Matériau à très forte dureté utilisé pour user d’autres matériaux plus tendres.
Dès la préhistoire, et plus largement dans l’Antiquité, les propriétés abrasives de certains minéraux sont utilisées pour aiguiser puis polir outils, armes, marbre et pierres précieuses [B7050]. Au XIXe siècle, ces abrasifs naturels (quartz, grenat, émeri, corindon) sont agglomérés sur des meules par de la magnésie ou du caoutchouc. Le siècle dernier a vu l’avènement des abrasifs fabriqués nommés artificiels (alumines mono- et microcristallines, à la zircone ; carbure de silicium, de bore), puis celui plus récent des superabrasifs (diamant, nitrure de bore cubique). Ces derniers permettent l’usinage de pièces mécaniques aux tolérances géométriques serrées et aux états de surface poussés dans des matériaux de dureté très élevée comme les céramiques, les carbures métalliques, les superalliages ou les aciers surcarburés. Quant aux abrasifs conventionnels, ils sont eux réservés à des travaux de non-précision avec gros enlèvement de matière (ébarbage, tronçonnage de grosses sections, ou bien à la rectification d’aciers et d’alliages d’une dureté inférieure à 55 HRC (dureté Rockwell).
On distingue les abrasifs agglomérés, les abrasifs appliqués et les abrasifs incorporés.
Les premiers sont fabriqués en répartissant régulièrement un mélange solide de grains d’abrasifs dans un liant (agglomérant) de nature minéral (magnésie ou silice/argile/feldspath) ou organique (résine, latex, shellac). Le processus d’élaboration d’un produit abrasif suit toujours cinq étapes : malaxage, pressage, cuisson, usinages pour mise en forme, puis contrôles.
Pour les abrasifs appliqués, un support plus ou moins souple reçoit une couche d’abrasif de répartition variable, maintenue en place par l’intermédiaire d’un liant (colle naturelle ou organique, résine synthétique). A l’usure de cette couche, le produit est jeté.
Les abrasifs incorporés sont constitués à l’identique des abrasifs appliqués, la différence porte sur la nature du support (fibres de nylon disposées en nappe et retenues par un liant) et l’épaisseur efficace obtenue, ce qui les définit comme un produit intermédiaire entre les deux premiers.
A ce jour, le travail par abrasion reste le procédé économique le plus répandu pour usiner les matériaux de haute dureté et/ou de haute fragilité, et réaliser les très faibles rugosités (de l’ordre du nanomètre) [BM7053]. L’abrasif doit pouvoir pénétrer le matériau sans subir de dégradation significative, d’où la notion de dureté relative, l’angle d’attaque influençant grandement l’enlèvement de matière.
Les matériaux constituant les abrasifs superabrasifs sont amenés à évoluer, ils sont à ce jour les plus performants en termes de précision, de superfinition et d’efficacité sur les matériaux durs.
Connues depuis la préhistoire (âge de la pierre polie), les propriétés abrasives de certains minéraux ont été cantonnées depuis l’antiquité jusqu’à la deuxième moitié du XIX e siècle dans les travaux d’aiguisage et de polissage (des armes, des outils, du marbre, des pierres précieuses). Les meules en grès des rémouleurs et les plateaux à polir des lapidaires sont une survivance de cette époque. Ce n’est que vers 1850 qu’apparaîtront les premières meules réalisées à partir d’abrasifs naturels : quartz, émeri, agglomérés par de la gomme laque, de la magnésie ou du caoutchouc ; il fallut encore un quart de siècle pour que naisse la fabrication industrielle de meules à agglomérant céramique et un autre quart de siècle pour que soient produits en quantité notable les deux abrasifs artificiels encore le plus utilisés de nos jours : l’ oxyde d’aluminium et le carbure de silicium . C’est l’avènement de ces abrasifs fabriqués (improprement qualifiés parfois d’artificiels par opposition à naturels) qui a permis, depuis le début du XX e siècle, la réalisation de pièces mécaniques devant présenter à la fois des tolérances géométriques serrées et des états de surface poussés. Enfin, étape récente des plus importantes dans l’évolution des abrasifs, la mise au point vers les années 60 de la fabrication industrielle de deux superabrasifs, le diamant et le nitrure de bore cubique , a permis l’usinage dans des conditions économiques et avec une très grande précision de pièces dans des matériaux de dureté très élevée : céramiques, carbures métalliques, superalliages, alumine frittée, aciers surcarburés, etc., et entraîné ainsi un grand développement de leur utilisation.
