Distribution des températures transversales à l’avance rectiligne de l’outil

Distribution des températures transversales à l’avance rectiligne de l’outil

INTRODUCTION
L’industrie aéronautique utilise énormément les alliages d’aluminium, en particulier pour le fuselage et le revêtement, comme l’illustre la figure 1 ci-dessous. Les bonnes propriétés de ces alliages, aussi bien physiques que mécaniques, contribuent à leurs nombreuses applications industrielles. Ce succès provient tout particulièrement de leur légèreté, contribuant à diminuer la consommation tout en laissant plus de charge utile (James, 1990).Parmi les multiples éléments constituant le fuselage, on s’intéresse dans ce projet de recherche aux plaques d’aluminium 2024-T3 formant une partie des revêtements des avions.
L’une d’elles est illustrée sur la figure 2 ci-dessous, dans laquelle les poches de surface sont distinctement présentées. Ces dernières sont à l’origine d’un processus d’enlèvement de matière par usinage, représentant l’objet de la présente étude.

REVUE DE LA LITTÉRATURE
 Introduction à la revue de littérature

La coupe des métaux implique de nombreux phénomènes physiques non linéaires et complexes. Ce vaste champ d’étude fait intervenir des disciplines scientifiques variées afin de contribuer aux résolutions des différents aspects des problèmes posés, incluant :
• Les phénomènes caractéristiques mesurables : vibration, dureté, perte de masse, température, déformation, usure, résistance à la coupe, rugosité, distance interplanaire dans la maille cristalline (permettant d’estimer les contraintes résiduelles), etc.
• Les phénomènes caractéristiques observables : transformation métallurgique, écrouissage, adhésion, etc.
Pour positionner nos travaux de recherche, afin d’apporter une contribution significative au projet industriel, une analyse de la littérature a été entreprise dans ce chapitre. Cette revue, visant à restituer l’état de l’art de manière synthétique et aussi de délimiter la zone d’étude pertinente, se décompose en quatre parties, à savoir :
1- Une introduction générale au procédé de coupe par fraisage,
2- Une deuxième partie dédiée aux forces dynamiques initiant et soutenant le déroulement du processus de coupe,
3- Une troisième partie dédiée aux échanges énergétiques (surtout dissipatifs) entre les différents éléments du système,
4- Enfin une partie consacrée aux approches thermomécaniques pour juger de l’intégrité des surfaces usinées.

 Vibrations forcées

Durant le fraisage, les phases de coupe se succèdent très rapidement. Dans ce système à vibrations forcées, la fréquence et l’amplitude des vibrations sont reliées aux paramètres d’usinage et à la stratégie de fraisage, comprenant:
• La géométrie de l’outil et le nombre de dents (selon l’engagement radial, des dents peuvent, soit, toujours être dans la matière usinée, ou successivement),
• L’engagement de l’outil,
• La stratégie de fraisage,
• Etc.
C’est d’ailleurs sur ce point, consistant à trouver la stratégie d’usinage induisant le moins de vibrations, que les efforts de Wanner se sont concentrés (Wanner, Eynian, Beno, & Pejryd, 2012). L’auteur a conçu un montage pour la coupe des parois minces, très sensible aux vibrations, équipé d’un capteur piézoélectrique. Les signaux dynamiques ont été collectés lors du surfaçage d’une plaque en Inconel 718, sous trois approches cinématiques illustrées à la figure 1.6.

 L’arête rapportée et ses conséquences sur la coupe
De nombreuses formes d’usure apparaissent lors de la coupe. Cependant, dans la littérature, on définit deux modes, regroupant (Cordebois, 2003) :
• Usure par adhésion, manifestée par le transfert de matière entre les solides antagonistes (pour l’aluminium le transfert va du matériau usiné vers l’outil),
• Usure par abrasion, provoquée par un enlèvement de matière sur l’outil à cause de particules dures. C’est le cas du silicium dans les alliages d’aluminium de fonderie.
L’usure provoquée par les forces de frottement est un phénomène d’importance qui témoigne de la résistance passive de la surface aux mouvements de l’outil. Le contexte d’usinage des alliages d’aluminium, qui ont un grand allongement à la rupture sous haute température, fait surtout intervenir de l’usure par adhésion que l’on reconnaît par le collage sur la pointe de l’outil. La formation de cette arête rapportée (« built-up edge » en anglais), telle qu’illustrée sur la figure 1.8, recouvre considérablement l’arête tranchante (Korkut & Donertas, 2005).

