On the characterization of Johnson-Cook constants : numerical and experimantal study of high speed machining aerospace alloys

Résumé

L’industrie aéronautique souhaiterait à terme remplacer l’usinage chimique par l’usinage mécanique lequel est plus précis, plus prévisible et surtout plus écologique. En effet, les rejets issus de l’usinage chimique contiennent notamment du dioxyde de carbone et des solvants qui se dégradent difficilement dans les eaux souterraines. L’usinage mécanique permet aussi d’éviter une disposition importante de matières dangereuses et offre un meilleur recyclage des copeaux. Cependant, la maîtrise de la qualité des pièces produites par usinage mécanique, passe par la prédiction et l’optimisation du processus de coupe du métal. L’outil de simulation le plus utilisé est la modélisation par éléments finis (MÉF). La réussite et la fiabilité des modèles simulés dépendent fortement des lois décrivant le comportement thermomécanique des matériaux usinés. Parmi elles, la plus utilisée est celle de Johnson-Cook (JC), qui combine l'effet de la déformation, de la vitesse de déformation, et de la température. La détermination des paramètres constitutifs de JC pour des conditions d’usinage extrêmes (grande déformation, vitesse de déformation élevée, haute température) a longtemps été un défi majeur, mais une nécessité pour ceux qui appliquent la méthode des éléments finis pour modéliser la coupe à l’échelle de la formation des copeaux. Cette étude a pour objectif de traiter cette problématique en tentant de mieux comprendre l'effet de la loi de comportement de JC sur la prédiction des paramètres de coupe (les efforts de coupe, les contraintes résiduelles, etc.) pour des alliages d’aluminium. Aussi dans le but de répondre aux besoins de l’industrie aéronautique, nous avons choisi des alliages d’aluminium (Al2024-T3, Al6061-T6, et Al7075-T6) couramment utilisés par celle-ci. Ce travail de recherche est divisé en trois étapes successives. Dans un premier lieu nous proposons une nouvelle approche d’identification des paramètres constitutifs de JC pour la coupe de métal. Celle-ci est basée sur la méthode inverse (tests d’usinage orthogonal) et la méthodologie de surface de réponse ce qui permet de générer un grand nombre de conditions de coupe pour une plage fixe de vitesse de coupe et d’avance, et de l'angle de coupe. Grâce à cette approche, nous avons pu analyser la sensibilité des paramètres constitutifs de JC à différents angles de coupe pour les trois alliages. Il a été constaté que, pour ces trois alliages cités, l’un des ensembles de paramètres constitutifs trouvés permet des prédictions plus précises de la contrainte d’écoulement par rapport à ceux rapportés dans la littérature. De plus, une étude par éléments finis en 2D de la coupe orthogonale a également montré une bonne corrélation entre les paramètres de coupe prédits (efforts de coupe et épaisseur de copeau) et ceux obtenus expérimentalement lors de l’utilisation des paramètres constitutifs de JC identifiés par l’approche proposée. En second lieu, nous avons prêté une attention particulière sur l’effet de l’angle de coupe sur les paramètres constitutifs de JC et par conséquent sur la prédiction des paramètres de coupe (les efforts de coupe, la morphologie de copeaux, la longueur de contact outil-copeau). Pour cela, différents ensembles de paramètres constitutifs de JC déterminés à différents angles de coupe (-8°, -5°, 0°, +5°, et +8°) ont été utilisés dans un modèle numérique d’éléments finis 2D pour simuler le comportement d’usinage de l’alliage Al2024-T3. Nous avons constaté que l’ensemble de paramètres constitutifs obtenu avec un angle de coupe de 0° donne globalement des prédictions plus précises des paramètres de coupe comparativement aux autres angles de coupe étudiés. Enfin, la dernière étape de cette thèse est consacrée à la prédiction des contraintes résiduelles générées dans la pièce usinée (Al2024-T3) et des températures dans l’outil de coupe (uncoated carbide). Ainsi cette fois, nous avons décidé de considérer trois ensembles en se basant sur les résultats obtenus lors de l’étape précédente avec les angles de coupe de -8°, 0°, et +8°. Deux modèles numériques basés sur la méthode des éléments finis ont été utilisés: le premier été utilisé pour faire une analyse thermomécanique-2D pour simuler la coupe et le second pour une analyse thermique-3D pour étudier la distribution des températures. Les résultats montrent qu'une meilleure prédiction des contraintes résiduelles est obtenue lors de l'utilisation de JC à 0 ° tandis que les autres ensembles de JC à -8 ° et à + 8 ° ont tendance à respectivement surestimer ou sous-estimer celles-ci. Concernant la température dans l’outil de coupe, afin d’en évaluer la meilleure prédiction nous avons calculé des moyennes de températures simulées dans les outils de coupe de chaque ensemble de JC étudié. Nous avons remarqué que ces moyennes sont très proches des températures mesurées expérimentalement (environ 5,5% de différence) et nous avons déduit que les ensembles de JC n’influent pas sur la prédiction des températures de coupe dans l’outil.

Date	16 nov. 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Jean-François Chatelain (Directeur(-trice)) & Hakim A. Bouzid (Codirecteur(-trice))