Pour assurer sa compétitivité, l’industrie aéronautique a de plus en plus besoin de composants et pièces mécaniques de haute performance fonctionnelle et de durée de vie en service plus longue. L’amélioration de la durée de vie en service des pièces usinées passe essentiellement par la maitrise et le contrôle de l’intégrité de surface. Ainsi, la présente étude a pour objectif d’investiguer, expérimentalement et théoriquement, les interactions outil/matière et leurs effets sur l’intégrité de surface lors de la coupe orthogonale à grande vitesse des alliages d’aluminium et des aciers durs utilisés dans la fabrication des pièces structurales en industrie aéronautique. Les matériaux d’étude sont deux alliages d'aluminium (6061-T6 et 7075-T651) et un acier faiblement allié (AISI 4340). L'acier AISI 4340 a été usiné à l’état traité par induction (58-60 HRC) (usinage dur). Ces matériaux ont été choisis dans le but de développer une approche globale pour prédire le comportement, en usinage à grande vitesse, de deux classes de métaux de caractéristiques mécaniques différentes (ductile et dur).
L'approche proposée se base sur trois étapes. Premièrement, nous avons établi un plan d’expérience afin de mener une investigation expérimentale sur les effets des conditions de coupe sur l’intégrité de surface et la formation de copeaux en usinage grande vitesse à sec. La configuration de la coupe orthogonale adoptée dans cette étude nous a permis d’explorer, théoriquement, les effets des paramètres technologiques (vitesse de coupe et avance) et physiques (efforts de coupe, température, angle de cisaillement, angle de frottement, et longueur de contact outil/copeau) sur les mécanismes de formation de copeaux et les caractéristiques de l’intégrité de surfaces usinées (contraintes résiduelles, déformation plastique, transformation de phase, etc.). Les conditions de coupe ont été choisies tout en respectant un plan d’expérience composite central (CCD) à deux facteurs (vitesse de coupe et avance par tour).
Dans le cas de l’usinage de l’aluminium 7075-T651, les résultats ont montré que la formation de l’arête rapportée (BUE) et l’interaction entre l’arête de coupe et les particules intermétalliques riches en fer sont les principales causes de la dégradation de la qualité de surfaces usinées. La formation de l’arête rapportée s’est intensifiée pour les avances élevées. Cependant, l’augmentation de la vitesse de coupe l’a réduit et a intensifié le collage de l’aluminium sur la face de coupe. L’étude a montré, également, qu’avec un choix judicieux de la vitesse de coupe et l’avance, il est possible de générer un état de contrainte de compression favorable à une meilleure durée de vie en fatigue des pièces en aluminium 7075-T651. Dans cette analyse, des corrélations ont été établi entre l’état de contrainte et les paramètres de coupe, tels que les efforts de coupe, angle de cisaillement, et angle de frottement.
D’autre part, nous avons étudié l’effet des conditions de coupe sur l’intégrité de surface en usinage dur de l’acier AISI 4340 durcis superficiellement par induction (58-60 HRC). Cette investigation a été motivée par le fait qu’une trempe par induction excessive a souvent engendré une couche durcie épaisse (2 mm) avec des contraintes résiduelles de compression faibles. Alors, notre objectif était de savoir si la finition par usinage dur, post-traitement d’induction, pourrait remédier à ce défaut. Les résultats ont montré que l’usinage dur à sec a permis d’améliorer l’état de contrainte résiduelle initial (après trempe par induction) en introduisant d’avantage des contraintes résiduelles de compression. Cependant, l’augmentation de la vitesse de coupe a induit des contraintes résiduelles de traction en surface. D’autre part, l’augmentation de l’avance a engendrée des contraintes résiduelles de compression et a accentuée l’endommagement de la surface usinée. L’analyse microstructurale au microscope électronique à balayage a révélé la formation de la couche blanche (épaisseur inférieur à 2 μm) en surface et des déformations plastiques sévères en sous-couches. Ces résultats ont démontré que l’usinage dur à sec avec un outil céramique est capable de produire des surfaces intègres qui peuvent concurrencer celles obtenues par rectification souvent jugée lente et très couteuse comparée à l’usinage dur.