 Approches et hypothèses utilisées pour la modélisation théorique en usinage

L’équation de la chaleur aux dérivées partielles, très connue dans la littérature, basée sur un bilan énergétique et la formule de Fourier sur le flux de chaleur, lie ensemble la température T, les coordonnées spatiales et le temps. Sa résolution, par une approche analytique ou numérique, nécessite la connaissance des conditions initiales et des conditions aux limites.
Ainsi, pour le cas de la résolution analytique (en particulier pour le problème réduit à 1 dimension), on peut utiliser les outils mathématiques de Laplace (la transformée) ou Fourier (utilisation de la série de Fourier, après la phase d’identification via séparation des variables) pour ainsi prédire le régime transitoire de la température.

 Objectif de la recherche et définition des objectifs d’étapes
 Mise au point d’un dispositif d’instrumentation thermique de la pièce usinée

Tout d’abord, afin de contribuer à l’avancement du projet industriel concernant la substitution du procédé chimique d’enlèvement de matière par le mécanique, et de juger de la faisabilité technique, une approche thermique a été choisie pour ces travaux de recherche.
En effet, l’intégrité de la couche superficielle est conditionnée par les nombreux phénomènes physiques fondamentaux intervenant lors de la coupe. Cependant, ce que l’on dégage clairement de la littérature est la place centrale accordée à l’analyse des effets thermiques pour étudier l’usinage mécanique.

