Fondamentaux du meulage métal : origines, action de coupe & insights industrie

Dans cet article, nous discuterons de : 1. Introduction au meulage 2. Origine du meulage 3. Action de coupe en meulage 4. Mécanique de l'action de coupe en meulage 5. Température en meulage 6. Caractéristiques d'auto-affûtage de la meule 7. Contraintes résiduelles en meulage 8. Causes d'usure trop rapide de la meule 9. Causes de glaçage de la meule 10. Conditions d'opération et autres détails.

Contenu :

1. Introduction au meulage
2. Origine du meulage
3. Action de coupe en meulage
4. Mécanique de l'action de coupe en meulage
5. Température en meulage
6. Caractéristiques d'auto-affûtage de la meule
7. Contraintes résiduelles en meulage
8. Causes d'usure trop rapide de la meule
9. Causes de glaçage de la meule
10. Conditions d'opération
11. Utilisation de fluides de coupe pendant le meulage
12. Sécurité en meulage
13. Défauts de meulage
14. Effets thermiques du meulage
15. Facteurs affectant la rugosité de surface en opération de meulage
16. Dépannage en meulage

1. Introduction au meulage :

Le meulage peut aussi être considéré comme un processus d'usinage, c'est-à-dire un processus d'enlèvement de métal, mais en volume comparativement plus petit. Meuler signifie « abraser », user par « friction » ou « aiguiser ». En meulage, le matériau est enlevé au moyen d'une meule abrasive rotative. L'action de la meule est très similaire à celle d'une fraise.

La meule est composée d'un grand nombre d'outils de coupe constitués par des particules abrasives projetées dans la meule. Des copeaux métalliques allongés définis variant en taille de 0,4 à 0,8 mm peuvent être vus en examinant le matériau enlevé au microscope.

De nos jours, le meulage est principalement utilisé pour les fins suivantes :

• (i) Enlever une très petite quantité de métal de la pièce pour amener ses dimensions dans des tolérances très serrées après toutes les opérations de finition brute et de traitement thermique. C'est donc essentiellement un processus de finition employé pour produire des précisions dimensionnelles et géométriques serrées.
• (ii) Il est parfois utilisé pour obtenir une meilleure finition de surface.
• (iii) Parfois il est utilisé pour usiner ces surfaces dures qui sont autrement difficiles à usiner par des outils en acier rapide ou carbure.
• (iv) Il est aussi utilisé pour affûter les outils de coupe.
• (v) Il est aussi utilisé pour meuler des filetages afin d'avoir des tolérances serrées et une meilleure finition.
• (vi) Parfois il est aussi appliqué pour des taux d'enlèvement de matière plus élevés (usinage abrasif).

Le meulage est l'un des processus extrêmement importants dans le travail de production. Il possède certains avantages sur d'autres procédés de coupe.

Quelques-uns des avantages sont :

• (i) Il est très approprié pour couper les aciers trempés, etc. Les pièces nécessitant des surfaces dures sont d'abord usinées en forme en condition recuite, ne laissant qu'une petite quantité pour le meulage selon la taille, forme et tendance du matériau à se déformer pendant l'opération de traitement thermique.
• (ii) Une finition extrêmement lisse souhaitable aux surfaces de contact et de roulement ne peut être produite que par l'opération de meulage en raison du grand nombre de bords de coupe sur la meule.
• (iii) Il n'y a pas de marques résultant de l'avance, car la meule a une largeur considérable.
• (iv) Des dimensions très précises et une finition de surface plus lisse peuvent être atteintes en très peu de temps.
• (v) Des profils complexes peuvent être produits avec précision avec des gabarits de dressage relativement peu coûteux.
• (vi) Très peu de pression est requise dans ce processus, permettant ainsi son utilisation sur des travaux très légers qui auraient sinon tendance à s'éloigner de l'outil. Cette caractéristique permet l'utilisation de mandrin magnétique pour maintenir le travail dans de nombreuses opérations de meulage.
• (vii) Les abrasifs ont une dureté très élevée ; sont moins sensibles à la chaleur comparés à d'autres matériaux et peuvent supporter des températures élevées. Ainsi, ceux-ci peuvent être travaillés à des vitesses de coupe plus élevées. Les meules ont des propriétés d'auto-affûtage dues au relâchement des grains émoussés et à l'exposition de nouveaux grains affûtés.
• (viii) Le meulage est la méthode commode d'enlèvement de matériau des matériaux après trempe.
• (ix) Le meulage, contrairement à l'usinage conventionnel, n'a pas besoin de couper à travers la peau dure des forgages, etc.

