Principes fondamentaux du meulage des métaux :origines, actions de coupe et aperçus de l'industrie

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

Contenu :

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

1. Introduction au meulage :

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

La meule est constituée d'un grand nombre d'outils de coupe constitués par des particules abrasives projetées dans la meule. Des éclats métalliques allongés précis variant en taille de 0,4 à 0,8 mm peuvent être observés en examinant le matériau retiré au microscope.

De nos jours, le broyage est principalement utilisé aux fins suivantes :

(i) Retirer une très petite quantité de métal de la pièce à usiner pour ramener ses dimensions dans des tolérances très étroites après que toutes les opérations de finition grossière et de traitement thermique ont été effectuées. Il s’agit donc essentiellement d’un processus de finition utilisé pour produire des précisions dimensionnelles et géométriques proches.

(ii) Il est parfois utilisé pour obtenir une meilleure finition de la surface.

(iii) Parfois, il est utilisé pour usiner les surfaces dures qui seraient autrement difficiles à usiner avec les outils en acier rapide ou les fraises en carbure.

(iv) Il est également utilisé pour affûter les outils de coupe.

(v) Il est également utilisé pour meuler les filetages afin d'avoir des tolérances étroites et une meilleure finition.

(vi) Parfois, il est également appliqué pour des taux d'enlèvement de matière plus élevés (usinage abrasif).

Le broyage est l'un des processus extrêmement importants dans le travail de production. Il possède certains avantages par rapport aux autres procédés de découpe.

Certains des avantages sont :

(i) Il est très approprié pour couper les aciers trempés, etc. Les pièces nécessitant des surfaces dures sont d'abord usinées pour être façonnées dans un état recuit, il n'en reste qu'une petite quantité pour le meulage en fonction de la taille, de la forme et de la tendance du matériau à se déformer pendant l'opération de traitement thermique.

(ii) Une finition extrêmement lisse souhaitable au niveau des surfaces de contact et d'appui ne peut être produite que par une opération de meulage en raison du grand nombre d'arêtes coupantes sur la meule.

(iii) Aucune marque résultant de l'alimentation n'est présente, car la roue a une largeur considérable.

(iv) Des dimensions très précises et une finition de surface plus lisse peuvent être obtenues en très peu de temps.

(v) Des profils complexes peuvent être produits avec précision avec des modèles 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 autrement auraient tendance à s'éloigner de l'outil. Cette caractéristique permet l'utilisation d'un morceau magnétique pour maintenir la pièce dans de nombreuses opérations de meulage.

(vii) Les abrasifs ont une dureté très élevée ; sont moins sensibles à la chaleur que 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 en raison de la libération des grains émoussés et de l'exposition de nouveaux grains pointus.

(viii) Le meulage est la méthode pratique pour éliminer la matière des matériaux après durcissement.

(ix) Le meulage, contrairement à l'usinage conventionnel, ne nécessite pas de couper la peau dure des pièces forgées, etc.

2. Origine du broyage :

Au début, le « ciseau » était considéré comme l’outil le plus pratique pour enlever le métal. Dans le ciseau, il n'y a qu'un seul tranchant et plus de matière peut être enlevée grâce à celui-ci, mais avec une très mauvaise finition. Pour obtenir une meilleure finition des matériaux, l'homme a commencé à utiliser un fichier. Dans le fichier, il y a plusieurs arêtes de coupe.

Avec cela, la matière enlevée est moindre, 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 effectuée sur diverses machines-outils comme les tours, les façonneuses, les fraiseuses, etc.

De même, afin de contrôler l'enlèvement de matière et d'obtenir une meilleure finition avec un outil multi-tranchants, la rectification est utilisée. Le processus de meulage entraîne une amélioration de la précision géométrique d'un composant (± 0,02 mm) et une amélioration de l'état de surface (0,1 µm Ra).

3. Action de coupe lors du meulage :

On observera sur la figure 20.1 qu'une meule est constituée de particules abrasives, de matériau de liaison et de vides. Les particules abrasives projetées agissent comme des pointes d’outils coupants et éliminent le métal. Une meule correctement sélectionnée présente une action d’auto-affûtage.

Au fur et à mesure de la coupe, les particules abrasives au niveau du tranchant s'émoussent et finissent par se fissurer le long des plans de clivage en raison de la résistance offerte par le matériau de la pièce à usiner qui résiste à l'action de coupe. De nouvelles pointes de coupe sont ainsi produites, qui effectuent d'autres actions de coupe.

