« Tribologie/Applications pratiques industrielles » : différence entre les versions

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=== Manitoba, Canada ===
Le gouvernement du Manitoba a éliminé toutes les taxes sur le biodiéselbiodiesel pur produit au Manitoba dans le cadre du budget 2006 en vue d’encourager davantage le développement de cette énergie de remplacement propre. Le biodiéselbiodiesel est fabriqué à partir d’huiles végétales, de graisses animales et d’huiles récupérées des restaurants. Environ 850 000 tonnes de carburant diesel sont consommées au Manitoba chaque année, la plus grande partie étant utilisée par les secteurs des transports et de l’agriculture. Comparativement au carburants issus du pétrole, le biodiéselbiodiesel pur réduit un certain nombre d’émissions telles que :
* les gaz à effet de serre (jusqu’à 90 %)
* le dioxyde de soufre (de 100 %)
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* les hydrocarbures aromatiques qui causent le cancer et l’emphysème (jusqu’à 80 %).
 
Le biodiéselbiodiesel peut être utilisé sous forme de carburant pur ou dans des mélanges utilisables dans n’importe quel véhicule diesel. Outre ses avantages écologiques, il '''améliore la lubrification''' dans les véhicules, réduisant ainsi les coûts d’entretien.
 
=== Biocarburant à Villeneuve sur Lot (Lot-et-Garonne) ===
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Cette pièce avait la forme d'une soucoupe de 2,75 m de diamètre, réalisée en fibres de carbone avec un structure d'aluminium en nid d'abeilles, et comportant une couche de protection thermique de moins de 20 mm d'épaisseur. Celle-ci était constituée d'environ 200 dalles d'un composé ablatif (qui disparaît au fur et à mesure du fonctionnement) à base de fibres de silice dans une matrice de résine phénolique. Ce matériau est à la fois très solide, très léger et très isolant. L'arrière du bouclier était recouvert d'une garniture de 2 mm de Prosial, un autre composé isolant comportant des sphères de silice creuses dispersées dans un élastomère de silicone, souvent utilisé en construction aéronautique comme barrière anti-feu.
 
Bien que sa masse n'ait pas dépassé 80 kg, ce bouclier a suppoprtésupporté un flux thermique de l'ordre de 1 MW/m² pendant l'entrée dans l'atmosphère de Titan, avec des températures de surface pouvant atteindre 1500°C. La température du plasma provoqué par l'onde de choc en avant du bouclier était supérieure à celle de la surface du Soleil ... De plus, les caractéristiques chimiques de l'atmosphère traversée étaient très différentes de celles de l'atmosphère terrestre.
 
L'une des plus grandes difficultés que l'on rencontre lors de la conception de ces boucliers thermiques vient de la nécessité d'associer des matériaux dont les coefficients de dilatation sont très différents, comme l'aluminium et la fibre de carbone.
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Avant 1993 la teneur en soufre des gazoles atteignait couramment 0,5 à 1 %, voire dans certains cas 2 %. Elle a été brutalement réduite aux environs de 0,05 %. Pendant environ deux ans, on a constaté de nombreuses pannes de moteurs diesel dues entre autres à des problèmes de grippage dans les systèmes d'injection ; il a fallu beaucoup de temps pour que les fabricants de moteurs trouvent des solutions convenables à ces problèmes.
 
Aujourd'hui le soufre n'existe plus qu'à l'état de traces (0,0015 %) et de ce fait il ne joue pratiquement plus aucun rôle en tant que lubrifiant. Cela fait apparaître un nouveau problème, lié à la diversité des approvisionnements et des procédés de raffinage. Contrairement à ce que l'on pense généralement, il n'y a donc pas UN gazole, qui serait un produit bien défini et vendu partout, mais presque autant de gazoles qu'il y a de raffineries, c'est-à-dire des centaines, et tous ces carburants ont des propriétés différentes que la présence de soufre permettait en quelque sorte de masquer. On s'est aperçu également que les carburants diesel à très basse teneur en soufre sont sujets à des colonisations bactériennes et que leurs qualités peuvent encore se dégrader si la maintenance des cuves de stockage n'est pas bien assurée, en particulier si l'élimination de l'eau qui se condense toujours au fond des cuves n'est pas assurée régulèrementrégulièrement.
 
