Théorie de l'usure - Mesure, caractérisation des contacts et vitesse d'usure

Le mouvement relatif entre deux corps solides engendre deux phénomènes indissociables : le frottement, c’est-à-dire la résistance mécanique à ce mouvement relatif (forces, couple) et l’usure, c’est-à-dire une perte de matière des corps antagonistes. Le frottement a des conséquences négatives (énergie dissipée), mais aussi positives ; il assure la stabilité de notre marche sur le sol, le freinage des véhicules, l’entraînement d’une tôle dans l’emprise d’un laminoir, l’échauffement des pièces et leur soudage dans le procédé de soudage par friction ou friction/malaxage. À l’opposé, l’usure des pièces frottantes et des outils de fabrication (formage par déformation plastique, coupe et découpe mécanique, assemblage par sertissage, rivetage, clinchage, soudage par friction-malaxage, moulage ; procédés d’extrusion, injection des polymères) n’a que des côtés négatifs et doit être minimisée. En effet, l’usure entraîne l’arrêt des chaînes de fabrication, des moyens de transport, de chauffage, de production d’énergie… et la nécessité de remplacer les éléments usés, bref a des répercussions très coûteuses sur les activités humaines. Selon une étude réalisée par le CETIM, les phénomènes d’usure représentent un coût de l’ordre de 4 % du PNB de la France.

À noter toutefois que les procédés d’usinage par abrasion (rectification, ultra-sons, rodage, polissage) ou certains procédés d’usinage physico-chimiques (chimique, électroérosion) ont pour objectif d’ôter de la matière à un matériau à la vitesse la plus élevée possible afin d’obtenir, pour le coût le plus faible possible, une pièce possédant la géométrie souhaitée et des propriétés superficielles optimales (rugosité, contraintes résiduelles, microstructure). Le domaine de la modélisation de l’usure rejoint ainsi par bien des côtés celui de la modélisation de ces procédés d’usinage, bien que les objectifs pratiques en soient assez différents.

Il faut toutefois souligner qu’un contact implique deux antagonistes et qu’il est souvent souhaitable de fixer les phénomènes d’usure, a priori inévitables, sur l’une des deux pièces, la plus facile et la moins coûteuse à changer (pièce d’usure sacrificielle, comme on peut utiliser une anode sacrificielle pour faire face à la corrosion). Ainsi, par un choix judicieux du matériau des plaquettes de freinage d’un véhicule automobile, on concentre l’usure sur les patins, faciles à changer, pour maintenir les performances du frein et protéger les disques de freinage, solidaires du véhicule et plus massifs. De même, dans un palier, il est souhaitable de concentrer l’usure sur le coussinet, facile à changer… Ceci nécessite la connaissance de règles simples pour concevoir le contact. Par ailleurs, il faut pouvoir prendre en compte l’usure dans la conception des machines et des opérations de fabrication...