Ce processus se poursuit jusqu'à ce que les grains abrasifs s'usent jusqu'au niveau de liaison. À ce stade, le liant permet au reste des grains usés d'être arrachés de la meule, exposant de nouveaux grains qui se trouvaient auparavant sous la surface de la meule et les nouveaux grains effectuent une action de coupe supplémentaire.

Deux problèmes souvent rencontrés soit par une mauvaise sélection de meule, soit par des conditions de coupe inappropriées sont le vitrage des meules et le chargement des meules. Le vitrage des roues fait référence à la condition dans laquelle les grains sont usés jusqu'au niveau de liaison et maintenus trop longtemps pour une coupe efficace. Ceci est dû à l'utilisation d'une meule dure (meule avec une forte adhérence et des grains trop fins).

Le problème peut être résolu en changeant la meule et parfois en modifiant les conditions de coupe. Le chargement de la meule se produit lorsque les copeaux de la pièce à usiner sont incrustés dans la face coupante de la meule, réduisant ainsi la vitesse de coupe car la profondeur de pénétration est réduite. Cela se produit en raison de vides trop petits et peut être corrigé en augmentant la vitesse de la roue ou même en utilisant une roue différente.

Ainsi, le choix de la meule pour une coupe correcte, continue et efficace exige le choix correct du type d'abrasif, de la taille des grains, du type d'agent liant et de sa résistance, ainsi que de la taille des vides. De plus, le comportement de la meule est affecté par le matériau de la pièce à usiner, la vitesse de coupe, la profondeur de coupe et la vitesse d'avance.

Bien que le diamant soit le matériau le plus dur, ses applications sont limitées en raison de son coût élevé. Al2O3, SiC et B4C ont une dureté élevée par rapport à l'acier trempé et peuvent donc être utilisés pour l'enlèvement de métal par déformation plastique. On peut mentionner que le matériau de l'outil de coupe doit être plus dur pour pouvoir enlever la matière par déformation plastique et également pour conserver sa forme et pour moins d'usure.

Etant donné qu'il n'est pas possible de réaliser une forme habituelle d'outil de coupe avec ces matériaux, on les utilise sous forme de grains, forme sous laquelle ils se trouvent sous leur forme naturelle. Les grains de ces matériaux (abrasifs) sont liés avec un matériau liant en forme de roue. Les grains abrasifs à la surface de la meule agissent comme des arêtes coupantes. Ceux-ci sont distribués et orientés de manière aléatoire.

4. Mécanique de l'action de coupe lors du meulage :

La figure 20.2 (a) montre l'action de coupe des grains lors d'un processus de broyage. Par souci de simplification, tous les grains peuvent être supposés identiques.

La figure 20.2 (b) montre la vue élaborée du schéma de formation de copeaux pendant le meulage superficiel. La section transversale du copeau non coupé s'avère être approximativement triangulaire, ayant une épaisseur t et une largeur w. Cependant, l'épaisseur et la largeur non coupées varient et leurs valeurs maximales sont tmax et wmax. La valeur moyenne peut être la moitié de celle-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 (la valeur typique est de 0,2 à 0,6 m/sec) et W =largeur de coupe en mm, volume total de matière enlevée par unité de temps =fdW

Volume moyen d'une puce =f(1/6) wmax tmax l.

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

On voit à partir de là que la meule apparaîtra plus molle si N, D ou ρ diminuent, ou si f ou d augmente, car la valeur de Fav augmentera et provoquera un délogement plus fréquent des grains abrasifs. En opération de rectification plane, force radiale FR =2F. (Voir Fig. 20.3)

5. Température lors du broyage :

Lors de la coupe, la pointe des particules abrasives atteint une température très élevée. Cependant, aucun échauffement important de la meule ne se produit car une telle température élevée ne dure que pendant une très courte durée et le gradient de température au niveau des grains coupés est très raide.

La température moyenne théorique approximative de l'interface puce/outil est donnée par :

∴ Pour le meulage fin, la température des copeaux/outils peut être réduite en diminuant à la fois la vitesse de la meule et l'épaisseur des copeaux.

Pour un meulage normal, la température peut être réduite en réduisant la vitesse de la meule, mais pas en diminuant l'épaisseur des copeaux. En fait, des dommages thermiques peuvent survenir lors de coupes de finition légères.

