Usinage à Grande Vitesse - Modélisation analytique de la coupe orthogonale et validation expérimentale

Nous présentons dans cette étude le modèle analytique de la coupe orthogonale développé au LPMM. La modélisation de la bande primaire de cisaillement est couplée à une analyse thermique à l'interface outil-copeau. Une loi de frottement dépendante de la température moyenne est introduite afin de reproduire les observations expérimentales. En effet, lorsque la vitesse de coupe ou l'avance augmentent, la température tend à croître et ainsi, à réduire le coefficient de frottement, et les efforts de coupe. Pour toutes les conditions de coupe, un bon accord est observé entre la modélisation et les résultats expérimentaux pour l'acier AISI 1050

Influence de la vitesse de coupe sur les conditions thermomécaniques à l'interface outil-copeau

L'usinage grande vitesse (UGV) permet d'accroitre la production dans le domaine de la fabrication des pièces mécaniques. Une parfaite maîtrise des phénomènes thermomécaniques aux interfaces outil copeau et outil pièce s'avère nécessaire pour mieux analyser l'effet de l'usinage sur la qualité de la pièce usinée. Dans ce travail nous analysons l'influence de la vitesse de coupe sur les grandeurs thermomécaniques à l'interface outil-copeau à partir d'un modèle éléments-finis avec une formulation Arbitraire Lagrange Euler (ALE). Le matériau usiné est l'acier CRS1018. L'accent est mis sur la distribution de la pression de contact, les efforts de coupe et d'avance, le coefficient de frottement apparent, la longueur de contact outil-copeau, la partie collante et glissante du contact, et la température à l'interface. La comparaison avec les essais de coupe orthogonale d'Oxley [5] montre que le modèle reproduit correctement les tendances expérimentales

Contribution à la modélisation et à la simulation numérique du soudage par friction et malaxage

Le soudage par friction malaxage Friction Stir Welding est un procédé d'assemblage de pièces en phase semi solide. Le cordon de soudure est obtenu grâce à un outil de révolution composé d'un épaulement et d'un pion. Ce procédé utilise le principe de la conversion de l'énergie mécanique en énergie thermique par frottement de l'outil avec les pièces à assembler. Ce travail de thèse est une contribution à la modélisation expérimentale et à la simulation numérique de ce procédé permettant de fournir des modèles pour aider à la compréhension des phénomènes thermiques et mécaniques ainsi que les interactions entre les paramètres de soudage. Les études expérimentales sont principalement orientées vers la caractérisation de l'écoulement de matière à l'aide de marqueurs et vers l'optimisation des paramètres du procédé. L'effet de la géométrie de l'outil (outil à pion cylindrique ou outil avec méplats) sur l'écoulement de la matière au cours du soudage est étudié. Pour représenter la géométrie de l'écoulement et prédire les champs thermiques et mécaniques à l'état stationnaire, des modèles formulés sur la base de la dynamique des fluides sont adoptés dans la présente thèse. Deux modèles thermomécaniques sont développés: (1) un premier modèle numérique construit sous Fluent permet d'étudier le comportement thermomécanique et l'écoulement au cours du soudage FSW. Une loi de comportement dépendante de la température et de la vitesse de déformation est utilisée et une discussion sur les conditions de contact entre l'outil et les plaques à souder est présentée. Les résultats de l'écoulement sont comparés avec ceux obtenus expérimentalement dans le cas de suivi des trajectoires de particules de cuivre. (2) un deuxième modèle original basé sur une procédure itérative est mis en œuvre permettant le soudage de plaque de grandes dimensions. En effet, pour une meilleure prise en compte des conditions aux limites thermiques, un modèle thermomécanique construit autour de l'outil de soudage et couplé avec un modèle thermique pour tout le reste du domaine étudié. Ce modèle permet de prendre en compte le transfert de chaleur dans l'outil et dans la plaque support. Les cycles thermiques et la plage de viscosité pour deux alliages d'aluminium (AA7020-T6 et AA6061-T3) sont analysés et comparés avec succès aux résultats expérimentaux. Les efforts et le couple de soudage calculés numériquement sont validés par rapport à la littérature.The friction stir welding is a process for assembling a semisolid phase parts. The weld seam is achieved by a revolution tool consists of the shoulder and the pin. This process converts the mechanical energy into heat energy by friction of the tool with the parts to be joined.This thesis is a contribution to the experimental modeling and numerical simulation of this process in order to provide models to assist in understanding the thermal and mechanical phenomena and interactions between the welding parameters. Experimental studies are used for the characterization of the material flow with markers and to optimize the process parameters. The effect of tool geometry (cylindrical pin or tool with flats) on the material flow during welding is studied. To represent the flow geometry and predict the thermal and mechanical fields in the steady state, CFD models are adopted in this thesis. Two thermomechanical models are developed: (1) first numerical model is used to study the thermomechanical behavior and flow during FSW. FLUENT is employed to solve the coupled thermal and fluid flow equations. A behavior law depending on temperature and strain rate is used and a discussion on the contact conditions between the tool and the workpieces is presented. The results of the flow are compared with those obtained experimentally in the followed case of trajectories copper particles. (2) A second original model based on iterative procedure is implemented to welding large plates. To take account the correctly thermal boundary conditions, a thermomechanical model built around the welding tool and coupled with a thermal model for the rest of the area studied. This model allows taking into account the transfer of heat in the tool and in the backing-bar. Thermal cycles and the viscosity range for two aluminum alloys (AA7020-T6 and AA6061-T3) are successfully analyzed and compared with experimental results. The loads and torque welding are calculated numerically and validated in the literature.PARIS-Arts et Métiers (751132303) / SudocSudocFranceF

