L’article exploite le pouvoir du plan régulier à plusieurs variables pour déterminer l’influence des 5 facteurs technologiques sur 6 paramètres de qualité de surface afin d’optimiser l’aptitude au service d’une pièce cylindrique en acier non allié mi-dur usée, rénovée à l’aide des couches d’Al2O3 déposées par la méthode de détonation et usinée par la rectification.

1. INTRODUCTION

   Le rétablissement des surfaces usées par apport des matériaux additifs est une activité très complexe. Une bonne cohésion des couches déposées associée au durcissement superficiel se réalise par détonation des poudres dures [1-3]. La finition des surfaces rétablies par cette méthode s’effectue de préférence par rectification, dont les conditions optimales sont encore insuffisamment étudiées. Le but du présent travail est l’étude expérimentale de l’influence des conditions de rectification des dépôts d’alumine sur l’état de surface et la détermination des meilleures conditions de rectification des pièces recouvertes. L’utilisation de l’alumine dans cette recherche présente un intérêt particulier pour la Guinée comme pays producteur de l’alumine.

2. PARTIE EXPERIMENTALE

   2.1. Matériaux et matériel
   Les échantillons cylindriques à recouvrir sont en acier au carbone C45 trempé et revenu au préalable jusqu’à 42...45 HRC. La poudre d’alumine (pureté 99,3%, granulométrie < 0,15 mm et densité 0,98 g/cm³) mélangée avec des gaz combustibles et comburants a été projetée au moyen d’un appareil appelé complexe détonateur. La rectification des échantillons s’est effectuée sur la rectifieuse cylindrique de précision 3A151 garantissant la circularité jusqu’à 0,8 μm. Les mesures de rugosité ont été réalisées à l’aide du profilographe, permettant de révéler plusieurs caractéristiques de rugosité dans des larges intervalles.

   2.2. Méthode d’expérimentation et réalisation des expériences
   Vu la complexité de l’objet d’étude [4], l’expérimentation a été basée sur les principes des plans d'expériences [2, 5] qui donnent les meilleures conditions pour l’optimisation et réduisent considérablement le nombre d’expériences.
   Le paramètre à optimiser dans la présente recherche est la rugosité qui se caractérisent par 6..10 paramètres selon les normes nationales. On a retenu comme les paramètres d’optimisation y₁...y₆ toutes les six caractéristiques de rugosité prévues dans les normes GOST: trois paramètres d’amplitude Ra, Rz, Rmax et trois paramètres de pas S, Sm, Tp (p=30%). Les paramètres cités se définissent simultanément à partir d’un diagramme tracé par profilographe.
   La rugosité d’une surface rectifiée est définie par plusieurs conditions technologiques parmi lesquelles on a choisi pour optimiser 5 principaux paramètres (facteurs contrôlés ou variables): x₁ - profondeur de passe (P); x₂ – avance de la pièce (A); x₃ - marque de la meule (ME); x₄ - vitesse de la pièce (VP) et x₅ - marque du réfrigérant (RE). La vitesse de la meule était constante Vm = 27 m/s. Les limites choisies de variation des facteurs recouvrent leur domaine d’utilisation le plus pratiqué (tableau 1). Pour les deux facteurs qualitatifs on a retenu: les meules plates en carbure de silicium 63C et diamant artificiel AC avec la grosseur du grain de 40 à 160 μm, le grade tendre M3 et la structure ouverte 9 pour l’agglomérant vitrifié K10; - les émulsions réfrigérantes de marques Acvol10 (A10), Akvémous (Ak), Ykrenol1 (Ukr1) et OSM1

   Tableau 1 – Niveaux de facteurs et intervalles de leur variation

   Le modèle présumé du processus dans le domaine expérimental étant non linéaire, donc on a choisi 4 niveaux de facteurs qui sont présentés dans le tableau 1 sous une forme codée: -3, -1, +1, +3.
   Un plan complet classique à 4 niveaux pour 5 facteurs nécessite 4⁵ = 1024 expériences, sa réalisation étant irréelle donc on a recouru à un plan fractionnaire [6] faisant 1/64 fraction du plan complet 4⁵ désigné 4^5-3 qui ne requiert que 16 essais, ce qui correspond au nombre des coefficients b₀...b_iii de régression prévisionnelle du 3-ème degré sans interactions entres les 5 facteurs:

   Deux facteurs dans ce modèle mathématique sont qualitatifs (marques de meule et de réfrigérant), ce qui nécessite le codage de leur fonction non linéaire. Les niveaux codés des facteurs x_i sont désignés successivement: -3, -1, +1, +3. Les niveaux des fonctions quadratiques q_i et cubiques ci pour chaque facteur x_i sont codés au moyen des formules données dans le tableau 2.

   Tableau 2 – Codification des niveaux de facteurs

   La matrice du plan d’expériences retenue est représentée dans le tableau 3 sans facteurs dépendants (fonctions quadratique et cubique des facteurs contrôlés x_i.). Ce plan fractionnaire répond aux exigences d’orthogonalité et de symétrie. Il est légèrement sursaturé car le nombre de coefficients recherchés (16) est supérieur au nombre d’expériences plus 1 (N+1=17).