En utilisant un fluide lors du 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 empêcher les dommages superficiels à la pièce en raison de 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 répartis de manière aléatoire. Les arêtes vives sur la périphérie de la roue participent au processus d'enlèvement de matière et deviennent progressivement émoussées, c'est-à-dire usées (émoussées). En raison des forces plus importantes exercées sur eux pendant l'usinage, soit ils se fracturent pour présenter un nouveau tranchant tranchant, soit se logent et de nouveaux grains en dessous sont exposés et participent à l'enlèvement de matière.

Ce procédé confère aux meules la caractéristique d’auto-affûtage. On se rendrait compte que la force de liaison (appelée qualité) détermine la force maximale qu'un grain abrasif peut supporter et il s'agit d'une caractéristique importante de la meule. Une roue avec une forte adhérence est dite dure.

Les petits copeaux chauds produits lors des opérations de meulage ont tendance à se souder à la meule ou à la pièce. En outre, un grand nombre de grains peuvent avoir un angle de coupe négatif important en raison de leur orientation aléatoire et ceux-ci, au lieu de couper, peuvent frotter. Ces facteurs rendent le processus de broyage inefficace et consomment une énergie spécifique élevée.

7. Contraintes résiduelles lors du meulage :

La température à l'interface grains-copeaux lors du broyage atteint des valeurs très élevées (environ 1500°C). En raison de la température élevée, des changements microstructurels peuvent avoir lieu en raison d'un chauffage et d'une trempe rapides (dus au fluide de coupe). Les effets thermiques et mécaniques peuvent affecter la surface du sol jusqu'à une profondeur d'environ 0,2 mm.

Cela entraînerait le développement de contraintes de traction résiduelles élevées et si celles-ci atteignent des valeurs élevées, des fissures superficielles pourraient apparaître. La figure 20.7 montre comment la contrainte résiduelle peut se produire à différentes profondeurs avec différentes vitesses de meule dans une pièce après rectification superficielle. La température de broyage peut être supposée proportionnelle à l'énergie dépensée par unité de surface au sol,

Ainsi, la température et les défauts provoqués par une température de broyage élevée peuvent être réduits en diminuant d, D, ρ ou N, ou en augmentant f.

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

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

La température de l'interface des copeaux de grains est de :

où V =vitesse de surface de la roue

R =conductivité thermique du matériau de travail

ρc =chaleur spécifique volumique du matériau de travail.

8. Causes de l'usure trop rapide des roues :

je. Roue trop molle

ii. Face de roue trop étroite

iii. Vitesse de roue trop lente

iv. Vitesse de travail trop rapide

v. Encombrement de la roue

vi. Présence de trous ou de rainures dans l'ouvrage.

9. Causes du vitrage des roues :

je. Roue trop dure

ii. Grain trop fin

iii. Vitesse de roue trop rapide

iv. Vitesse de travail trop lente

v. Roue chargée de copeaux

10. Conditions de fonctionnement :

La sélection appropriée des différentes conditions de fonctionnement est très importante pour le succès de toute opération de meulage.

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

(i) Vitesse des roues :

L'augmentation de la vitesse de la meule (à vitesse d'avance constante) entraîne une réduction de la taille des copeaux éliminés par un seul grain abrasif, réduisant ainsi l'usure de la meule. Une vitesse de meule plus élevée est limitée par la conception de la meule, le type de liant, l'opération de meulage, la puissance et la rigidité de la rectifieuse, etc. La vitesse de la meule varie normalement entre 20 et 40 m/sec en fonction du type de liant et des différentes opérations de meulage.

(ii) Vitesse de travail :

L'augmentation de la vitesse de travail augmente l'usure des roues, mais diminue la chaleur produite. Les vitesses de travail élevées sont limitées par l'usure prématurée des roues et les vibrations induites par l'usure. Une faible vitesse de travail entraîne une surchauffe locale, qui déforme/tempère la pièce durcie et affecte ses propriétés mécaniques.

Afin de diminuer l’usure des roues, la vitesse de travail doit être réduite. Si la chaleur produite est plus importante et qu'un colmatage se produit, notamment avec les roues dures, la vitesse de travail doit être augmentée. Pour l'ébauche, la vitesse de travail varie de 11 à 50 m/min et pour l'opération de finition de 6 à 30 m/min en cas de rectification cylindrique. La vitesse de travail pour le meulage intérieur varie entre 15 et 30 m/min et pour le meulage superficiel entre 8 et 15 m/min.