2. Origine du meulage :

Aux premiers stades, le « ciseau » était considéré comme l'outil le plus commode pour enlever le métal. Dans le ciseau, il n'y a qu'un seul bord de coupe et plus de matériau peut être enlevé par lui mais avec une très mauvaise finition. Pour obtenir une meilleure finition sur les matériaux, l'homme a commencé à utiliser la lime. Dans la lime, il y a des bords de coupe multiples.

Avec elle, le matériau enlevé est moins, mais une meilleure finition peut être obtenue. Avec l'avancement de la technologie, le ciseau a été remplacé par un outil de coupe à pointe unique afin d'avoir un enlèvement de métal contrôlé et l'opération d'enlèvement de métal est réalisée sur divers outils de machine comme tours, raboteuses, fraiseuses, etc.

De même, afin de contrôler l'enlèvement de métal et obtenir une meilleure finition par un outil à bords de coupe multiples, le meulage est utilisé. Le processus de meulage résulte en une amélioration de la précision géométrique d'un composant (± 0,02 mm) et une amélioration de la finition de surface (0,1 µm Ra).

3. Action de coupe en meulage :

On observera que une meule se compose de particules abrasives, de matériau liant et de vides. Les particules abrasives projetées agissent comme des pointes d'outils de coupe et enlèvent le métal. Une meule correctement sélectionnée exhibe une action d'auto-affûtage.

Au fur et à mesure que la coupe progresse, les particules abrasives au bord de coupe deviennent émoussées, et éventuellement celles-ci se fissurent le long des plans de clivage en raison de la résistance offerte par le matériau de la pièce qui résiste à l'action de coupe. Ainsi, de nouveaux points de coupe sont produits qui effectuent une action de coupe supplémentaire.

Ce processus continue jusqu'à ce que les grains abrasifs s'usent jusqu'au niveau du liant. À ce point, le liant permet au reste des grains usés d'être arrachés de la meule, exposant de nouveaux grains qui étaient précédemment sous la surface de la meule et les nouveaux grains effectuent une action de coupe supplémentaire.

Deux problèmes souvent rencontrés soit par mauvaise sélection de meule, soit par conditions de coupe impropres sont le glaçage de meule et le bourrage de meule. Le glaçage de meule fait référence à la condition quand les grains sont usés jusqu'au niveau du liant et maintenus trop longtemps pour une coupe efficace. Cela résulte de l'utilisation d'une meule dure (meule avec une forte résistance du liant et grains trop fins).

Le problème peut être remédié en changeant la meule et parfois en changeant les conditions de coupe. Le bourrage de meule se produit quand les copeaux de la pièce sont incrustés dans la face de coupe de la meule, réduisant ainsi le taux de coupe car la profondeur de pénétration est réduite. Il se produit à cause de vides trop petits et peut être guéri en augmentant la vitesse de la meule ou en utilisant une meule différente.

Ainsi, la sélection de la meule pour une coupe correcte, continue et efficace demande la sélection correcte du type d'abrasif, la taille des grains, le type d'agent liant et sa résistance, et la taille des vides. De plus, le comportement de la meule est affecté par le matériau de la pièce, la vitesse de coupe, la profondeur de coupe et le taux d'avance.

Bien que le diamant soit le matériau le plus dur, mais à cause de son coût élevé, ses applications sont restreintes. Al2O3, SiC et B4C ont une dureté élevée en comparaison à l'acier trempé et ainsi peuvent être utilisés pour l'enlèvement de métal par déformation plastique. Il peut être mentionné que le matériau d'outil de coupe doit être plus dur pour l'enlèvement de matière par déformation plastique et aussi pour maintenir sa forme et pour moins d'usure.

