Modélisation prédictive de l'intégrité de surface et du taux d'enlèvement de matière dans l'usinage à commande numérique : effets de la conductivité thermique et de la dureté

Cette étude examine l'influence de la conductivité thermique et de la dureté sur la performance du tournage à commande numérique (CNC), en se concentrant sur des indicateurs clés d'usinage—le taux d'enlèvement de matière (REM), la rugosité de surface (Ra) et l'ondulation de surface (Wa)—à travers cinq matériaux d'ingénierie : aluminium 6061, laiton C26000, bronze C51000, acier au carbone 1020 et acier inoxydable 304. Les résultats expérimentaux révèlent une forte corrélation entre les propriétés des matériaux et l'efficacité de l'usinage. Les matériaux à haute conductivité thermique (>100 W/m·K) ont présenté jusqu'à 38 % de REM plus élevé et une intégrité de surface améliorée par rapport à leurs homologues à faible conductivité. L'aluminium 6061 a atteint le REM le plus élevé (7,5 mm3/min à un taux d'alimentation de 0,25 mm/tr) avec le plus bas Ra (~0,58 µm) et Wa (~0,4576 µm), confirmant son excellente usinabilité et dissipation de chaleur. En revanche, l'acier inoxydable 304, caractérisé par une faible conductivité thermique (16 W/m·K) et une grande dureté (210 HBW), a enregistré le REM le plus bas (1,125 mm3/min), un Ra élevé (>1,0 µm) et une ondulation substantielle (Wa ~0,9442 µm), indiquant une usure sévère de l'outil et une déformation thermique. Un modèle de régression multivarié incorporant la vitesse de coupe, le taux d'alimentation, la conductivité thermique et la dureté a été développé pour prédire le REM, atteignant une grande précision prédictive (R2 > 0,92) pour les matériaux à haute conductivité. Des écarts de ±0,5 mm3/min ont été observés dans des matériaux durs à faible conductivité en raison d'effets non linéaires tels que le durcissement par déformation et l'expansion thermique. L'analyse de l'incertitude de mesure, avec une incertitude élargie estimée de ±2,5 % pour le REM et de ±0,02 µm pour les paramètres de surface, assure la fiabilité de ces résultats. Ces résultats soulignent l'importance de l'optimisation des paramètres d'usinage spécifiques aux matériaux pour améliorer la productivité, la qualité de surface et la longévité des outils dans les industries de haute précision, y compris l'aérospatiale, l'automobile et la fabrication biomédicale.