(iii) Flux :

Le taux d'enlèvement de matière augmente en augmentant l'avance vers le bas ou le taux d'avance, mais il en résulte une plus grande usure des roues et une mauvaise finition, affectant ainsi la précision dimensionnelle et géométrique.

L'augmentation de l'avance transversale ou de l'avance transversale augmente l'usure de la meule et produit une mauvaise surface. Habituellement, sa valeur est ajustée entre 2/3 et 3/4 de la largeur de la meule dans le cas du meulage de l'acier et entre 3/4 et 5/6 de la largeur de la meule dans le cas des pièces en fonte.

(iv) Zone de contact avec le meulage :

Lorsque la zone de contact est grande (comme dans le cas d'une rectification interne, d'une surface et avec des diamètres de travail plus grands avec une meule de petit diamètre), la pression unitaire est faible et pour une action de coupe libre continue, une meule de qualité souple est utilisée. Un grain plus grossier est utilisé pour fournir un dégagement adéquat des copeaux entre les grains abrasifs. Des meules à grain plus fin et plus dures sont utilisées lorsque la zone de contact est petite.

11. Utilisation de fluides de coupe pendant le meulage :

Une grande quantité de chaleur est générée au contact de la meule et de la pièce pendant l'opération de meulage, dont la majorité est transférée à la pièce. Les liquides de meulage aident à prévenir un échauffement excessif de la pièce et à rincer la meule.

Les fluides de meulage contenant des additifs de soufre ou de chlore aident à réduire la force de coupe, 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 broyage en grande quantité (15 à 20 litres/min pour une rectifieuse normale de taille moyenne) sont utilisées à cette fin.

Le fluide est dirigé vers l'interface entre la meule et la pièce à usiner afin de créer un film de faible résistance au cisaillement entre la meule et la pièce à usiner. Le fluide est fourni sous pression à l'aide de buses spéciales, de sorte que le film d'air autour de la surface de la roue, dû à une vitesse élevée, soit pénétré. Afin d'éviter l'encrassement de la meule dû à de fines particules, le liquide de broyage est finement filtré.

12. Sécurité lors du meulage :

Toute pratique dangereuse en matière de meulage peut être dangereuse pour le fonctionnement et mérite une attention particulière.

Divers aspects importants sont :

(i) Montage des meules :

La roue doit être correctement montée dans l'axe et entourée d'une protection. L'alésage de la roue ne doit pas être serré sur le manchon.

(ii) Vitesse des roues :

La vitesse maximale de la meule est déterminée par la résistance ultime à l'éclatement de la meule et dépend de l'abrasif utilisé, de la taille des grains, du liant, de la structure, de la qualité, de la forme et de la taille de la meule. Sa valeur est précisée par les constructeurs et ne doit jamais être dépassée.

(iii) Inspection des roues :

Avant le montage, les roues doivent être vérifiées pour détecter tout dommage pendant le transport, fissures et autres défauts. Le test de sonnerie est suffisant pour une liaison vitrifiée. Les roues sonores, lorsqu'on les frappe légèrement à 45° de la ligne verticale avec un marteau en plastique, sonnent comme un anneau métallique clair mais la roue fissurée ne sonne pas.

Les roues, lorsqu'elles ne sont pas utilisées, doivent être stockées dans un endroit sec et placées sur leurs bords dans des racks.

(iv) Protège-roues :

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 sanitaires :

Lors du meulage à sec, des dispositions doivent être prises pour extraire la poussière de meulage. Les capots de protection de la machine ne doivent jamais être retirés lorsque la machine est en cours d'utilisation. L'opérateur doit porter des dispositifs de sécurité pour protéger ses yeux et son corps des particules abrasives et de la poussière volantes.

(vi) Fonctionnement des roues :

Une puissance adéquate est essentielle dans les rectifieuses. Si la puissance n’est pas adéquate, les roues ralentiront et développeront des méplats, ce qui entraînera un déséquilibre de la roue.

Lors du meulage humide, la meule ne doit pas être partiellement immergée, car cela la déséquilibrerait sérieusement.

13. Défauts de meulage :

Deux défauts courants dus à un mauvais choix de meule ou à des conditions de meulage incorrectes sont :

(i) Chargement et

(ii) Vitrage.

