Analysis and modeling of machining and surface integrity characteristics under various turning environments

Résumé

Les pièces d'avion et aérospatiales sont souvent produites en alliages d'aluminium car ces alliages possèdent des résistances spécifiques et formabilités convenables ainsi que d'excellentes résistances à la corrosion. Les caractéristiques de l'intégrité de surface de ces alliages, dont la rugosité de surface et les contraintes résiduelles sont fonction des paramètres d'usinage, dont la température et les efforts transmis aux pièces lors des opérations d'usinage. Les fluides d'usinage apportent une lubrification et un refroidissement nécessaires pour la qualité des pièces produites. L'utilisation d'un fluide peut améliorer la résistance en fatigue et la résistance à la corrosion. Le but de cette étude était de développer des modèles par éléments finis (EF) en deux et en trois dimensions afin de simuler l'usinage par tournage de l'alliage AA6061-T6. Ainsi, il a été possible de prévoir les contraintes résiduelles pour plusieurs environnements. Cette étude avait aussi comme objectif l'analyse d'une campagne expérimentale, ainsi qu'une modélisation prédictive par régression et une optimisation multicritère des contraintes résiduelles et des paramètres de rugosité, et ce pour une variété d'environnements de tournage. Cette étude a été divisée en trois phases consécutives. D'abord, un modèle par éléments finis en deux dimensions a été développé et validé expérimentalement pour plusieurs paramètres d'usinage. Le modèle a servi à simuler les interactions entre le rayon du bord de coupe de l'outil et la vitesse de coupe, l'avance et l'angle de coupe. Ainsi, l'influence de la géométrie de l'outil et des paramètres de coupe sur les efforts de coupe, la température, et l'épaisseur du copeau a été évaluée pour le tournage de l'alliage AA6061-T6. Ensuite, les résultats de l'usinage conventionnel ont été comparés avec les résultats de l'usinage à grande vitesse (UGV). Deuxièmement, des essais de tournage ont été complétés selon un plan d'expériences composite centré pour trois environnements d'usinage. Les paramètres d'usinage au meilleur rendement ont été identifiés par analyse de variance (ANOVA) pour chaque environnement. L'importance de la vitesse de coupe, de l'avance, et de la profondeur de coupe sur la rugosité de surface et les contraintes résiduelles a été étudiée pour l'usinage à sec (DRY), à lubrification à quantité minimale (MQL), et lubrifié (WET). La méthode des surfaces de réponse a été appliquée pour prévoir des modèles ajustés efficaces pour chaque environnement de tournage pour la rugosité de surface, la hauteur des sommets par rapport aux vallées, les contraintes résiduelles axiales en surface, et les contraintes résiduelles circonférentielles en surface. Par la suite, à l'aide des modèles ajustés prédictifs, une étude multi-performance a été complétée afin d'identifier les paramètres de tournage optimaux pour l'intégrité de surface en tournage à basse vitesse (LST) et à grande vitesse (HST) de l'alliage AA6061-T6 pour chaque environnement. De plus, un modèle par éléments finis en trois dimensions a été développé pour simuler et prévoir la température d'usinage, les efforts, et les contraintes résiduelles axiales pour plusieurs environnements et paramètres d'usinage. Les environnements considérés étaient les modes d'usinage à sec, à MQL et lubrifié. Les paramètres d'usinage considérés étaient les paramètres de coupe, dont la vitesse de coupe, l'avance, et la profondeur de coupe, et les paramètres géométriques de l'outil, dont le rayon du bord de coupe, l'angle de coupe secondaire, et l'angle de dépouille secondaire. Une attention particulière a été accordée à la simulation de contraintes résiduelles en tournage de l'alliage AA6061 T6 avec le logiciel DEFORM-3DTM. Le modèle par EF à trois dimensions a été validé en comparant les efforts de coupe et les contraintes résiduelles axiales en surface avec les mesures expérimentales correspondantes. Les effets de la vitesse de coupe, l'avance, et la profondeur de coupe sur les contraintes résiduelles axiales ont été étudiés expérimentalement pour trois environnements de tournage. L'influence de la géométrie de l'outil de coupe, dont le rayon du bord de coupe, l'angle de coupe secondaire, et l'angle de dépouille secondaire a été étudié à l'aide du modèle par EF en trois dimensions pour le tournage en condition d'usinage lubrifié. Les modèles ajustés issues de la modélisation par EF en deux et en trois dimensions sont capables de prévisions fiables pour des applications industrielles. Elles peuvent contribuer à l'amélioration et l'optimisation de l'usinage et de l'intégrité de surface pour plusieurs environnements de tournage et paramètres.

Date	23 nov. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Victor Songmene (Directeur(-trice)) & Mohammad Jahazi (Codirecteur(-trice))