Connu dans son principe depuis les années 30, le procédé de toilage a surtout débouché industriellement chez le constructeur automobile américain Chrysler. Il était le premier à mettre au point des appareils permettant un usinage mécanisé pour un processus de fabrication jusque là manuel. L'usinage de superfinition par toilage a conquis ensuite une large audience sous l'impulsion des travaux de l'allemand Karl Wiek en 1950. L'objectif de ce travail était de préciser l'action de toilage en liaison avec l'intervention des variables process ainsi que les caractéristiques principales des processus physiques mis en jeu dans la superfinition des métaux. Dans la synthèse bibliographique, nous avons montré les insuffisances des travaux scientifiques sur l'usinage par toilage qui ramènent la connaissance du procédé à un boisseau de faits empiriques montrant l'intervention critique d'un certain nombre de variables du process. Afin de mieux cerner les mécanismes physiques qui régissent l'usinage par film abrasif, nous avons introduit une approche tribo-énergétique utilisant le couplage des mesures physiques in situ et des expertises de retour d'essais de toilage. Reprenant alors méthodiquement les connaissances de conception des technologies de toilage, nous avons développé un banc d'essai original basé sur un test de toilage où tous les paramètres limites sont donnés par les conditions de service (essai de service). Les mécanismes physiques entrant en jeu dans le toilage du matériau usiné et au niveau de l'interface toile/pièce ont été ainsi discutés. Aussi les interventions des variables process examinées avec effet d'échelle ont été précisées. Bien que le toilage agit par écrêtement de rugosité et par formation de micro-copeaux, la structure du film abrasif, caractérisée par un pouvoir de logement élevé, semble freiner voire transformer cette action de coupe en phénomène de frottement et de labourage. Par ailleurs, la ductilité et l'homogénéité microstructurale du matériau usiné semble conditionner, entre autres phénomènes, l'épaisseur de la couche écrouie et l'endurance de la surface toilée. Nous avons présenté aussi des résultats originaux qui montrent, par une approche multi-échelles de la topographie de surface, l'effet d'échelle de rugosité sur l'intervention des variables process. Celui-ci conditionne fortement la stabilité du process de toilage et permet de mieux préciser la qualité tribologique de surface en terme du besoin fonctionnel.

Les récentes séverisations des normes d’émission a indirectement conduit le groupe RENAULT à durcir et optimiser les spécifications appliquées aux surfaces en contact. Les portées de vilebrequins sont particulièrement concernées. A l’instar des développements produit/process liés au rodage des fûts de cylindre, il est envisagé depuis peu d’appliquer une texturation antifriction sur les tourillons et manetons. Ces portées de paliers sont actuellement superfinies par toilage, un procédé d’abrasion à la fois robuste et économique. Malheureusement, le toilage produit, en usine du moins, une unique morphologie de surface, à savoir, une striation circonférentielle intégrale. Il apparaît, en ce sens, très limité. La présente étude a pour objectif d’investiguer plus finement les capacités de texturation du toilage. Elle propose un ensemble d’analyses expérimentales visant à comprendre les limites texturales observées en production série et offre des solutions innovantes afin d’accroître très sensiblement le potentiel texturant du procédé. S’articulant autour du triptyque Procédé/Texture/Fonctionnalité, ce travail se positionne également dans une démarche globale en s’intéressant à la fois à la texturation laser, la caractérisation des surfaces texturées et à l’influence des textures sur la fonctionnalité statique et dynamique des paliers. Les résultats montrent en particulier que le procédé de toilage est capable de produire, de manière robuste, une véritable diversité de textures. Ils montrent également que la recherche de « poli miroir » pourraient être à prioriser sur les portées de vilebrequins. / The recent introduction of tougher emissions standards has indirectly led the RENAULT group to tighten up and optimize specifications applied to surfaces in contact. Crankshafts journals are particularly concerned. Like product/process developments linked to the honing of cylinder liners, there have been recent plans to apply anti-friction texturing to crankshaft journals and crank pins. These bearing surfaces are currently super-finished by belt-grinding, an abrasion procedure that is both robust and economical. Unfortunately, belt-grinding produces a unique surface morphology, in the factory at least, i.e. integral circumferential striation. In this sense it appears very limited. The purpose of this study is to investigate in more detail the texturing capacities of belt-grinding. It provides a set of experimental analyses aiming to understand the textural limits observed in the factory and offer innovative solutions to significantly improve the texturing potential of the procedure. Focusing on the three-pronged Process/Texture/Functionality approach, this work is also part of a global process by looking both at laser texturing, characterization of the textured surfaces and the influence of textures on the static and dynamic function of the bearings. The results show in particular that the belt-grinding procedure is capable of robustly producing a real diversity of textures. They also show that striving to achieve a « mirror-polish » finish may be something to prioritize for crankshafts journals.

Dans les industries automobile et aéronautique, les opérations de finition des pièces métalliques sont souvent réalisées avec des bandes abrasives ; on parle alors de « toilage ». Lors des opérations de toilage à sec des aciers, les conditions à l’interface entre l’outil abrasif et la pièce métallique usinée sont très sévères en termes de pression et de température. Un transfert métallique, communément appelé « chargement métallique » est observé à la surface des grains abrasifs en céramique de la bande abrasive, entrainant une chute de ses performances de coupe. L’objectif de ce travail est de comprendre ce phénomène de chargement métallique et notamment de mettre en évidence les paramètres l’influençant. L’effet de la nature des grains, de la nature des aciers ou encore de la présence de charges actives dans la bande abrasive ont donc été étudié. Une étude a donc été réalisée à différentes échelles : à l’échelle globale du contact bande abrasive / métal sur un dispositif industriel de toilage, puis à l’échelle plus locale du contact entre la céramique (du grain abrasif) et du métal, grâce à un dispositif tribologique adapté. Des caractérisations physico-chimiques par XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) et TEM-EDX (Transmission Electron Microscopy couplée avec la spectroscopie Energy Dispersive X-ray) des bandes abrasives ont également été réalisées. L’influence des charges actives, produits fluorés ajoutés à la résine de la bande abrasive, sur l’adhésion du métal sur le grain céramique a ainsi été mise en évidence, notamment dans le cas de l’acier inoxydable 304 où le chargement métallique a été fortement limité. Les mécanismes d’action de ces charges actives sont ensuite discutés. / In automotive and aeronautic industries, grinding operations can sometimes be done with abrasive belts. During dry metal grinding, conditions at the interface between the abrasive tool and the metal workpiece are very hard in terms of pressure and temperature. Metal transfer, known as “metal capping”, is observed at the surface of the abrasive ceramic grain inducing a drop in the cutting efficiency. The objective of this work is to understand this metal capping phenomenon and to highlight the parameters which have an influence on it. The effects of abrasive grain nature, metal nature or active filler presence in the abrasive belt are then studied. A study has been done at different scales: at the global scale of the abrasive belt / metal contact thanks to an industrial grinding test, and then at the more local scale of the contact between ceramic (from the abrasive grain) and metal, thanks to a suitable tribological device. Physicochemical characterizations by XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) and TEM-EDX (Transmission Electron Microscopy coupled with Energy Dispersive X-ray spectroscopy) were carried out on worn abrasive belts. The influence of the active fillers – fluorinated products added in the resin of the abrasive belt – on metal adhesion on the ceramic grain was then observed, especially in the case of the 304 stainless steel grinding where metal capping was significantly reduced. Action mechanisms of these active fillers were finally discussed.