La charge se produit lorsque les espaces entre les grains abrasifs sont obstrués par des particules de métal broyé. Comme ces grains ne se projettent pas suffisamment pour favoriser une coupe efficace. Cela se produit en raison du meulage de métaux mous avec une meule à structure ouverte. Le vitrage est facilement reconnaissable à l’aspect brillant de la face de la roue.

Cela se produit lorsque les grains abrasifs deviennent ternes et ne se détachent pas du liant. Cela se produit lorsque les roues sont trop dures pour le matériau à broyer. Le vitrage peut être réduit en augmentant la vitesse des roues ou de travail.

La finition de surface et les exigences de puissance spécifiques pourraient également être intégrées pour évaluer les performances globales de la meule. Dans ce cas, le taux de meulage est égal au rapport entre la quantité de matériau broyé par la quantité d'usure de la meule et le produit de la puissance de meulage spécifique et de l'état de surface de l'éprouvette.

14. Effets thermiques du meulage :

Pendant le processus de meulage, une grande quantité de chaleur est générée entre l’outil de coupe et la pièce à usiner. Une grande partie de la chaleur est dissipée dans la pièce et le reste est retenu par la meule.

Deux effets thermiques du broyage sont :

1. Effet sur la meule :

En raison de la génération de chaleur, des fissures se développent, 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 de l'oxyde métallique. Ces oxydes ont des couleurs différentes contrairement au métal-mère. En d’autres termes, nous pouvons dire que cela entraîne une décoloration de la pièce. La génération de chaleur est due aux grains ternes qui entraîneront une brûlure de la surface.

(b) Dommages mécaniques :

En raison de la netteté des grains, des rayures se forment sur la surface métallique.

(c) Dommages métallurgiques :

En raison de la génération de chaleur, des fissures fragiles se forment à la surface.

(d) Dommages chimiques :

En raison de la génération de chaleur, des oxydes chimiques se forment.

15. Facteurs affectant la rugosité de surface lors des opérations de meulage :

La rugosité de surface lors du meulage dépend de la meule (son diamètre, son abrasif, sa dureté, son dressage, son usure) et des conditions de meulage (vitesse de la meule, vitesse de la pièce, avance longitudinale, diamètre de la pièce). Les figures. 20.14 montre la variation de la rugosité de la surface lors du meulage avec la modification de divers paramètres.

16. Dépannage lors du meulage :

Différents défauts pouvant être rencontrés lors du meulage et différentes solutions pour y remédier sont donnés ci-dessous :

(i) Usure rapide des roues :

Cela peut être pris en charge par :

(a) Utiliser une roue plus dure,

(b) Augmentation de la vitesse des roues,

(c) Réduire la vitesse de déplacement et la vitesse de travail, et diminuer légèrement la profondeur de coupe.

(ii) Vitrage des roues :

Cela se produit en raison d'un dressage incorrect, d'une mauvaise sélection de meule et d'une avance lente et d'une vitesse de travail élevée. Il est possible d'y remédier en gardant la meule affûtée, en utilisant une meule plus tendre ou un grain plus grossier, en réduisant la vitesse de la meule et en effectuant une traversée rapide, en utilisant une plus grande profondeur d'alimentation et en augmentant la profondeur de coupe.

(iii) Marques de broutage :

Ceux-ci peuvent être pris en charge par :

(a) Équilibrer correctement la roue,

(b) En utilisant un outil de dressage approprié,

(c) Utilisation d'un grain plus doux ou d'un grain plus grossier,

(d) Réduire les vibrations de la machine en vérifiant les roulements et les fondations, et en ajustant les roulements de broche,

(e) Poulie de serrage,

(f) Utiliser des supports ou des pinces appropriés pour les gros travaux.

(iv) Finition grossière :

Cela peut être dû à l'utilisation d'une meule trop grossière ou d'une meule trop molle.

(v) Chargement des roues :

Ceci peut être résolu en utilisant une roue à structure plus douce ou poreuse ; à l'aide d'un dresseur plus tranchant, en utilisant une grande quantité de liquide de refroidissement propre. Des marques irrégulières de différentes longueurs et largeurs peuvent apparaître en raison d'un liquide de refroidissement sale. Des marques irrégulières profondes apparaissent en raison de boudins de roue desserrés.

(vi) Surchauffe de la pièce :

Cela est dû à une mauvaise sélection de roue. Pour y remédier, il faut utiliser une roue plus tendre et suffisamment de liquide de refroidissement.