L’étude expérimentale décrite ci-dessus et qui constitue la première étape de la présente thèse, nous a révélé que l’intégrité de surface est intimement liée aux mécanismes de formation de copeaux. Ces mécanismes, qui sont à l’origine des chargements thermomécaniques, peuvent être quantifiés par deux principaux paramètres : les efforts de coupe et la température générés lors de l’usinage. La quantification des efforts de coupe et température est indispensable dans la prédiction des caractéristiques de l’intégrité de surface(contraintes résiduelles, transformation de phase, etc.). D’où l’importance des modèles de prédiction des efforts de coupe et température. Dans la présente étude, nous avons choisi de développer un modèle de prédiction des efforts de coupe se basant sur une loi constitutive de comportement du matériau qui tient compte de l’effet de la déformation, vitesse de déformation, et la température. Par conséquent, la deuxième étape de cette étude a portée sur l’identification des coefficients de la loi de comportement de Marusich afin de simuler le comportement des matériaux étudiés en usinage à grande vitesse. Pour ce faire, nous avons proposé une méthode originale pour identifier les coefficients de la loi constitutive. Cette nouvelle approche, qui consiste à utiliser des tests dynamiques combinés à la méthode analytique inverse, a été appliquée aux alliages AA6061-T6, AA7075-T651, et AISI4340 (60 HRC). La méthode analytique consiste à déterminer, inversement, les coefficients matériaux à partir des essais d’usinages combinés aux modèles de surface de réponse établis dans la première partie de cette étude. Dans cette étape, nous avons étudié la sensibilité des coefficients matériaux aux modèles de températures utilisés dans la méthode inverse. Deux modèles matériau, pour chaque matériau testé, ont été déterminés à l’aide de deux différents modèles de température (model d’Oxley et de Loewen-Shaw). Les équations constitutives ainsi obtenues ont été validés à l'aide de résultats de tests dynamiques et aussi par un modèle éléments finis (EF) de l’usinage à grande vitesse. Une analyse de sensibilité a révélé que le choix du modèle de température influence significativement les coefficients matériaux et par la suite la prédiction de la contrainte d’écoulement et les paramètres de coupe (températures, forces, etc.). En général, les coefficients matériaux issues du modèle de température d’Oxley ont donné des résultats satisfaisants dans la prédiction du comportement dynamiques et aussi dans la prédiction des efforts dans le cas de la modélisation par éléments finis de l’usinage à haute vitesse des matériaux testés.
Finalement, les modèles matériaux ainsi établies dans la deuxième étape, ont été, par la suite, implémenté dans le modèle analytique prédictive des efforts de coupe et de la température (troisième étape de l’approche). Nous avons testé seulement les coefficients obtenues par le modèle de température d’Oxley, vu leur meilleure performance comparée à ceux obtenus par le modèle de température de Loewen et Shaw. Cette partie de l’étude a pour objectifs de vérifier les coefficients matériaux déterminé et aussi de généraliser le modèle prédictive d’Oxley pour l’usinage à grande vitesse des alliages d’aluminium et aciers durs avec outils de coupe à arête semi-vif et ronde. Les résultats prédits (efforts de coupe, épaisseur du copeau, longueur de contact outil/copeau) ont été comparé avec les données expérimentales obtenues dans la présente étude et de la littérature, couvrant un large éventail de conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, et angle de coupe). Un bon accord a été observé entre les forces de coupe prédites et mesurées pour tous les matériaux testés. Les constantes de vitesse de déformation dans la zone de cisaillement primaire et secondaire se sont révélées être sensibles aux conditions de coupe et leurs effets sur les données prédites ont été examinés en détail. Grace à la loi de comportement de Marusich, le modèle prédictif de coupe d’Oxley a été généralisé, a l’usinage à grande vitesse des alliages d’aluminium aéronautiques et acier durci par trempe à induction, avec succès. Le modèle de forces de coupe proposé pourrait être utilisé dans la prédiction analytique des contraintes résiduelles dont la prédiction par élément finis est souvent jugée délicate et lente.
A travers cette étude expérimentale et théorique, nous avons pu mettre en évidence les différents mécanismes physiques qui gouvernent la formation de copeaux et leurs effets sur l’intégrité de surface finie de deux classes de métaux (ductiles et durs). Cette approche permettra d’optimiser le choix des conditions de coupe afin de mieux maîtriser l’intégrité de surface. D’autre part, les résultats de cette étude ont été validés pour des faibles avances (10-30μm), comparables au rayon de l’arête de coupe utilisé (25 μm). Ainsi, les modèles de la coupe orthogonale développés dans cette étude (analytique et par éléments finies) peuvent être généralisés pour la prédiction et modélisation des procédés conventionnels (tournage, fraisage, et perçage) et non-conventionnels comme le micro-usinage.
| Date | 22 janv. 2015 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Victor Songmene (Directeur(-trice)) & Philippe Bocher (Codirecteur(-trice)) |
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