Puisqu'il n'est pas possible de faire la forme habituelle d'outil de coupe avec ces matériaux, l'utilisation en est faite sous forme de grains, la forme dans laquelle ils sont disponibles à l'état naturel. Les grains de ces matériaux (abrasifs) sont liés avec un certain matériau liant en forme de roue. Les grains abrasifs sur la surface de la roue agissent comme des bords de coupe. Ceux-ci sont distribués aléatoirement et orientés aléatoirement.

4. Mécanique de l'action de coupe en meulage :

La figure montre l'action de coupe des grains dans un processus de meulage. Pour simplification, tous les grains peuvent être supposés identiques.

La vue élaborée du schéma de formation de copeau pendant le meulage en surface. La section transversale du copeau non coupé est trouvée être approximativement triangulaire ayant une épaisseur t et une largeur w. Cependant, l'épaisseur et la largeur non coupées varient et laissons leurs valeurs maximales être tmax et wmax. La valeur moyenne peut être la moitié de celles-ci. La longueur moyenne du copeau l = D/2 x θ (D = diamètre de la meule et θ est très petit).

Si f est l'avance (valeur typique 0,2 à 0,6 m/sec) et W = largeur de coupe en mm, volume total de matériau enlevé par unité de temps = fdW.

Volume moyen d'un copeau = f(1/6) wmax tmax l.

Si N est le tr/min de la meule, ρ = densité de surface en grains/mm², alors le nombre de grains actifs sur la périphérie de la meule et donc le nombre de copeaux produits par unité de temps = πNDW ρ.

On verra d'ici que la meule apparaîtra plus tendre, si N, D, ou ρ diminuent, ou f ou d augmentent, parce que la valeur de Fav augmentera et causera un relâchement plus fréquent des grains abrasifs. En opération de meulage en surface, la force radiale FR = 2F.

5. Température en meulage :

Une température très élevée est atteinte par la pointe de la particule abrasive lors de la coupe. Cependant, aucun chauffage sérieux de la meule ne se produit car une telle température élevée n'est que pour une durée très courte et le gradient de température aux grains de coupe est très raide.

La température moyenne théorique approximative à l'interface copeau/outil est donnée par :

∴ Pour le meulage fin, la température interface copeau/outil peut être réduite en diminuant à la fois la vitesse de la meule et l'épaisseur du copeau.

Pour le meulage normal, la température peut être réduite en abaissant la vitesse de la meule mais pas en diminuant l'épaisseur du copeau. En fait, un dommage thermique peut résulter pour des coupes de finition légères.

En utilisant du fluide en meulage, non seulement la température de la pièce diminue et l'usure de la meule diminue, mais la meule est moins chargée ce qui réduit la fréquence de dressage de la meule. Cependant, le fluide ne peut pas prévenir le dommage de surface de la pièce dû à la température momentanée élevée.

6. Caractéristiques d'auto-affûtage de la meule :

Dans une meule, les outils de coupe (pointes) sont de forme irrégulière et distribués aléatoirement. Les bords affûtés sur la périphérie de la meule participent au processus d'enlèvement de matière et progressivement ils deviennent émoussés c.-à-d., usés (dull). En raison de forces plus grandes sur eux pendant l'usinage, ils se fracturent soit pour présenter de nouveaux bords de coupe affûtés, soit se logent hors et de nouveaux grains en dessous deviennent exposés et participent à l'enlèvement de matière.

Ce processus confère aux meules la caractéristique d'auto-affûtage. Il serait réalisé que la résistance du liant (appelé son grade) décide la force maximale qu'un grain abrasif peut supporter et c'est une caractéristique importante de la meule. Une meule avec un liant fort est appelée dure.

Les petits copeaux chauds produits en opération de meulage ont tendance à souder à la meule ou à la pièce. De plus, un grand nombre de grains peut avoir un grand angle de dépouille négatif en raison de l'orientation aléatoire du grit, et ceux-ci, au lieu de couper, peuvent frotter. Ces facteurs font que le processus de meulage soit inefficace et consomme une énergie spécifique élevée.