Des problèmes analogues s'étaient déjà produits lors du remplacement des essences chargées en plomb tétraéthyle, un antidétonant permettant d'augmenter l'indice d'octane, par des essences sans plomb. Le plomb est aussi un élément lubrifiant très important ...
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De nombreux organes doivent pouvoir fonctionner à sec dans les commandes de vol, articulations de trains d'atterrissage, glissières de lancement d'engins, paliers de satellites à longue durée de vie ..
 
L'usure induite par de petits débattements (autre façon plus correcte de désigner la corrosion de contact) se manifeste sur les alliages aéronautiques : dégradation avec formation de débris dont une partie peut être éjectée, apparition de microfissuresmicro-fissures qui participent à la formation de débris plus importants, propagation de ces fissures et rupture à une durée de vie réduite lorsque l'une d'elles atteint une dimension critique liée à la ténacité du matériau concerné. Cette forme d'usure concerne entre autres :
* les aciers à très haute résistance des axes d'éléments d'atterriseurs,
* les alliages légers dans les assemblages rivés ou boulonnés des cellules, au niveau des interfaces tôle/tôle et des fixations tôle/suppportsupport,
* les alliages de titane et les superalliagessuper-alliages dans les liaisons disques/aubes sur les turbomachines,
* les aciers à moyenne résistance des pièces tournantes de rotors d'hélicoptères.
 
On retarde ce phénomène par des traitements et protections de surface, des mastics intercalaires, le baguage de certaines pièces, le graissage.
 
Dans les commandes de vol on trouve beaucoup de rotules sphériques autolubrifiantesauto-lubrifiantes, généralement à base de PTFE et de tissus de fibres de verre ou organiques ou en graphite-céramique pour les parties chaudes. Ces matériaux tiennent mal en présence de poussières abrasives, d'où l'utilisation de rotules étanches avec lèvres d'élastomères.
 
 
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=== Utilisation de revêtements à base de carbone ===
 
Des chercheurs des universités de Cambridge et de Karlsruhe ont publié conjointement une étude sur les films ultralissesultra-lisses de carbone à structure adamantine. Les revêtements doivent être très lisses pour réduire le frottement et prévenir l'usure. Les chercheurs ont expliqué le processus de croissance de ces films de carbone et la raison pour laquelle ils sont pratiquement lisses à l'échelle des atomes. Sans eux, les disques ne pourraient même pas fonctionner, les roulements s'useraient plus vite et les joints d'étanchéité ne tarderaient pas à être endommagés.
 
Le but ultime de ces recherches est toutefois de réaliser des surfaces frottantes adaptées à toutes sortes d'applications comme les machines-outils, l'automobile ou certains dispositifs électroniques. Ces films sont produits avec du carbone ordinaire, c'est l'arrangement des atomes dans les couches de revêtements qui détermine leurs propriétés. Jusqu'à maintenant, la conception de ces films relevait de l'empirisme et de l'expérience accumulée.
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Plus la tête de lecture se rapproche de la surface du disque, plus le dégagement de chaleur est important et plus la couche de lubrification doit être importante mais cette couche est elle-même dégradée par la chaleur. La société Seagate propose d'utiliser un lubrifiant à base de nanotubes de carbone vaporisé périodiquement pour déposer une très fine pellicule sur la surface des plateaux. Ce procédé est utilisé dans la production des CD et DVD. Le gain en capacité de stockage pourrait alors être considérable.
 
