Les progrès dans le développement des machines-outils à haute performance et des outils de coupe ultra-durs ont fait que le fraisage à sec à grande vitesse (HSDM) est devenu une technique de finition prometteuse pour l’usinage de matériaux difficiles à usiner, tels que le titane et ses alliages. Cependant, ce procédé crée des charges thermomécaniques intenses aux interfaces outil-copeau et outil-pièce qui induisent des altérations métallurgiques significatives dans sous la couche de surface usinée. Ces altérations comprennent la recristallisation dynamique (DRX), la transformation de phase et les changements d’orientation de la texture qui modifient les propriétés mécaniques de la sous-surface et influencent par conséquence la résistance à la fatigue et la durée de vie des composants fabriqués.
Malgré des recherches approfondies sur l’intégrité des surfaces usinées des pièces en titane et ses alliages, la plupart des études se sont concentrées sur le processus de tournage, avec une analyse théorique limitée des mécanismes physiques qui régissent la modification des propriétés mécaniques et métallurgiques près de la surface lors de l’usinage à haute vitesse. De plus, l’émission de particules métalliques fines et ultrafines pendant l’usinage représente un risque critique pour la sécurité et la santé des opérateurs, ce qui a conduit à l’adoption de réglementations de plus en plus rigoureuses pour limiter l’exposition. Ces émissions influencent aussi les performances de coupe et la durée de vie des outils. Alors que des études antérieures ont porté sur l’émission de particules de divers matériaux, les recherches sur l’alliage Ti-6Al-4V restent rares. Les mécanismes distincts de formation des copeaux et de libération des particules dans l’alliage Ti-6Al-4V nécessitent une étude approfondie du comportement de ce matériau lors de l’usinage, afin d’exploiter son potentiel tout en garantissant l’efficacité du processus, la durabilité environnementale et la sécurité opérationnelle.
Dans cette étude, les mécanismes d’évolution microstructurale, ainsi que d’autres caractéristiques de l’intégrité de surface (déformation plastique, formation de bavures, rugosité de surface, dureté, etc.) et les émissions de particules induites par les charges thermomécaniques lors du HSDM du Ti-6Al-4V, sont étudiés à l’aide d’approches de modélisation multi-échelles et d’expérimentations. Cette recherche basée sur des manuscrits est structurée comme suit
Tout d’abord, un modèle couplé d’éléments finis (température-déplacement) reproduisant le processus de fraisage a été établi pour l’usinage à haute vitesse de l’alliage Ti-6Al-4V. Dans le modèle proposé, le solveur Abaqus/Explicit a été utilisé pour coupler le dommage matériel et son énergie de rupture. La géométrie du copeau, variable dans le temps, a été numérisée en petits éléments avec des angles de rotation de la fraise distincts et des intervalles de temps discrets. Le modèle a été validé par rapport aux efforts de coupe, à la morphologie du copeau et à la température. De bonnes corrélations ont été obtenues entre les résultats numériques et expérimentaux. Ce modèle d’éléments finis a fourni des variables de base de l’état critique, y compris la température, la contrainte et la déformation, essentielles pour les prévisions ultérieures de l’évolution de la microstructure. Ensuite, les équations de Zenner-Holloman (Z-H) et de Hall-Petch (H-P) ont été combinées dans un sous-programme défini par l’utilisateur (FORTRAN) pour modéliser la recristallisation dynamique (DRX) et estimer la taille des grains et la microdureté des pièces. Deuxièmement, à l’aide d’une sous-routine définie par l’utilisateur, des modèles théoriques de transformation de phase thermo-métallo-mécanique ont été intégrés dans la simulation de coupe du Ti-6Al-4V à l’aide du logiciel Abaqus/Explicit. Les distributions du champ de contrainte et de déformation de la température ont été récupérées à partir d’un modèle simulé validé pendant le chauffage rapide de l’alliage. Ces états de champ ont ensuite été utilisés pour modéliser le processus de refroidissement, en déterminant la fraction de volume de la phase a’. Les résultats ont révélé que pendant le chauffage rapide, la transformation de phase (c’est-à-dire de la phase a à la phase B) commence dans la région où la température dépasse les transitions de phase initiales de l’alliage Ti-6Al-4V, et presque toute la phase a a été transformée en phase B lorsque la température de coupe a franchi la température de transformation. Lors du refroidissement, l’effet de trempe a induit une transformation inverse de la phase B en phase a’, affinant davantage la structure du grain.
Troisièmement, un modèle de fraisage simplifié a été développé, où l’épaisseur du copeau non déformé est approximée comme une fonction sinusoïdale pour la prédiction des contraintes résiduelles à l’intérieur de la pièce fraisée. Les fluctuations périodiques de la déformation plastique et de la contrainte résiduelle pendant le processus de fraisage ont été dévoilées. Enfin, les profils de contraintes résiduelles simulés pour la surface et la sous-surface usinées ont été comparés aux mesures expérimentales, et l’influence des charges thermomécaniques sur la formation des contraintes résiduelles a été étudiée en profondeur. Enfin, une approche expérimentale a été utilisée pour étudier la corrélation entre les paramètres d’usinage, la formation de copeaux, l’intégrité de la surface et l’émission de particules. Les résultats ont montré qu’une augmentation de la vitesse de coupe entraînait initialement une augmentation de la dentelure des copeaux, de l’épaisseur de la couche déformée, des émissions de particules et de la rugosité de la surface, suivie d’une diminution ultérieure. En revanche, l’augmentation de la vitesse d’avance et de la profondeur de coupe intensifie systématiquement ces effets. Une relation directe a été observée entre les émissions de particules et les paramètres d’intégrité de la surface usinée, tels que la profondeur de déformation plastique, la formation de bavures, la rugosité de surface et la morphologie des copeaux. Cette recherche améliore la compréhension théorique et les applications pratiques dans le domaine de la fabrication, offrant des informations précieuses aux industries, aux chercheurs et aux institutions universitaires. Les résultats contribuent au développement de stratégies d’usinage optimisées qui améliorent l’intégrité de la surface des pièces et atténuent les impacts des émissions de particules fines sur l’environnement et la santé lors de l’usinage à grande vitesse de l’alliage Ti-6Al-4V.
| Date | 26 juin 2025 |
|---|
| langue originale | Anglais américain |
|---|
| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
|
|---|
| Superviseur | Victor Songmene (Directeur(-trice)) & Esther T. Akinlabi (Codirecteur(-trice)) |
|---|