Échauffement généré dans les plaques d’aluminium 2024 lors de l’usinage mécanique de la surface

Actuellement le procédé par voie chimique réalise les poches de surface. Cet enlèvement de matière superficiel est obtenu par dissolution de la matière lors du contact avec les agents chimiques, acide ou alcalin (çakir, Yardimeden, & Özben, 2007). Ce sujet de recherche, visant à apporter des connaissances supplémentaires sur l’usinage mécanique des pièces minces, s’inscrit dans un projet industriel consistant à substituer le procédé chimique d’enlèvement de matière par l’usinage mécanique. En pratique, les propriétés physiques et mécaniques escomptées d’un matériau sont obtenues si, et seulement si, son procédé de mise en forme est maîtrisé. C’est donc tout l’enjeu de ces travaux de recherche, qui se résume à transférer l’usinage des revêtements de la voie chimique vers la voie mécanique sans altérer les performances mécaniques de ces derniers.

L’usinage chimique et ses limites:
Pour être capable de remplacer ce procédé chimique, il faut concurrencer ce dernier sur ses points forts. Car, d’un point de vue technique, le procédé chimique offre de nombreux avantages, à savoir (çakir, Yardimeden, & Özben, 2007) :
• Coût de mise en œuvre faible, grâce à l’absence d’outillages,
• Simplicité, ne nécessitant pas la formation d’opérateurs hautement qualifiés,
• Fini de surface excellent,
• Bonne précision dimensionnelle sans opérations de finition,
• Pas de déformations dues à l’introduction de plasticités.

Toutefois, des limitations à ce procédé existent et motivent son remplacement. En effet, la nocivité des agents chimiques utilisés est incompatible avec les futures normes environnementales et le temps de cycle d’usinage des pièces complexes peut s’avérer très long, principalement à cause de la multiplication des opérations de dissolution.

Difficultés posées par l’usinage mécanique des parois minces :
De son côté, les limitations de l’usinage mécanique incluent tous les phénomènes physiques caractéristiques accompagnant la coupe. D’autant plus, que ces phénomènes sont rendus critiques sur les pièces de revêtement de fuselage, connues pour être de faible rigidité à cause de leurs grandes dimensions et leur faible épaisseur (Fu, Wang, Li, & Wang, 2011).

À l’échelle de la coupe, la pièce subit des actions mécaniques et des effets dissipatifs intenses, ce qui implique la prise en compte de multiples sources de risques pouvant dégrader l’intégrité des structures, à savoir :
• Risque de formation de précipités incohérents dans l’alliage d’aluminium, si l’apport de chaleur n’est pas maîtrisé, provoquant la diminution des propriétés mécaniques,
• La micro-géométrie induite par l’usinage, terrain favorable à l’amorçage des fissures,
• L’introduction de déformations plastiques hétérogènes responsables des distorsions dans les tôles. Ces déformations peuvent provenir des facteurs suivants:
– Le montage d’usinage, déformations dues à la prise de pièce,
– Les charges dynamiques,
– Les changements microstructuraux et l’introduction de contraintes résiduelles par l’usinage mécanique,
– Perte de l’équilibre interne à cause, cette fois-ci, des contraintes résiduelles d’origines issues de la pièce brute (Chatelain, Lalonde, & Tahan, 2012).

Les attentes reliées à ce projet de recherche sur l’usinage mécanique 

Cette vaste problématique technique, accompagnant tout changement dans le processus de fabrication, alimente les besoins en recherches et développements de l’industrie, particulièrement durant la phase d’optimisation de l’efficience. Cependant, en plus d’apporter une meilleure compréhension sur l’usinage mécanique, ce projet doit aussi fournir un appui technique à l’intégration de ce procédé mécanique dans le processus de fabrication et de gestion de la qualité.

Les pratiques industrielles reliées à l’exploitation d’un processus de fabrication :
L’introduction du procédé d’usinage mécanique dans le processus de fabrication des revêtements rehausse les besoins en spécifications et contrôles, si on le compare à la voie chimique. En effet, l’intégrité de surface doit être conservée et certifiée dans le processus d’assurance de la qualité. Ainsi, pour respecter les standards de certification de la qualité, les grandeurs caractéristiques à introduire dans cette étude ne se limitent pas uniquement aux indicateurs qualités conventionnels (exemple : le fini de surface (Ra), les dimensions obtenues, les essais mécaniques statiques et dynamiques sur des échantillons standards, etc.). De nouveaux indicateurs propres à cette phase de développement du procédé d’usinage mécanique des pièces minces doivent être ajoutés, par exemple : la température, les contraintes résiduelles, le profil de rugosité, etc. C’est pourquoi, en plus d’apporter une compréhension scientifique et technologique supplémentaire, des contributions aux méthodes d’inspection sont attendues pour cette phase de développement du procédé, à savoir :
1- Identifier le bon dispositif d’usinage mécanique et démontrer la faisabilité technique,
2- Introduire d’autres indicateurs de mesure et les bonnes pratiques d’inspection associées, adaptées aux contextes industriels et aux machines du site de production,
3- Faire une investigation expérimentale concernant l’intégrité de la surface usinée, et développer une recette d’usinage atteignant l’objectif d’efficience,
4- Capitaliser les connaissances pour les autres volets du projet industriel.