   Tableau 3 – Matrice du plan d’expériences et résultats obtenus

   L’ordre de réalisation des expériences (colonne 2 du tableau 3) était arbitraire (randomisation) avec 4 échantillons pour chaque essai, donc les paramètres de rugosité sont définis par les moyennes arithmétiques de 4 échantillons.

3. TRAITEMENT DES RESULTATS ET LEUR INTERPRETATION

   L’analyse du plan d’expériences réalisé s’est effectuée à l’aide du logiciel «Statistica 99» élaboré par StatSoft Inc (USA). Avec son module de régression multiple et la méthode «pas à pas ascendante» on a établi les coefficients de régression (tableau 4) pour le niveau de confiance fixé à 95 % (1-p = 0,95).
   Toutes les dépendances de régression obtenues se caractérisent par une bonne corrélation dont le coefficient est toujours supérieur à 0,999. Une bonne adéquation des modèles obtenus était aussi prouvée par réparations aléatoires des résidus autour de la ligne de régression. Selon la matrice de corrélations, les effets cubiques les plus forts exercent ME³, P³, VP³ et RE³ sur tous les paramètres d’amplitude, mais pour le taux de longueur portante Tp (p=30%), qui caractérise très bien la surface réelle de contact de pièces conjuguées, les fonctions cubiques les plus corrélées sont ME³, RE³, A³ et VP³. Pour les pas du profil Sm et S les facteurs signifiants ne sont que la marque de la meule ME et la vitesse de rotation de la pièce VP.

Tableau 4. Coefficients de régression et de corrélation des modèles mathématiques

   L’interprétation des modèles mathématiques établis qui sont toujours de l’ordre 3, prévoit quelques étapes. D’abord on peut constater selon les grandeurs des coefficients de régression que les facteurs les plus influençant sont: la marque de la meule, la profondeur de passe et la vitesse de la pièce. Puis, avec les équations de régression obtenues on a simulé les paramètres d’état de surface y_1...6 pour toutes les 1024 combinaisons possibles des conditions de coupe dans le domaine étudié. Les tableurs simulés permettent facilement de procéder à l’optimisation du régime de coupe et à la visualisation des effets des facteurs.
   Sur les figures 1...8 sont présentés certains graphiques de surface Ra et Tp construits pour 2 facteurs variables et 3 autres facteurs fixés aux niveaux les plus favorables.

   Les valeurs optimales de ces facteurs sont différentes pour:
   - minimiser Ra: P = -3 et +1 A = -3 ME = +3 et -1 VP = - 1 RE = -3
   - maximaliser Tp: P = -3 A = +1 ME = -1 VP = +3 RE = +1
   Les figures 1-4 montrent qu’il existe un minimum local de Ra pour la meule ME=-1. Cette marque de la meule (SiC, taille 120 μm) peut être recommandée pour la finition (F), tandis que la meule la plus fine en diamant de taille 40/28 μm (ME=3) manifestant toujours un minimum global de Ra est raisonnable en cas de superfinition (S/F). On ne recommande pas la meule en diamant de taille 100/80 μm (ME=1), conduisant toujours à l’augmentation de Ra.
   L’influence pareille avec deux minimums de Ra est exercée par P (-3 et 1 sur figures 1, 5) et RE (3 et -1 sur figure 4). Les graphiques 2, 5 et 6 montrent que la vitesse de la pièce VP correspondant au minimum de Ra est égale à 33 m/min (VP= -1).
   Une manifestation de l’influence naturelle, c’est à dire, de manière progressive est exercée par l’avance A sur Ra (figures 3 et 6) et par la profondeur P avec la vitesse VP sur Tp (figure 8). La profondeur de passe P = 0,015 mm, assurant un débit de coupe élevé, est recommandée pour la finition, mais le meilleur fini (Ra min) est garanti par la plus faible pénétration P=0,005 mm (figures 1, 5).
   La nature du réfrigérant joue un rôle peu important, néanmoins on peut recommander deux marques suivantes: Acvol10 (RE=-3), et Ykrenol1 (RE=1)
   Il est à noter que certaines conditions technologiques de rectification (A, VP et RE) sont différentes pour optimiser les deux paramètres de rugosité: Tp et Ra. On peut constater aussi que l’augmentation de l’avance jusqu’à 0,15 m/min pour l’optimum de Tp (figure 7) est avantageuse du point de vue de la productivité de coupe.

4. CONCLUSION

   Du point de vue des principaux paramètres d’état de surface, la rectification cylindrique des pièces recouvertes d’alumine est recommandée avec les conditions de coupe suivantes:

   Tableau 5 – Paramètres de rectification recommandés

   La technologie de rétablissement des pièces mécaniques par projection des couches de poudres d’oxyde d’aluminium suivie d’une rectification peut trouver une large application en Guinée pour les pompes HMDA [7], surtout pour les axes et les bras de la charnière et de la tringle.

   Références bibliographique:

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