7. Contraintes résiduelles en meulage :

La température à l'interface grain-copeau pendant le meulage atteint une valeur très élevée (environ 1500 °C). En raison de la haute température, des changements microstructuraux peuvent avoir lieu en raison du chauffage rapide et trempe (due au fluide de coupe). Les effets thermiques et mécaniques peuvent affecter la surface meulée à une profondeur d'environ 0,2 mm.

Cela résulterait en développement de hautes contraintes résiduelles de traction et si celles-ci atteignent des valeurs élevées, des fissures de surface peuvent survenir. La figure montre comment la contrainte résiduelle peut survenir à diverses profondeurs avec différentes vitesses de meule dans une pièce après meulage en surface. La température de meulage peut être assumée comme proportionnelle à l'énergie dépensée par unité de surface meulée.

Ainsi, la température et les défauts causés par la haute température de meulage peuvent être réduits en diminuant d, D, ρ ou N, ou en augmentant f.

Le temps pendant lequel un grit reste en contact avec le copeau :

qui est de l'ordre de 0,0001 sec.

La température d'interface grain-copeau est trouvée être :

où V = vitesse de surface de la meule

R = conductivité thermique du matériau de la pièce

ρc = chaleur spécifique volumique du matériau de la pièce.

8. Causes d'usure trop rapide de la meule :

• i. Meule trop tendre
• ii. Face de meule trop étroite
• iii. Vitesse de meule trop lente
• iv. Vitesse de pièce trop rapide
• v. Encombrement de la meule
• vi. Présence de trous ou rainures dans la pièce.

9. Causes de glaçage de la meule :

• i. Meule trop dure
• ii. Grain trop fin
• iii. Vitesse de meule trop rapide
• iv. Vitesse de pièce trop lente
• v. Meule chargée de copeaux

10. Conditions d'opération :

La sélection appropriée des diverses conditions d'opération est très importante pour le succès de toute opération de meulage.

Les diverses conditions d'opération et leur effet sur l'opération de meulage sont données ci-dessous :

• (i) Vitesse de la meule : L'augmentation de la vitesse de la meule (avec taux d'avance constant) résulte en réduction de la taille du copeau enlevé par un seul grain abrasif, réduisant ainsi l'usure de la meule. La vitesse de meule plus élevée est limitée par le design de la meule, type de liant, opération de meulage, puissance et rigidité de la machine de meulage, etc. La vitesse de meule varie normalement entre 20 à 40 m/sec selon le type de liant et différentes opérations de meulage.
• (ii) Vitesse de la pièce : L'augmentation de la vitesse de la pièce augmente l'usure de la meule, mais diminue la chaleur produite. La vitesse de pièce élevée est limitée par l'usure prématurée de la meule et les vibrations induites par l'usure. La vitesse de pièce faible résulte en surchauffe locale, qui déforme/recuit la pièce trempée et affecte ses propriétés mécaniques. Afin de diminuer l'usure de la meule, la vitesse de la pièce devrait être réduite. Si la chaleur produite est plus importante, le bourrage se produit, particulièrement avec des meules dures, la vitesse de la pièce devrait être augmentée. Pour l'opération d'ébauche, la vitesse de pièce varie de 11 à 50 m/min et pour l'opération de finition de 6 à 30 m/min dans le cas du meulage cylindrique. Vitesse de pièce pour meulage interne varie entre 15 à 30 m/min et pour meulage en surface entre 8 à 15 m/min.
• (iii) Avance : Le taux d'enlèvement de matière est augmenté en augmentant l'avance de plongée ou l'avance radiale, mais cela résulte en plus grande usure de la meule et mauvaise finition, affectant ainsi la précision dimensionnelle et géométrique. L'augmentation de l'avance transversale ou d'avance croisée augmente l'usure de la meule et produit une surface pauvre. Habituellement sa valeur est ajustée à 2/3 à 3/4 de la largeur de la meule dans le cas du meulage d'acier et 3/4 à 5/6 de la largeur de la meule dans le cas de pièce en fonte.
• (iv) Zone de contact de meulage : Quand la zone de contact est grande (comme dans le cas du meulage interne, en surface et avec de plus grands diamètres de pièce avec petite meule), la pression unitaire est faible, et pour une action de coupe libre continue, une meule de grade tendre est utilisée. Un grit plus grossier est utilisé pour fournir un dégagement de copeau adéquat entre grains abrasifs. Un grit plus fin et des meules de grade plus dur sont utilisés quand la zone de contact est petite.