Investigation des conditions aux limites thermiques pour la modélisation du FSW : étude paramétrique

Le but de notre travail est d'étudier l'influence des conditions aux limites thermiques sur les résultats de simulation du procédé de soudage par friction et malaxage « FSW ». Généralement, les dimensions des pièces à souder peuvent être très importantes et une zone très réduite autour de l'outil de soudage est modélisée pour l'étude thermomécanique de ce procédé. Nous proposons dans cette étude une stratégie numérique qui permet de déterminer les conditions aux limites thermiques sur cette zone et de réduire le temps de calcul de façon significative

Modélisation des efforts de coupe en taillage d'engrenages à la fraise-mère

Cette étude introduit une nouvelle approche pour la modélisation des efforts de coupe générés lors de l'opération de taillage d'engrenages à la fraise-mère afin d'améliorer la maitrise de la précision géométrique et de la qualité des pièces fabriquées. Un modèle de prédiction des efforts de coupe en taillage est présenté. Il se base sur trois phases : une phase d'intersection géométrique entre l'outil et la pièce moyennant une simulation de la cinématique du procédé par le logiciel CATIA, une phase de simulation numérique 2D se basant sur approche ALE, et une dernière phase dite ?simulation mécanistique 3D'. La démarche proposée présente l'intérêt de s'affranchir des essais d'usinage dans le cas de cette opération très complexe (gabarie et géométrie des pièces, cinématique, formation de copeau, etc.). En termes de résultats, l'analyse de l'évolution des efforts de coupe ainsi que les caractéristiques des copeaux obtenus en taillage sont présentées

Vibrations en coupe orthogonale (Modélisation, étude de stabilité et validation expérimentale)

METZ-SCD (574632105) / SudocCACHAN-ENS (940162301) / SudocSudocFranceF

Some cases of machining large-scale parts: Characterization and modelling of heavy turning, deep drilling and broaching

International audienceMachining large-scale parts involves extreme loading at the cutting zone. This paper presents an overview of some cases of machining large-scale parts: heavy turning, deep drilling and broaching processes. It focuses on experimental characterization and modelling methods of these processes. Observed phenomena and/or measured cutting forces are reported. The paper also discusses the predictive ability of the proposed models to reproduce experimental data

Prediction of cutting forces from an analytical model of oblique cutting, application to peripheral milling of Ti-6Al-4V alloy

International audienceIn this work, a predictive machining theory, based on an analytical thermomechanical approach of oblique cutting (Moufki et al., Int J Mech Sci 42:1205-1232, 2000; Moufki et al., Int J Mach Tools Manuf 44:971-989, 2004), is applied to the peripheral milling process. The material characteristics such as strain rate sensitivity, strain hardening and thermal softening are considered. In the primary shear zone, thermomechanical coupling and inertia effects are accounted for. Due to the fact that the reference frame associated to the primary shear zone moves with the tool rotation, an analysis of the inertial effects has been performed. As the heat conductivity of Ti-6Al-4V is low, the thermomechanical process of chip formation is supposed to be adiabatic; thus, the problem equations are reduced to a system of two non-linear equations which are solved numerically by combining the Newton-Raphson method and Gaussian quadrature. The present analytical approach leads to a three-dimensional cutting force model for end milling operations. Calculated and experimental results extracted from the literature are compared for several operations: full immersion, up-milling and down-milling and for different cutting conditions. Although the present model was established for stationary conditions and for continuous chips, it gives acceptable predictions for machining titanium alloy for which the chips are usually segmented. The proposed model appears as an interesting alternative to the mechanistic approach which requires many experimental tests to determine the milling cutting force coefficients

A thermomechanical analysis of sticking-sliding zones at the tool-chip interface in dry high-speed machining of aluminium alloy A2024–T351: A hybrid Analytical-Fe model

International audienceIn high speed dry machining of aluminium alloy (A2024-T351), the tribological conditions at the tool-chip interface strongly affect the thermomechanical process of chip formation, the tool wear and the surface integrity. In order to contribute to the understanding of the effect of friction conditions, a hybrid Analytical-FE model is presented. The transient nonlinear thermal problem in the tool-chip-workpiece system is solved by using a Petrov-Galerkin finite element model. To illustrate the model results, the relationship between the local friction coefficient, in the sliding zone, and the apparent friction coefficient, which takes into account the whole tool-chip contact, is presented

Effect of the local friction and contact nature on the Built-Up Edge formation process in machining ductile metals

International audienceThe \BUE\ can affect the tool wear and surface integrity when machining ductile metals. The main goal of the present work is to investigate the close link between the \BUE\ formation and the tribological behaviour at the tool–workmaterial interface when machining ductile metals. Machining AA2024-T351 aluminium alloy with cemented carbide tool WC–Co is considered as a case study. A new method based on the contact conditions variation (i.e. introduction of a time-dependent friction coefficient) at the tool–workmaterial interface is proposed to predict the \BUE\ formation in the frame of a finite element (FE) modelling. A 2D ALE-FE model of orthogonal cutting has been developed for this purpose. Two cases have been considered, which correspond respectively to an abrupt change and a gradual evolution of the friction at the tool–workmaterial interface. Results are discussed based on the effects of the friction change on predicted thermomechanical fields at the cutting zone