Fonctionnalisation d'outils de décolletage de précision par micro-structuration de surface

par Hasnaa Meliani

Thèse de doctorat en Microtechniques

Sous la direction de Michaël Fontaine, Mohamed Assoul et de Alexandre Gilbin.

Soutenue le 13-07-2020

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) et de Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Hédi Hamdi.

Le jury était composé de Michaël Fontaine, Mohamed Assoul, Alexandre Gilbin, Hédi Hamdi, Guillaume Fromentin, Denis Mazuyer, Georg Wälder, Yannick Robichon.

Les rapporteurs étaient Guillaume Fromentin, Denis Mazuyer.

mots clés

• Décolletage
• Fonctionnalisation de surface
• Durée de vie
• Laser Femtoseconde
• Carbure de tungstène
• Fonctionnalisation
• Tournage
• Lasers femtoseconde
• Carbure de tungstène
• Durée de vie (ingénierie)

Résumé

L’usure des outils de coupe représente un problème majeur qui compromet la productivité et la capacité à réaliser des pièces de haute qualité. L’objectif de ces travaux de thèse est d’améliorer la durée de vie des outils coupants en carbure de tungstène, revêtus ou non, et destinés à l’usinage de l’acier inoxydable et de l’aluminium. La méthode de fonctionnalisation adoptée est la structuration de surface par laser femtoseconde.Dans un premier temps, une étude expérimentale qui traite de l’interaction entre le laser et le carbure de tungstène a été réalisée. Pour la première fois, tous les paramètres d’interaction laser/carbure de tungstène ont été déterminés, comprenant les conditions de génération des ripples et de structuration en régime d’ablation athermique.Des structures à différentes échelles dimensionnelles ont été réalisées et testées sur un tribomètre de laboratoire de type fermé. Le but étant d’étudier le comportement au frottement et à l’usure de surfaces structurées en milieu lubrifié et de les comparer à une surface de référence. La mouillabilité des surfaces structurées a également été mesurée et les énergies de surfaces correspondantes ont été déterminées.Dans la deuxième partie expérimentale, des essais d’usinage, en coupe orthogonale et en chariotage, ont été effectués avec des outils structurés. Un panel de structures a été testé afin d’identifier les structures géométriques favorisant la performance de l’outil.L’étude fait clairement apparaître le rôle de la fonctionnalisation de surface par structuration laser femtoseconde dans l’amélioration de la durée de vie des outils coupants de l’ordre de 30% dans certains cas.

mots clés

• Surface functionalization
• Texturing
• Tool life
• Femtosecond laser
• Tungsten carbide
• Functionalization
• Turning

Titre traduit

surface texturing, micro-nano-texturing of cutting inserts used in precision turning

Résumé

Tool wear is a major issue which compromises productivity and the ability of manufacturing high quality components. The main objective of this thesis is to improve the lifetime of coated or non-coated tools made of tungsten carbide and intended for stainless steel and aluminum machining. The functionalization method used in this work is surface structuring by femtosecond laser.At first, experimental study is conducted to investigate the interaction between femtosecond laser and tungsten carbide material. For the first time, all laser-matter parameters for generating ripples or athermal ablation structures on tungsten carbide is determined.Several structures at different dimensional scales are produced and tested on a closed-type tribometer. The purpose is to study tribological performances, both friction and wear, using structured surfaces in wet environment and to compare them to a reference surface. Wettability of structured surfaces is also measured and corresponding surface energies are determined.In the second experimental part, machining tests are conducted with various structured tools in orthogonal cutting and longitudinal turning configurations. A panel of structures is tested in order to identify the best geometrical structure which improves cutting tool performance.This study clearly shows the role of surface functionalization via femtosecond laser structuring in improving the lifetime of cutting tools by 30% in some cases.