Soutenance mémoire
L’idÈe d’utiliser un jet fluide ‡ haute pression pour dÈcouper des matÈriaux est apparue aux Etats-Unis dans les annÈes 1950. Dans les annÈes 1970, le procÈdÈ fait son apparition dans le milieu industriel. Les industries aÈronautiques et spatiales amÈricaines furent les pionniËres dans le domaine. Elles recherchaient un outil adaptÈ ‡ la dÈcoupe de tÙles d’acier et de matÈriaux composites sans risques d’affectation thermique, de dÈformation, ou de dÈlaminage. En 1968, Norman Franz de la sociÈtÈ Mac Cartney, filiale d’Ingersoll Rand ñ fabriquant de pompes haute pression – et sous-traitant aÈronautique, dÈpose les premiers brevets. La premiËre installation hors aÈronautique date de 1971. Elle Ètait destinÈe ‡ la dÈcoupe, pour l’ameublement, de panneaux de contreplaquÈ de 10 mm d’Èpaisseur.
La nÈcessitÈ d’Ètendre l’application du jet d’eau ‡ la dÈcoupe de matÈriaux autres que les matÈriaux dits « tendres, fibreux ou composites » a favorisÈ les activitÈs de recherche. En 1984, on mettait au point les premiËres installations de dÈcoupe par jet d’eau abrasif. Mais c’est avec la mise au point de groupes motopompes fiables travaillant ‡ des pressions de plus de 3000 bars que la technique du jet hyperbare a pu se dÈvelopper.
PRINCIPES DE LA DECOUPE PAR JET D’EAU ABRASIF
Le jet d’eau abrasif peut se dÈfinir comme Ètant un moyen de dÈcoupe par Èrosion ‡ grande vitesse. A vitesse supersonique dans l’air, l’impact du jet, mÈlange d’eau et d’abrasif, sur le matÈriau ‡ usiner cause des dommages qui entraÓnent un enlËvement de matiËre. La technologie de dÈcoupe par jet d’eau abrasif est en fait une Èvolution de la technologie par jet d’eau pure utilisÈe pour la dÈcoupe de matÈriaux tendres. L’obtention d’un jet triphasique, mÈlange d’eau, d’air et d’abrasif autorise la dÈcoupe de matÈriaux aux propriÈtÈs mÈcaniques ÈlevÈes tel que l’acier inoxydable. L’efficacitÈ accrue du jet rÈside dans l’Ènergie transmise aux particules abrasives.
Les principes ÈnoncÈs dans les paragraphes suivants sont dÈgagÈs de travaux antÈrieurs. Ils mettent en Èvidence les grandes Ètapes intervenant lors de la dÈcoupe par jet abrasif : principes de mise en forme du jet, d’entraÓnement des particules abrasives et de dÈcoupe. Elles seront ÈtudiÈes dans l’ordre.
PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
L’eau du rÈseau est comprimÈe ‡ une pression ÈlevÈe ‡ l’aide d’un groupe de pompage haute pression. Elle passe dans un amplificateur de pression constituÈ d’un piston alternatif ‡ deux sections dont le rapport des surfaces est de l’ordre de 20. Une centrale olÈo-hydraulique agit sur la plus grande section du piston qui, en se dÈplaÁant, entraÓne les extrÈmitÈs de petite section. Elles agissent alors comme des pompes ‡ piston et permettent de comprimer l’eau ‡ une pression supÈrieure ‡ 300 MPa ‡ chaque alternance. L’eau pressurisÈe est recueillie dans une capacitÈ permettant de lisser les fluctuations de pression engendrÈes par le fonctionnement alternÈ de l’intensifieur de pression, puis propulsÈe ‡ une vitesse supersonique au travers d’une buse en saphir, monocristal d’Al2O3, percÈe d’un trou calibrÈ de 0,08 ‡ 0,3 mm.
MODELE DU JET D’EAU A L’AIR LIBRE
Plusieurs Ètudes ont ÈtÈ menÈes afin de dÈterminer le comportement d’un jet d’eau pure ‡ l’air libre. Yanaida, [Yan. 1974] et [Yan. et al. 1978] montre, par ses expÈrimentations, qu’un jet d’eau peut se dÈcomposer en diffÈrentes rÈgions (Figure 3), la transition entre chaque rÈgion Ètant dÈfinie par une abscisse X, distance depuis la sortie de buse, ds, et un diamËtre D. Il distingue ainsi :
➤ 3 grandes régions phasiques :
• une rÈgion ‡ flux continu o˘ l’Ècoulement peut Ítre considÈrÈ comme monophasique. Elle dÈbute en sortie de buse et est caractÈrisÈe par une longueur Xb et un diamËtre Db (variable).
• une rÈgion ‡ flux en gouttelettes, caractÈrisÈe par une longueur Xv et un diamËtre Dv (variable). En dÈbut de rÈgion, il n’y a pas de transfert de quantitÈ de mouvement entre le jet fluide et le milieu environnant (air). La continuitÈ du liquide ne permet pas la pÈnÈtration de l’air dans le jet. Un Èchange cinÈtique eau-air s’installe ‡ partir de la sortie de la buse. Des gouttes sont arrachÈes ‡ la surface du jet et apparaissent en pÈriphÈrie. La pÈnÈtration de l’air dans le jet rÈduisant la proportion de la phase continue, un mÈlange eau-air apparaÓt.