== ÉlectroérosionÉlectro-érosion ==
 
La perturbation de la surface est liée directement à la façon dont on utilise le générateur, en particulier la puissance mise en jeu et la durée de l'opération. Plus le temps d'opération est long, meilleur est le résultat final.
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Lors de la fabrication d'outillages (matrices de forge, moules pour matières plastiques ...), il n'est pas certain que l'enlèvement de la couche blanche et de la couche thermiquement affectée lors d'opérations de polissage, par exemple, donne de meilleurs résultats.
 
On cite cet exemple : une matrice de forge en acier rapide usinée par fraisage a tenu 4000 pièces. Une autre ébauchée par fraisage et finie par électroérosionélectro-érosion a produit 12 000 pièces. Une troisième usinée par fraisage, finie par électroérosionélectro-érosion puis soumise à un traitement thermique de stabilisation a permis de produire le nombre impressionnant de 400 000 pièces !
 
== Embrayages ==
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=== Les lubrifiants spécifiques ===
Les conditions de fonctionnement des éoliennes sont de plus en plus sévères au fur et à mesure que leur puissance augmente. Les plus gros prototypes actuels atteignent 10 MW ... De ce fait, les lubrifiants prennent une importance de plus en plus grande, surtout pour assurer le fonctionnmentfonctionnement et la fiabilité des composants les plus lourdement chargés, et tout particulièrement les engrenages. Dans toutes les machines on trouve des organes lubrifiés par de l'huile et d'autres par de la graisse.
 
Par rapport à d'autres applications, les lubrifiants utilisés dans les éoliennes doivent conserver leurs propriétés pendant de très longues périodes entre deux opérations d'entretien. Pour une automobile, par exemple, le temps de fonctionnement entre deux vidanges est de l'ordre de 200 à 500 h ; pour une éolienne, il s'agit plutôt de 25.000 à 50.000 h.
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=== Systèmes de commande ===
Les recherches sur les freins automobiles électrohydrauliquesélectro-hydrauliques semblent abandonnées.
 
Tous les équipementiers automobiles travaillent actuellement au remplacement des freins à commande hydraulique par des dispositifs électromécaniques. Dans les freins EMB (Electro Mechanical Brake), les plaquettes ne seront plus serrées par des pistons mais par des actionneurs électriques placés directement dans les étriers. On en attend une augmentation générale des performances et l'élimination des éléments hydrauliques, qui sont une importante source de pollution.
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=== Mode d'action des freins ===
 
D'autres études concernent le '''freinage d'urgence''' des automobiles. Le Professeur Peter Reimann et ses collaborateurs, de l'Université de Bielfeld en Allemagne, constatant que les techniques actuelles de freinage se fondent essentiellement sur des lois empiriques et non sur la théorie, espèrent améliorer notre compréhension des phénomènes de frottement à l'échelle moléculaire. Le modèle qu'ils ont établi suggère qu'au fur et à mesure que la vitesse de glissement de deux corps augmente, les forces de frottement commencent par croître, puis atteignent un maximum et ensuite décroissent. La conséquence immédiate est que la plus courte distance d'arrêt n'est obtenue ni en écrasant la pédale de frein et en bloquant les roues, ni en utilisant le système ABS qui empêche tout blocage (limite le bocage en relachantrelâchant périodiquement les freins). Un compromis entre ces deux méthodes semble bien être la solution la plus pertinente pour s'arrêter le plus rapidement possible.
 
Il n'est peut-être pas inutile de rappeler ici que contrairement à une idée reçue et plus ou moins entretenue par certaines publicités, le système ABS est parfaitement incapable de raccourcir les distances de freinage (ceci dépend en fait des caractéristiques de frottement des pneus sur le sol. Sur sol sec, il est souvent observé une diminution de la distance de freinage avec l'absABS. Ceci n'est pas vrai pour la neige) ; en revanche il permet au conducteur inexpérimenté de conserver une certaine maîtrise de sa trajectoire.
 
