lubrication and dry turning were performed under conditions of semi-finishing with coated tungsten carbide tools. Surfaces and under surfaces were observed and described by a variety of means: interferometric microscope, scanning electron microscope, microhardness, X-ray goniometer for the analysis of residual stresses. Analysis shows the feasibility of dry cutting and highlights the main influential factors induced surface integrity, particularly cutting temperature. Then, a cutting temperature control technique was developed for a milling operation, based on the technology of thermocouples. Tests were conducted on Inconel 718, showing the high temperature gradient from the surface to the subsurface (up to 400 °C in 0.5 mm at a cutting speed of 320 min)), but also measuring the temperature variation of the tool cutting edge during one rotation (up to 550 °C for a cutting speed of 320 m/min) Finally, an analytical modelling was developed for peripheral milling, based on a thermomechanical approach. It allows evaluating cutting forces. Experimental tests were performed for various cutting conditions and a quite satisfactory comparison between experimental results and modelling of the process is proposed. An extension of this approach to validate the thermal aspect is however considered.Les composants des industries de l'aéronautique, du spatial ou de l'énergie sont souvent en fonctionnement dans des environnements sévères où les températures et les pressions peuvent atteindre des valeurs importantes. Les matériaux traditionnels sont alors remplacés par des superalliages dits réfractaires, l'Inconel 718 est un de ces matériaux. Ils sont en particulier caractérisés par la conservation de leurs propriétés mécaniques à hautes températures. L'Inconel 718 est un alliage à base nickel, réputé comme difficile à usiner. Cette difficulté de mise en forme, liée à ses caractéristiques physiques et mécaniques, impose généralement une utilisation très importante de fluides de coupe ; ceux-ci représentent une fraction significative du coût de la pièce usinée. L'objectif est alors de migrer vers l'usinage à sec et grande vitesse. Cependant, du fait des caractéristiques mécaniques et du caractère réfractaire de l'Inconel 718, les surfaces générées peuvent être affectées thermiquement durant l'opération d'usinage avec la mise en place de contraintes résiduelles en traction néfastes pour la tenue en service des pièces usinées. Au travers des travaux présentés, nous nous proposons de montrer la faisabilité de l'usinage à sec de l'Inconel 718 et ses conséquences sur l'intégrité des surfaces réalisées. Des essais de tournage sous lubrification et à sec ont été réalisés dans des conditions de semi-finition avec un outil en carbure de tungstène revêtu. Les surfaces et sous surfaces ont été observées et qualifiées par un ensemble de moyens : microscope à interférométrie, microscope électronique à balayage, microduromètre, goniomètre rayons X pour l'analyse des contraintes résiduelles. L'analyse de l'intégrité des surfaces a permis de mettre en évidence les principaux facteurs influents. La qualité des surfaces produites dépendant de la maîtrise de la température de coupe, une technique de mesure des températures a alors été développée pour une opération de fraisage ; elle est basée sur la technologie des thermocouples. Les essais menés ont permis de déterminer la température en surface et en sous surface ; ces informations sont des éléments importants de validation d'un modèle thermique de la coupe. Enfin, à la suite d'essais de fraisage périphérique et de la mesure des efforts pour différentes conditions de coupe, nous présentons une comparaison entre ces résultats expérimentaux et une modélisation du procédé. La modélisation correspond à une approche thermomécanique de la coupe. En termes d'efforts, la comparaison est tout à fait satisfaisante ; un prolongement de cette approche pour valider l'aspect thermique, est toutefois envisagé