L’usinage par extrusion de pâte abrasive (en anglais : Abrasive Flow Machining, ou AFM) est utilisé pour finir les surfaces et arêtes en extrudant une pâte abrasive visqueuse à travers une pièce ou autour d’une pièce. L’abrasion a lieu uniquement dans les zones de restriction de l’écoulement ; les autres zones ne sont pas affectées. L’usinage par extrusion de pâte abrasive permet de façonner simultanément plusieurs cavités sur une même pièce ainsi que de traiter plusieurs dizaines de pièces dans un seul montage. L’outillage peut être conçu pour que son changement soit réalisé en quelques minutes pour des applications de production. L’extrusion de pâte abrasive est utilisée pour ébavurer et polir des surfaces ou rayonner (arrondir) des arêtes. Une grande variété de résultats peut être obtenue par des changements des paramètres du procédé. Ce procédé embrasse un grand nombre d’applications, depuis les composants critiques de l’aérospatial et du médical jusqu’aux pièces en grande série : il peut tenir des cadences de production atteignant des centaines, voire des milliers, de pièces à l’heure.
Basées sur l'utilisation de grains d'abrasifs libres ou liés entre eux (meules) ou à un support (bandes, papier...), les opérations d'usinage par abrasion (abrasive machining) sont extrêmement variées : elles vont des opérations d'écriquage à la meule des brames ou blooms d'acier élaborés par coulée continue à la réalisation par polissage des circuits micro-électroniques ou des pièces d'optique de haute résolution, en passant par la fabrication ou la finition par rectification des pièces mécaniques de toutes sortes (outils de mise en forme par déformation plastique des métaux ou par injection des polymères, pièces de roulements, éléments de machines...), le ponçage du bois, le polissage du marbre et du granit... Ainsi, certains auteurs estiment que le coût des seules opérations de rectification représente 20 à 25 % du coût des opérations d'usinage dans un pays industrialisé. Par ailleurs, le travail par abrasion est la seule possibilité économique pour : usiner les matériaux de très hautes dureté et/ou de haute fragilité : aciers à roulement martensitiques, aciers rapides dans l'état métallurgique d'utilisation, alliages réfractaires, carbures métalliques, verres, céramiques ; réaliser les très faibles rugosités (de l'ordre du nm) indispensables à certaines applications optiques, microélectroniques, micromécaniques... Il faut noter enfin que les interactions entre les grains abrasifs et la pièce usinée sont très proches des interactions entre pièces frottantes qui conduisent à leur usure par abrasion, un des modes d'usure les plus importants des outils de mise en forme (cylindres de laminoir, matrices de forgeage, filières de filage et tréfilage...), des éléments de machines ou des produits manufacturés. Les performances des procédés d'usinage par abrasion ne cessent de s'améliorer du fait des besoins industriels croissants. Toutefois, malgré leur grande importance économique, les procédés d'usinage à l'abrasif restent largement méconnus et leurs aspects scientifiques mal compris et mystérieux. Cet article, consacré aux aspects mécaniques de l'abrasion, a pour objectif de commencer un bilan des connaissances scientifiques sur ce type d'usinage ; le lecteur pourra également se reporter aux articles spécialisés de la présente rubrique pour une description plus précise des modalités de mise en œuvre des divers procédés. Les méthodes d'étude expérimentale et théorique des phénomènes microscopiques impliqués dans l'abrasion feront l'objet de l'article [BM 7 053] (avril 2009), deuxième partie de ce dossier sur l'usinage par abrasion.
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