=== Matériaux nouveaux ===
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D'autres recherches concernent les matériaux, en particulier les [[Matériaux/Céramiques|céramiques]]. Leur coût élevé les réserve pour l'instant à la compétition et à quelques automobiles de grand luxe (Audi, Ferrari, Porsche). Le matériau le mieux approprié pour la fabrication des disques est le [[w:fr:carbure de silicium|carbure de silicium]], matériau très dur, résistant à l'abrasion, dont la structure est similaire à celle du diamant. La résistance de ces disques est améliorée par l'incorporation de fibres de carbone. Il en résulte un coefficient de frottement très stable, peu sensible aux conditions météorologiques ou à l'échauffement. Audi annonce que les disques de l'A8 dureront 300 000 km, soit quatre fois la durée de vie de disques conventionnels en acier, avec un niveau sonore très abaissé. Il s'agit d'un équipement optionnel, compte tenu du coût.
 
== HydroélectricitéHydro-électricité ==
 
La lubrification des axes des distributeurs hydrauliques, des turbines et des vannes est très aléatoire car les vitesses de glissement sont insuffisantes. Le PTFE s'impose, en présence d'axes chromés ou métallisés par de l'acier à 13 % de chrome, par sa facilité de montage et d'accommodement. Les frottements sont diminués dans un rapport de 3 à 6. La rugosité ne doit pas dépasser 0,8 micromètre. Le PTFE chargé de bronze ou associé aux tissus de verre est également utilisable.
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La société américaine Barden [http://www.bardenbearings.co.uk/] consacre une partie de son site internet à des informations destinées aux constructeurs d'appareils destinés aux dentistes ; les roulements de très haute précision utilisés dans les turbines des pièces à main sont particulièrement concernés par ce problème. Les nouveaux roulements sont dessinés de façon à mieux retenir les lubrifiants et à résister davantage à la contamination par les débris provoqués par l'action des fraises. Voir : [http://www.dentalbearings.co.uk.]
 
== MicromécaniqueMicro-mécanique ==
 
C'est un domaine spécial en tribologie par les très faibles énergies disponibles et la nécessité d'un fonctionnement sous très faible charge, sans entretien, pendant plusieurs années. Les matériaux ont souvent un très haut module d'élasticité, comme le rubis, ou un très bas comme les plastiques. Les pressions de Hertz très élevées provoquent un fort accommodement en début de fonctionnement, les atmosphères sont souvent difficiles.
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* Les '''segments de feu''' sont maintenant en fonte GS ou semi-malléable durcie par des carbures, plutôt qu'en fonte à graphite lamellaire. Ils sont généralement chromés, mais le chrome qui fond à 1860°C devient insuffisant, en particulier sur les moteurs diesel suralimentés, et se fissure facilement. On le remplace de plus en plus par le molybdène qui fond à 2620°C et que l'on dépose généralement au chalumeau, malgré les progrès du dépôt par plasma. Les couches sont poreuses, feuilletées, riches en oxydes, et retiennent l'huile. Le plasma en atmosphère neutre donne des couches moins oxydées, moins poreuses, plus denses et adhérentes, qui résistent mieux à l'abrasion mais peuvent user les cylindres. Le molybdène a toutefois atteint ses limites et sera probablement remplacé dans les prochaines années par des matériaux déposés au plasma : cermets, céramiques, métaux réfractaires.
 
* Les '''segments râcleursracleurs''' ou étancheurs sont le plus souvent en fonte grise phosphoreuse à graphite lamellaire.
 
* '''Cylindres et chemises''' : les cylindres sont généralement non chemisés, sauf en France où l'on trouve beaucoup de chemises mobiles humides.
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En Europe, les outillages d'extrusion ont été les premiers à bénéficier de la technologie PVD. Deux micromètres de nitrure de titane ont permis, par exemple, de tripler la durée de certains outillages. On note aussi la possibilité de réaliser des outillages de types inconnus auparavant.
Utilisations possibles sur engrenages, roulements à billes, ... La société allemande OMT a mis au point depuis 1990 une technique de revêtements PVD + galvanoplastie multicouchemulti-couche dédiée aux outillages d'extrusion. Les objectifs sont de 3 niveaux :
* La protection du substrat de base contre la corrosion et les phénomênesphénomènes de piquages pouvant détériorer le revêtement, ces dégâts étant bien souvent causés par la mauvaise qualité des eaux de refroidissement.
* L'augmentation de la durée de vie de l'outil subissant une très grande abrasion par contact avec le produit extrudé chaud.
* Offrir une surface le plus lisse possible avec un coefficient de frottement faible en fonction de la nature du produit transformé.
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L'usure des parties actives des outils dégrade progressivement la qualité des pièces découpées : variation des cotes, apparition de défauts de forme, modification de l'aspect du bord découpé, augmentation du volume écroui limitant les possibilités de formage ultérieur du bord découpé, variation de la hauteur des bavures.
 
