Cutting force sensor based on digital image correlation for segmented chip formation analysis

Conventional piezoelectric sensors cannot record the force fluctuations at high frequencies to monitor serrated chip formation. Recently, force measurements by using digital image correlation (DIC) have been reported thanks to imaging devices that become more and more efficient, thereby opening possibilities of high rate acquisition. This study proposes to apply DIC based on closed-form solutions in order to measure cutting forces at camera acquisition frequency. The considered displacement fields are obtained from the Flamant–Boussinesq solution. This method is first applied to picture pairs shot during the cut and then to a full sequence of pictures recorded upon orthogonal cutting of hardened AISI 52100 steel with a c-BN tool. To validate part of the corresponding mechanism, the change of cutting forces is finally investigated when chip segments are formed

Thermal finite-difference modeling of machining operations in polymers

Polymer materials are known to be easily damaged by temperature reached during machining operations. A two-dimensional finite-difference model is established to predict the temperature in orthogonal cutting. Calculations are validated with experiments carried out on polyurethane samples with various cutting speeds and depths of cut. The cutting temperatures are measured by thermocouples embedded within the workpiece and the tool cutting edge. The model provides a three dimensional thermal field of the workpiece with an accuracy of 20 K

Mesure de champs cinématiques par corrélation en coupe orthogonale : Possibilités et précision de l'imagerie double-frame avec éclairage laser pulsé

Dans le but de valider les simulations de la coupe visant à prédire l'intégrité de surface, une instrumentation basée sur une caméra double-frame et un éclairage laser pulsé a été développée. A partir des doublets d'images obtenus par ce moyen d'acquisition, les dépouillements possibles par corrélation d'images sont détaillés, accompagnés d'estimations d'incertitudes de mesure

Kinematic Field Measurements During Orthogonal Cutting Tests via DIC with Double-frame Camera and Pulsed Laser Lighting

The measurement of machined-part strain fields induced by the cutting process remains a challenge because of the presence of highly intensive and localised strains. In this study, a high-speed double-frame imaging device with pulsed laser lighting is used in order to obtain sharp and highly resolved images during orthogonal cutting tests performed in an aluminium alloy. The displacement fields are then measured using a global Q4–digital-image-correlation (DIC) method and several strategies, facilitating calculation of the total displacements due to the cut, along with the residual strains in the machined part. Numerical procedures are developed to manage the removed material that disturbs the DIC. An automatic primary shear angle detection procedure using DIC is also proposed. Five different markings, which are produced via chemical etching and micro blasting, are applied to the observed surfaces. Their effects on the kinematic fields and the uncertainties are then studied. Three surface parameters are proposed as indicators for determining the surface preparation suitability for the DIC. The repeatability of the kinematic fields induced during the cutting process is studied, because of the ease with which testing can be performed. Finally, the plastically deformed layer engendered by the cutting process is measured using the calculated residual strains

Prediction of surface integrity using Flamant-Boussinesq analytical model

Surface integrity prediction of hard machining using PCBN cutting tools remains a major topic for many high value added applications. A Flamant–Boussinesq (FB) analytical model has initially been applied for surface integrity prediction in orthogonal cutting. In order to extend this model to the general case of 3D cutting process, a cutting force model was developed and incorporated into the FB model. This one was then used to evaluate the plastically deformed layer thickness induced by 3D round cutting tools. It was validated by comparing the predicted plastic strains with the micro hardness distribution induced by 3D cutting tests

Effect of rake angle on strain field during orthogonal cutting of hardened steel with c-BN tools

In the case of hard machining of steels, negative rake tools generate compressive deformation and high temperature under the cutting edge, leading to phase transformation or ”white layers”. The resulting surface integrity can be predicted by numerical simulations which may be validated by comparing simulated and measured strain fields. Recent high speed imaging devices have facilitated strain field measurement by Digital Image Correlation (DIC), even at high strain rates. However, the analyse is generally restricted to the primary shear zone and not to the workpiece under the machined surface. For this study, a double-frame camera and a pulsed Nd:YAG laser, generally used in the field of fluid mechanics, have been employed to record images during an orthogonal cutting operation of a hardened steel. The effect of the rake angle and the edge preparation of c-BN tools on the subsurface displacement field, which has been experimentally investigated by using DIC, are presented in this paper together with an analysis on the origins of the strains. The results of these measurements will be used to validate cutting numerical simulations or to improve hybrid modelling of surface integrity.WindProcess - ADEM

Experiemental and numerical developments for the kinematic field characterizations to predict surface integrity during 100 CrMo 7 hardened steel cutting