Présentation générale du fraisage et de l’outil coupant 

Notions sur l’unité de fraisage 

Le procédé d’usinage mécanique, pris globalement, se caractérise par des opérations d’enlèvement de matière à l’aide d’outils coupants. Ayant des formes très variées, ces outils possèdent des arêtes tranchantes qui permettent d’indenter facilement la matière.

Il existe évidemment différentes variantes des procédés d’usinage mécanique, nommés : tournage, fraisage, perçage, etc. Cependant, dans le cadre de cette étude, nous nous intéresserons uniquement au procédé d’usinage par fraisage permettant des mouvements coordonnés de rotation et d’avance d’un outil coupant. En effet, le fraisage est à l’origine de la majorité des pièces usinées dans le domaine aéronautique, notamment parce qu’il inclut diverses opérations d’usinage, comprenant (Cordebois, 2003):
• Les opérations axiales : perçage, alésage, etc.
• Les opérations en bout : surfaçage, usinage de surfaces convexes, etc.
• Les opérations en roulant : le contournage, détourage, profilage, etc.

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. Les trois cinématiques de coupe induisent des dynamiques distinctes. Les résultats, synthétisés sur le graphique de la figure 1.6, montrent un comportement optimal en avalant. Ce mouvement roulant est donc moins propice aux grandes amplitudes vibratoires. Par ailleurs, avec une hauteur de plaque importante, en porte à faux, la sensibilité aux vibrations devient automatiquement plus importante. Néanmoins des profondeurs axiales plus faibles peuvent compenser cette précédente tendance (Wanner, Eynian, Beno, & Pejryd, 2012). Enfin, à noter que les points critiques se focalisent sur l’entrée et la sortie de la paroi mince .

Les phénomènes dissipatifs accompagnant le processus de coupe 

Les situations thermiques et leurs conséquences sur la surface usinée 

La génération de chaleur est le principal phénomène dissipatif de l’énergie incidente sur le matériau. Fondamentalement, l’échauffement est une conséquence des forces de frottement et des déformations plastiques. Ces effets thermiques, ainsi générés, se dissipent de différentes manières, à savoir :
• Dans la pièce, le copeau et l’outil par conduction,
• Dans l’environnement par convection et rayonnement.

La température comme enjeu de robustesse du procédé

Les activités des différentes grandeurs physiques fondamentales en usinage mécanique produisent des effets thermiques. Ces derniers effets modifient la configuration du processus de coupe, et tiennent un rôle central sur l’intégrité de la surface usinée. Autrement dit, l’échauffement est un phénomène essentiel permettant d’apprécier la situation tribologique et la sévérité des conditions de coupe (Hans Jorg, Bergmann, & Gras, 2003). Par conséquent, optimiser la robustesse du procédé de fraisage est possible en maîtrisant la température générée durant la coupe. Ainsi, via les jeux d’interactions des facteurs procédés, atténuer l’échauffement peut limiter la dégradation des grandeurs comme la rugosité, les contraintes résiduelles, l’usure, etc.

Traditionnellement, pour arriver à cet objectif de robustesse, un liquide de coupe est utilisé. C’est évidemment le plus connu des artifices pour évacuer la chaleur accumulée, mais il concourt aussi à la lubrification, à la limitation de l’usure de l’outil et à l’évacuation des particules et copeaux. Même s’il y a un risque de chocs thermiques, les procédés par voie humide gagnent en robustesse, performance et sont moins sensibles aux variabilités et dérives de la qualité. D’ailleurs, pour pallier à ces chocs thermiques potentiels, une étude a visé le développement d’un système de refroidissement directement introduit dans le cylindre de la fraise. Pour ainsi dissiper la chaleur beaucoup mieux à travers l’outil et modifier sa répartition de chaleur entre l’outil et le matériau (Zhu, Shuang Peng, Yin, Jen, Cheng, & Yen, 2014).

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.

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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