11. Utilisation de fluides de coupe pendant le meulage :

Beaucoup de chaleur est générée au contact de la meule et de la pièce pendant l'opération de meulage, la majorité de laquelle est transférée à la pièce. Les fluides de meulage aident à prévenir la surchauffe excessive de la pièce et à nettoyer la meule.

Les fluides de meulage contenant des additifs soufre ou chlore aident à réduire la force de coupe et à améliorer la finition de surface et à augmenter la durée de vie de la meule. Habituellement, des émulsions à base d'eau et des huiles de meulage en quantité ample (15-20 litres/min pour machine de meulage de taille moyenne normale) sont utilisés pour ce but.

Le fluide est dirigé vers l'interface entre la meule et la pièce afin qu'il puisse créer un film de faible résistance au cisaillement entre la meule et le travail. Le fluide est fourni sous pression en utilisant des buses spéciales, afin que le film d'air autour de la surface de la meule dû à la haute vitesse, soit pénétré. Afin de prévenir le bourrage dans la meule dû à de fines particules, le fluide de meulage est finement filtré.

12. Sécurité en meulage :

Toutes pratiques non sûres en meulage peuvent être dangereuses pour l'opération et méritent une attention soigneuse.

Divers aspects importants sont :

• (i) Montage des meules : La meule doit être correctement montée dans la broche et fermée par un carter. L'alésage de la meule ne doit pas être un ajustement serré sur le manchon.
• (ii) Vitesse de la meule : La vitesse maximale de la meule est déterminée par la résistance ultime à l'éclatement de la meule et elle dépend de l'abrasif utilisé, taille de grit, liant, structure, grade, forme et taille de la meule. Sa valeur est spécifiée par les fabricants qui ne doit jamais être dépassée.
• (iii) Inspection de la meule : Les meules avant montage doivent être vérifiées pour dommages en transit, fissures et autres défauts. Le test de sonnerie est suffisant pour liant vitrifié. Les meules saines, quand on tape légèrement à 45° de la ligne verticale avec un marteau en plastique, sonnent comme un anneau métallique clair mais la meule fissurée ne sonnera pas.
• Les meules, quand elles ne sont pas en usage, doivent être stockées dans un endroit sec et placées sur leurs tranches dans des racks.
• (iv) Carters de meule : Ceux-ci doivent toujours être utilisés pendant le meulage, et ajustés périodiquement pour compenser l'usure de la meule.
• (v) Collecte de poussière et précautions santé : Quand on meule à sec, une provision pour extraire la poussière de meulage doit être faite. Les couvercles de protection de la machine ne doivent jamais être enlevés pendant que la machine est en usage. L'opérateur doit porter des dispositifs de sécurité pour protéger ses yeux et son corps des particules abrasives volantes et de la poussière.
• (vi) Opération de la meule : Une puissance adéquate est essentielle dans les machines de meulage. Si la puissance n'est pas adéquate, alors les meules ralentiront et développeront des plats, faisant la meule tourner hors équilibre. Pendant le meulage humide, la meule ne doit pas être partiellement immergée, car cela déséquilibrerait sérieusement la meule.

13. Défauts de meulage :

Deux défauts courants dus à un choix incorrect de meule ou condition de meulage incorrecte sont :

• (i) Bourrage et
• (ii) Glaçage.

Le bourrage se produit quand les espaces entre les grains abrasifs deviennent bouchés avec des particules du métal étant meulé. Comme tels grains ne projettent pas suffisamment pour promouvoir une coupe efficace. Il se produit dû au meulage de métaux tendres avec meule à structure ouverte. Le glaçage est facilement reconnu par l'apparence brillante sur la face de la meule.