CONCLUSIONS

Au sein de l’industrie aéronautique, optimiser les conditions d’usinage mécanique concourt à la diminution des coûts de production, de même qu’il rend le procédé mécanique compétitif par rapport à l’enlèvement de matière par voie chimique. Toutefois, le développement, la mise au point et le contrôle du procédé d’usinage mécanique des revêtements en alliage d’aluminium sont complexes et le champ d’études associé très vaste. La maîtrise des effets induits par les conditions de coupe sur l’intégrité de surface est donc un enjeu industriel et scientifique majeur. En effet, pour maîtriser les nombreux phénomènes physiques accompagnant la coupe des pièces à parois minces, de gros efforts de recherche sont indispensables.
Au terme d’une large étude bibliographique, l’objectif de cette étude a ciblé les effets thermiques générés lors de l’usinage de la surface du revêtement en Al2024-T3. En effet, le rôle central joué par les effets thermiques est mis en relief tout au long de la revue de littérature, surtout pour ses influences sur la performance du processus de coupe. Par conséquent, si on désire avoir un contrôle poussé du procédé mécanique d’usinage le facteur thermique n’est définitivement pas négligeable.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction à la revue de littérature
1.2 Présentation générale du fraisage et de l’outil coupant
1.2.1 Notions sur l’unité de fraisage
1.2.2 L’outil coupant et sa géométrie
1.3 Les forces dynamiques de coupe et les vibrations associées
1.3.1 Coupe orthogonale et zones de cisaillements
1.3.2 Vibrations forcées
1.3.3 Vibrations régénératives
1.4 Les phénomènes dissipatifs accompagnant le processus de coupe
1.4.1 Les situations thermiques et leurs conséquences sur la surface usinée
1.4.2 La température comme enjeu de robustesse du procédé
1.4.3 L’arête rapportée et ses conséquences sur la coupe
1.4.4 Notions sur les modélisations de la chaleur en usinage
1.4.4.1 Les bases théoriques de l’échauffement par frottement
1.4.4.2 Approches et hypothèses utilisées pour la modélisation
théorique en usinage
1.5 Caractéristiques de la température mesurée proche de la zone de coupe
1.5.1 Intensité du flux de chaleur associée au frottement
1.5.2 Mobilité de la source de chaleur et périodicité du flux thermique
1.5.2.1 Évolution des températures lors des contacts successifs
outil-surface
1.5.2.2 Température en bout de l’outil lors d’une révolution
complète
1.5.3 Caractère « isotherme » de la source mobile de surface
1.5.3.1 Température sur la surface immédiatement après le surfaçage
1.5.3.2 Température en sous-couche le long d’une passe
unidirectionnelle
1.6 L’échauffement mesuré sous des conditions variables de coupe
1.6.1 Influence de la géométrie de la fraise sur la température
1.6.1.1 Impact de l’angle de coupe
1.6.1.2 Impact du diamètre de la fraise et du « uncut chip thickness »
1.6.2 Influence de la vitesse de coupe
1.6.3 Influence du liquide de coupe
1.6.4 Influence de l’engagement de l’outil dans la matière usinée
1.6.5 Influence de l’avance de l’outil sur la température de surface
1.6.6 Influence de l’usure en bout de l’outil
1.7 Influence de la température sur l’intégrité des surfaces usinées
1.7.1 Influence de l’usure abrasive sur les contraintes résiduelles
1.7.2 Influence de la situation thermique sur les contraintes résiduelles
1.7.3 Hétérogénéité de la distribution des contraintes résiduelles en surface
1.8 Bilan de la revue de littérature
CHAPITRE 2 DÉFINITION DES OBJECTIFS ET CONCEPTION DES
EXPÉRIMENTATIONS
2.1 Objectif de la recherche et définition des objectifs d’étapes
2.1.1 Mise au point d’un dispositif d’instrumentation thermique
de la pièce usinée
2.1.2 Distribution de la température sous la surface usinée par fraisage
2.1.3 Mesures des températures locales sous des conditions de coupe
variables
2.1.4 Synthèse des objectifs et déroulement du projet de recherche
2.2 Méthode d’instrumentation et caractéristique de la chaîne d’acquisition
2.2.1 Propriétés métrologiques ciblées pour la chaîne d’acquisition
2.2.2 Recherche de la bonne technologie
2.2.3 Présentation de la technologie d’instrumentation choisie
2.2.3.1 Caractéristiques du montage d’instrumentation mis au point
2.2.3.2 Caractéristiques de la carte d’acquisition sélectionnée
2.3 Matière, outil et unité de fraisage
2.3.1 Généralités sur l’alliage Al2024-T3 constituant le revêtement
2.3.2 Montage d’usinage et unité de fraise
2.3.3 Outil de coupe sélectionné
2.4 Expériences conçues et opérations d’usinage investiguées
2.4.1 Rainurage et contournage de la plaque instrumentée
2.4.2 Distribution des thermocouples sous les surfaces usinées
2.4.2.1 Localisation des thermocouples le long de la trajectoire
d’usinage
2.4.2.2 Position transverse des thermocouples
2.4.3 Position axiale des thermocouples sous la surface usinée
2.4.3.1 Opération de contournage et position des thermocouples
2.4.3.2 Opération de rainurage et position des thermocouples
2.5 Insertion des thermocouples – hypothèses sur le temps de réponse
2.5.1 Temps de réponse du thermocouple type K utilisé
2.5.2 Interface entre l’aluminium 2024 et le ciment thermique
2.6 Présentation de quelques acquisitions de mesure
2.6.1 Phénomène thermique évalué lors de la passe de l’outil de coupe
2.6.2 Réponse impulsionnelle de la température
CHAPITRE 3 TEMPÉRATURES MESURÉES DANS LES REVÊTEMENTS
SOUS DIFFÉRENTES CONDITIONS DE COUPE
3.1 Plan d’expériences et variance des facteurs contrôlés
3.2 Présentation des températures mesurées en sous-couche lors de l’usinage
3.2.1 Résultats issus des expériences de rainurage
3.2.2 Résultats issus des passes de contournage
3.3 Présentation de la méthode graphique utilisée pour les comparaisons
3.4 Variabilité de mesure – répétabilité du dispositif d’instrumentation
3.4.1 Répétition de l’expérience d’usinage
3.4.2 Répétition des points de mesure pour une même passe d’usinage
3.5 Distribution des températures transversales à l’avance rectiligne de l’outil
3.5.1 Cas de l’arc d’engagement partiel – Passe de contournage
3.5.2 Cas de l’arc d’engagement total – Passe de rainurage
3.5.3 Identification d’une « bande chaude » sous la surface rainurée
3.5.4 Évolution de la température entre l’ébauche et la finition
3.6 Échauffements locaux et changement de trajectoire de fraisage
3.6.1 Comparaison des températures internes entre le rainurage et le
contournage
3.6.2 Interpolation linéaire pour l’usinage du coin
3.6.3 Échauffement dû à la plongée dans la matière pour l’usinage
des poches
3.7 Analyses de la variance des températures et régressions
3.7.1 Analyses de la variance mesurée à la ligne médiane lors des rainurages
3.7.2 Régressions vers un modèle quadratique simple
3.7.3 Interprétation du comportement thermique sous la « bande chaude »
CONCLUSIONS

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