Aujourd'hui, les méthodes de corrélation d'images sont largement utilisées pour la caractérisation et le suivi temporel des essais mécaniques. Cependant dans le domaine de l'usinage, ces méthodes sont très peu employées pour l'étude en pointe d'outil de la coupe par manque d'accessibilité, de la faible taille de la zone observée et des fortes déformations dans la zone de coupe. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de corrélation d'images pour l'étude et la caractérisation des champs cinématiques induits dans la matière usinée, durant des essais de coupe conduits avec des conditions opératoires représentatives des opérations industrielles. Ces conditions nous ont permis de développer, en premier lieu, des outils expérimentaux et numériques. Puis, les performances du dispositif expérimental ainsi que les incertitudes de corrélation ont été quantifiées. Différentes stratégies d'exploitation des images ainsi que des outils numériques pour la mesure des caractéristiques de la coupe sont proposés. Ensuite, nous avons développé un outil de corrélation d'images intégrée pour la mesure des efforts dynamiques grâce à un modèle analytique. Pour valider l'ensemble des méthodes, des essais de rabotage, d'abord dans un alliage d'aluminium, puis dans un acier 100~CrMo~7 traité thermiquement, ont été conduits. Ils ont permis de quantifier les champs cinématiques ainsi que les caractéristiques de la coupe. Enfin ces outils ont été appliqués pour la prédiction de l'intégrité de surface engendrée par une géométrie 3D d'outil de coupe dans le matériau dur.Nowadays, digital image correlation (DIC) methods are widely employed to the mechanical testing characterization and their temporal monitoring. However in the machining field, to study the cutting process at the tool edge, these methods are not commonly applied due to the poor accessibility, the size of the observed area and the large strain occurring herein. In this study, the kinematic fields induced in the material by the cutting process are characterized and analyzed at industrial cutting conditions. In order to take and treat the pictures of the cut, experimental and numerical techniques have been first established. Then, the experimental setup performances and the uncertainties of the DIC were quantified. Different images selection strategies for the DIC and numerical post-processing algorithm for measuring the characteristics of the cut were proposed. Furthermore, a DIC integrated approach based on an analytical model was developed to record dynamics cutting forces. Trials in orthogonal configuration were performed and analyzed to validate the developed procedures first in an aluminium alloy, then in a 100~CrMo~7 hardened steel. The kinematics fields and the macroscopic data of the cut were successfully measured thanks to these tools. Finally, they were used for the prediction of the surface integrity induced by a 3D cutting edge in the hard material

Développements expérimentaux et numériques pour la caractérisation des champs cinématiques de la coupe de l’acier 100 CrMo 7 durci pour la prédiction de l’intégrité de surface

Nowadays, digital image correlation (DIC) methods are widely employed to the mechanical testing characterization and their temporal monitoring. However in the machining field, to study the cutting process at the tool edge, these methods are not commonly applied due to the poor accessibility, the size of the observed area and the large strain occurring herein. In this study, the kinematic fields induced in the material by the cutting process are characterized and analyzed at industrial cutting conditions. In order to take and treat the pictures of the cut, experimental and numerical techniques have been first established. Then, the experimental setup performances and the uncertainties of the DIC were quantified. Different images selection strategies for the DIC and numerical post-processing algorithm for measuring the characteristics of the cut were proposed. Furthermore, a DIC integrated approach based on an analytical model was developed to record dynamics cutting forces. Trials in orthogonal configuration were performed and analyzed to validate the developed procedures first in an aluminium alloy, then in a 100~CrMo~7 hardened steel. The kinematics fields and the macroscopic data of the cut were successfully measured thanks to these tools. Finally, they were used for the prediction of the surface integrity induced by a 3D cutting edge in the hard material.Aujourd'hui, les méthodes de corrélation d'images sont largement utilisées pour la caractérisation et le suivi temporel des essais mécaniques. Cependant dans le domaine de l'usinage, ces méthodes sont très peu employées pour l'étude en pointe d'outil de la coupe par manque d'accessibilité, de la faible taille de la zone observée et des fortes déformations dans la zone de coupe. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de corrélation d'images pour l'étude et la caractérisation des champs cinématiques induits dans la matière usinée, durant des essais de coupe conduits avec des conditions opératoires représentatives des opérations industrielles. Ces conditions nous ont permis de développer, en premier lieu, des outils expérimentaux et numériques. Puis, les performances du dispositif expérimental ainsi que les incertitudes de corrélation ont été quantifiées. Différentes stratégies d'exploitation des images ainsi que des outils numériques pour la mesure des caractéristiques de la coupe sont proposés. Ensuite, nous avons développé un outil de corrélation d'images intégrée pour la mesure des efforts dynamiques grâce à un modèle analytique. Pour valider l'ensemble des méthodes, des essais de rabotage, d'abord dans un alliage d'aluminium, puis dans un acier 100~CrMo~7 traité thermiquement, ont été conduits. Ils ont permis de quantifier les champs cinématiques ainsi que les caractéristiques de la coupe. Enfin ces outils ont été appliqués pour la prédiction de l'intégrité de surface engendrée par une géométrie 3D d'outil de coupe dans le matériau dur

Stratégies d'optimisation de trajectoires dans l'espace articulaire pour la fabrication additive robotisée multi-axes

International audienc

Génération de trajectoire pour l'ajout d'entités par fabrication additive robotisée multi-axes

National audienceLa fabrication additive représente de forts enjeux industriels en ouvrant de nouvelles possibilités quant à la conception et à la manière de fabriquer les pièces. Cependant, cette méthode de production n'est pas adaptée pour les volumes de pièces importants. La conjoncture actuelle demandant une forte personnalisation de la production de masse, la fabrication additive peut être une alternative économique aux moyens de production traditionnels, permettant une rationalisation des entités identiques de pièces, produites alors via des moyens conventionnels, puis un ajout d'entités personnalisées. La fabrication additive permet aussi le réemploi de pièces, en les réparant par rechargement de matière, ou bien en ajoutant des fonctionnalités pour offrir une seconde vie à ces dernières. Ce document présente une méthode de génération de trajectoire, appliquée aux tubulures à parois minces, permettant l'ajout d'entités présentant un porte-à-faux important sur une pièce pré-existante et sans utilisation de matériau support, diminuant ainsi le temps de fabrication et la quantité de matériau à déposer. La trajectoire de fabrication est générée de manière à ce que la distance locale entre les couches soit homogène tout le long de cette dernière et les axes outils déterminés de manière à supprimer l'utilisation de matériau support. Enfin, un essai expérimental a été mené afin de valider la trajectoire générée