Etude de l'influence de la microstructure et des paramètres de coupe sur le comportement en tournage dur de l'acier à roulement 100Cr6

Due to environmental and economic constraints, machining is currently a field under development. Hard turning is a recently developed process which makes it possible to machine hardened steels (i.e. with hardnesses higher than 45 HRc). It is possible to obtain, without lubrication, a part with a precision and surface quality near to those resulting from grinding. The control of the machining process requires the comprehension of the mechanisms intervening in the cutting zone. These depend both on the nature of the tool used and on the material. This study is principally concerned with the effect of the microstructure on the machinability of bearing steel and the resulting surface integrity. The bearing steel (100Cr6) was studied in various metallurgical states characterized by the presence or absence of carbides in a bainitic or martensitic matrix. The two metallurgical states were studied for identical hardnesses ranging between 45 HRc and 59 HRc. Several mechanical and thermal analyses techniques were used to better understand the driving mechanisms during the formation of chips. In particular, a thermotribometer was used to describe the influence of the microstructure and hardness on the tribology of the interface 100Cr6-cBN. Indeed, it is shown that the presence of carbides increases the coefficient of friction. Hopkinson bar tests made it possible to identify, by a reverse approach, the Johnson-Cook material behaviour laws for different metallurgical states. The tests were carried out on hat-shaped specimens. With this type of test it is possible to reproduce the dynamic shearing in the primary shear zone generated in the cut. The influence of hardness on the yield values was highlighted. Conventional straight turning tests (3D turning) were then carried out. The results showed that the cutting force is relatively insensitive to the metallurgical state of the material. Three different types of behaviour were observed with the cutting speed. The evolution of the surface integrity with respect to the cutting parameters was quantified by the resulting surface quality and residual stress measurements. The surface quality is improved for slow advances, a hardness of 55 HRc and with the presence of carbides. High hardness and the absence of carbides tend to generate more compressive surface residual stresses. Complementary orthogonal cutting tests (2D turning) made it possible to examine the thermal aspects of the cutting zone, by using a CCD-Near Infra-red camera. In addition, the analysis of the chips and white layers were carried out. It is shown that the presence of carbides increase the temperature of the secondary shear zone, whereas they decrease the temperature at the emergence of the primary shear zone. The existence of a white layer on the reverse faces of the chips and on the machined surfaces was established. It is shown that the white layer is more intense for high speeds and more homogeneous for the metallurgical state without carbide. Very localised shearing and a rise in the temperature support its appearance. Lastly, we will explain these influences through a comparison of the results obtained with those of the material behaviour study.Aujourd'hui, en raison des contraintes environnementales et économiques, l'usinage fait parti des domaines en plein développement. Le tournage dur est un procédé récent qui permet d'usiner des aciers traités avec des duretés élevées supérieures à 45 HRc. Il permet en particulier d'obtenir, sans lubrification, des pièces avec un état de surface et une précision proche de ceux issus de la rectification. La maîtrise du procédé d'usinage nécessite la compréhension des mécanismes intervenant dans la zone de coupe. Ces derniers dépendent d'une part de la nature de l'outil utilisé et d'autre part du matériau. Cette étude concerne principalement l'effet de la microstructure d'un acier à roulement sur l'usinabilité et les caractéristiques d'intégrité de surface. Cet acier (100Cr6) a été étudié avec différents états métallurgiques caractérisés par la présence ou non de carbures dans une matrice bainitique ou martensitique. Les deux états métallurgiques ont été étudiés pour des duretés identiques comprises entre 45 HRc et 59 HRc. Plusieurs techniques d'analyses mécaniques et thermiques ont permis de mieux comprendre les mécanismes moteurs lors de la formation des copeaux en usinage dur. En particulier, un thermotribomètre a été utilisé pour décrire l'influence de la microstructure et la dureté sur la tribologie du couple 100Cr6-cBN. En effet, il est montré que le coefficient de frottement augmente avec la présence de carbures. Un banc d'essais de barres Hopkinson a permis d'identifier par approche inverse les lois de comportement de type Johnson-Cook pour les différents états métallurgiques. Les essais ont été conduits sur des éprouvettes chapeaux permettant de reproduire le cisaillement dynamique de la zone primaire de cisaillement générée dans la coupe. L'influence de la dureté sur les constantes d'écoulement a été mise en évidence. Des essais de chariotage ont été ensuite menés. Les résultats ont montré une faible sensibilité des efforts de coupe suivant l'état métallurgique du matériau. Trois comportements différents ont été observés avec la vitesse de coupe. L'évolution de l'intégrité de surface en fonction des paramètres de coupe a été quantifiée par l'analyse de l'état de surface et des contraintes résiduelles. L'état de surface est amélioré pour de faibles avances, pour une dureté de 55 HRc et avec la présence de carbures. Une dureté élevée et l'absence de carbure ont tendance à générer des contraintes superficielles de plus en plus en compression. Des essais complémentaires en coupe orthogonale ont permis d'examiner les aspects thermiques, par caméra CCD-Proche Infrarouge, de la zone de coupe. De plus, l'analyse des copeaux et des couches blanches a été menée. Il est montré que la présence des carbures fait augmenter la température de l'émergence de la zone de cisaillement secondaire alors qu'elle fait diminuer la température de l'émergence de la zone primaire de cisaillement. L'existence de la couche blanche sur la face arrière des copeaux et sur les surfaces usinées a été établie. Il est montré qu'elle est d'autant plus intense pour des vitesses élevées et plus homogène pour l'état métallurgique sans carbure. Un cisaillement très localisé et une élévation de la température favorisent son apparition. Enfin, nous expliquons ces influences à travers une comparaison des résultats obtenus avec ceux de l'étude comportementale