Toutefois, un faible niveau d'usure des arêtes de coupe ne correspond pas nécessairement à la qualité optimleoptimale des pièces découpées. Avec des outils revêtus, par exemple, cette qualité est meilleure jusqu'à 35 000 coups de presse, après la tendance s'inverse.
 
=== Mesure de l'usure des poinçons ===
Le plus souvent, on l'évalue par l'examen du profil de l'outil ou indirectement par la mesure des cotes de la pièce découpée. Cette dernière méthode a pour inconvénient de nécessiter le démontage du poinçon et l'on n'est jamais sûr, lors du remontage, de ne pas l'ébrécher et de retrouver exactement sa position initiale.
 
Des chercheurs de l'École Nationale Supérieure de Mécanique et des MicrotechniquesMicro-techniques de Besançon (ENSMM), dans le cadre d'un contrat mettant en jeu les organismes officiels de la Région Franche-Comté et diverses entreprises comme Augé Découpage, Crylas SAS, Alstom Transports et ITT Industries, ont proposé une méthode permettant de mesurer l'usure des poinçons in situ. Par action d'un rayonnement approprié, le tungstène entrant dans la composition du poinçon est transmuté en rhénium radioactif sur une profondeur d'environ 5O µm. Le rhénium émet des rayons γ dont l'intensité dépend de la perte de matière par usure et aussi du temps, puisque la radioactivité décroît naturellement selon une loi exponentielle.
 
Pour en savoir plus sur ce procédé, on peut prendre contact avec Guy Monteil, Laboratoire de microanalysemicro-analyse des surfaces ENSMM, Tél. 03 81 40 28 67, guy.monteil@ens2m.fr ou Fabien Gréban, Société Augé Découpage, Tél. 03 81 40 22 00, recherche@augedecoupage.com
 
=== Réalisations pratiques ===
Dans des conditions industrielles définies, des outils de poinçonnage revêtus de nitrure de titane ou carbonitrure de titane (par PVD) ou de carbure de titane (par CVD) peuvent produire jusqu'à 35000 pièces dont la qualité est supérieure à celle produite par des outils conventionnels non revêtus.
 
== Perçage thermique ou fluoperçagefluo-perçage ==
 
Un outil rotatif spécial permet de fondre localement le métal d'une paroi, sous l'effet combiné de la vitesse de rotation et de la pression. Le métal ramolli forme des bourrelets, en général devant et derrière la paroi, constituant ainsi une sorte de tube rapporté. Ce « tube » peut ensuite être travaillé, on peut par exemple le tarauder.
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=== Problèmes de bruit ===
 
Le bruit de roulement des pneumatiques sur les chauséeschaussées est une importante source de nuisances pour les riverains. La société Colas a étudié ce problème avec des acousticiens et mis au point un nouveau revêtement baptisé « Nanosoft ».
 
Ce revêtement est déposé en surface lors de la création de chaussées nouvelles ou de l'entretien de chaussées existantes. Dans ce second cas, la chaussée est préalablement fraisée, reprofilée si besoin est et les ouvrages annexes (écoulement des eaux, etc.) sont remis aux cotes. Selon Colas, les bruits de roulement sont divisés par 8 (diminution de 9 db). Ce résultat est dû en grande partie à la faible taille des granulats, environ 0,4 mm.