Il se produit dû aux grains abrasifs devenant émoussés et ne se détachant pas du liant. Cela arrive quand les meules sont trop dures pour le matériau étant meulé. Le glaçage peut être réduit en augmentant la vitesse de la meule ou de la pièce.

La finition de surface et la exigence de puissance spécifique pourraient aussi être incorporées pour évaluer la performance globale de la meule. Dans ce cas, le ratio de meulage est égal au ratio de la quantité de matériau meulé par quantité d'usure de la meule et le produit de la puissance de meulage spécifique et la finition de surface sur pièce test.

14. Effets thermiques du meulage :

Pendant le processus de meulage, beaucoup de chaleur est générée entre l'outil de coupe et la pièce. Une portion majeure de la chaleur est dissipée dans la pièce et le reste est retenu par la meule.

Deux effets thermiques du meulage sont :

• 1. Effet sur la meule : En raison de la génération de chaleur, des fissures sont développées qui sont appelées fissures de meulage. Les fissures sont perpendiculaires aux marques de meulage.
• 2. Effet sur la pièce : (a) Décoloration : L'oxydation des surfaces a lieu à 200 °C produisant un oxyde métallique. Ces oxydes ont des couleurs différentes du métal parent. En d'autres termes, on peut dire que cela mène à la décoloration de la pièce. La génération de chaleur est due aux grains émoussés qui mèneront à la brûlure de surface. (b) Dommage mécanique : En raison de l'affûtage des grains, des rayures sont formées sur la surface métallique. (c) Dommage métallurgique : En raison de la génération de chaleur, des fissures fragiles sont formées sur la surface. (d) Dommage chimique : En raison de la génération de chaleur, des oxydes chimiques sont formés.

15. Facteurs affectant la rugosité de surface en opération de meulage :

La rugosité de surface en meulage dépend de la meule (son diamètre, abrasif, dureté, dressage, usure) et des conditions de meulage (vitesse de meule, vitesse de pièce, avance longitudinale, diamètre de pièce). Les figures montrent la variation de la rugosité de surface en meulage avec le changement de divers paramètres.

16. Dépannage en meulage :

Divers défauts qui pourraient être rencontrés pendant le meulage et diverses solutions pour les surmonter sont donnés ci-dessous :

• (i) Usure rapide de la meule : Cela peut être pris en charge par : (a) Utiliser une meule plus dure, (b) Augmenter la vitesse de la meule, (c) Réduire le taux d'avance transversale et vitesse de pièce, et diminuer légèrement la profondeur de coupe.
• (ii) Glaçage de la meule : Cela se produit dû à un dressage incorrect, mauvaise sélection de meule et utilisation d'avance lente et vitesse de pièce élevée. Cela peut être pris en charge en gardant la meule affûtée, utilisant une meule plus tendre ou grit plus grossier, réduisant la vitesse de la meule et avance rapide, utilisant une plus grande profondeur d'avance et augmentant la profondeur de coupe.
• (iii) Marques de chatter : Ceux-ci peuvent être pris en charge par : (a) Équilibrer correctement la meule, (b) Utiliser un outil de dressage approprié, (c) Utiliser un grade plus tendre ou grit plus grossier, (d) Réduire les vibrations machine en vérifiant paliers et fondations, et ajuster paliers de broche, (e) Serrer la poulie, (f) Utiliser des supports ou serrages appropriés pour gros travaux.
• (iv) Finition grossière : Cela pourrait être dû à l'utilisation soit d'une meule trop grossière, soit d'une meule trop tendre.
• (v) Bourrage de la meule : Cela peut être pris en charge en utilisant une meule de structure plus tendre ou poreuse ; utilisant un dressage plus affûté, utilisant une quantité abondante de fluide de refroidissement propre. Marques irrégulières de différentes longueurs et largeurs pourraient se produire dû à un fluide de refroidissement sale. Marques irrégulières profondes se produisent dû à des brides de meule lâches.
• (vi) Surchauffe de la pièce : Cela se produit dû à une mauvaise sélection de meule. Pour le surmonter, une meule plus tendre devrait être utilisée et un fluide de refroidissement suffisant utilisé.