page de garde - dlibrary.univ-boumerdes.dz:8080dlibrary.univ-boumerdes.dz:8080/bitstream/123456789/4005/1... · Département de Génie Mécanique MEMOIRE Présenté en vue de l’obtention
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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).
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 4
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).
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 5
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].
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 6
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.
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 7
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
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 8
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).
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 9
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
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 10
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
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 11
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.
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 12
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).
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 13
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.
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 14
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.
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 15
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.
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 16
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
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 17
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
Chapitre I Gnralit sur les traitements mcaniques
FSI/MCM16 Page 18
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
FSI/MCM16 Page 19
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].
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
FSI/MCM16 Page 20
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.
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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.
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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)
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
(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
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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,
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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
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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
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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
un maximum trs marqu au point intrieur I o s'amorcent presque toujours
.
Figure I
Figure II.4
5 Contrainte de torsion +Cisaillement + Fatigue de vibration
Etude et conception de l'outil de galetage
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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
un maximum trs marqu au point intrieur I o s'amorcent presque toujours
Figure II.3 Contrainte de torsion
4 Contrainte de cisaillement
+ Fatigue de vibration
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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
Chapitre II Etude et conception de l'outil de galetage
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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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