• une rÈgion ‡ flux diffus o˘ l’Ècoulement est diphasique. Les gouttelettes trËs fines forment un brouillard ‡ faible Ènergie dans la phase gazeuse (air), dominante.
➤ 3 grandes régions cinétiques :
• une rÈgion initiale o˘ la vitesse axiale est constante. Cette rÈgion est divisÈe en 2 zones :
− la région à cœur potentiel, o˘ la pression dynamique est constante, caractÈrisÈe par une longueur Xp et un diamËtre Dp (variable) ;
− la région de transition, o˘ la pression dynamique diminue lentement, caractÈrisÈe par une longueur Xc et un diamËtre Dc (variable).
• une rÈgion principale, o˘ la vitesse axiale diminue lentement, dÈfinie par Xc, point d’éclatement du jet. En rÈalitÈ, la vitesse diminue dËs la fin de la rÈgion ‡ cúur potentiel.
• une rÈgion finale de grande diffusion o˘ le jet perd tout pouvoir coupant.
ENTRAINEMENT DE L’ABRASIF
A son entrÈe dans la chambre de mÈlange, une large fraction de l’abrasif se rÈpartit autour du jet et vient frapper les parois tandis que l’autre part, minime, percute le jet. Les particules entrant en contact avec les parois sont entraÓnÈes par le film d’eau et d’air (Ch. 1, 4) et s’y mÈlangent. Elles s’accumulent ensuite sous forme d’amas qui tournent autour du jet jusqu’‡ ce qu’ils se dÈposent et s’accumulent en entrÈe du canon de focalisation. L’air, aspirÈ avec l’abrasif par effet Venturi, favorise l’Èvasement du jet au niveau de l’Èclatement. A ce niveau la proportion de la zone en gouttelettes par rapport ‡ la zone cohÈrente du jet est la plus importante. Les gouttelettes, ralenties par les frottements jet / air, permettent une meilleure pÈnÈtration des abrasifs dans le jet. En entrÈe de canon, les abrasifs se mÈlangent au jet qui les entraÓne ensuite par paquets dans le canon de focalisation o˘ ils sont accÈlÈrÈs.
L’Èvacuation de l’abrasif par le canon de focalisation se fait plus lentement que l’alimentation de la chambre ; il s’ensuit une augmentation du taux de prÈsence d’abrasif dans la chambre. Dans le cas d’abrasifs fins, on observe un phÈnomËne de mouillage des abrasifs : ils s’agglutinent sous la forme d’une boue impossible ‡ Èvacuer par le canon de focalisation. La tÍte finit par se colmater.
Yanaida, [Yan. 1974] et [Yan. et al. 1978], montre qu’en jet d’eau pure la longueur de la zone de cohÈrence, Xc, varie avec la gÈomÈtrie de la buse (Ch. 1, 3 page 17). En jet d’eau abrasif, elle est aussi fonction de la pression d’eau et du dÈbit d’air qui favorisent l’augmentation de la zone de diffusion en gouttelettes.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1. PRINCIPES DE LA DECOUPE PAR JET D’EAU ABRASIF
1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
2. ABRASIFS POUR LA DECOUPE PAR JET D’EAU
3. MODELE DU JET D’EAU A L’AIR LIBRE
4. ECOULEMENT EAU/AIR DANS LA CHAMBRE
5. ENTRAINEMENT DE L’ABRASIF
6. PROCESSUS DE COUPE
7. INFLUENCE DES PARAMETRES DU PROCEDE SUR LES PERFORMANCES DE COUPE
8. CONCLUSION
CHAPITRE 2. MODELES PREVISIONNELS D’ENLEVEMENT DE MATIERE
1. PRINCIPAUX MODELES
1.1. MODELE DE FINNIE
1.1.1. HypothËses de travail
1.1.2. ModËle plan
1.1.3. ValiditÈ du modËle
1.2. MODELE DE BITTER
1.2.1. Erosion par dÈformation
1.2.2. Erosion par coupe
1.2.3. SynthËse du modËle
1.3. MODELE DE HASHISH
1.3.1. EnlËvement de matiËre
1.3.2. Erosion par coupe
1.3.3. Erosion par dÈformation
1.3.4. Vitesse du mÈlange
1.3.5. SynthËse du modËle
2. DISCUSSION SUR LES MODELES D’ENLEVEMENT DE MATIERE
2.1. ANALYSE CRITIQUE DES PARAMETRES RETENUS
2.2. MISE EN EVIDENCE DE L’INFLUENCE DE LA GRANULOMETRIE DE L’ABRASIF
2.2.1. Conditions expÈrimentales
2.2.2. Mesure des hauteurs de coupe
2.2.3. RÈsultats de mesure
2.3. PERSPECTIVE D’AMELIORATION DU MODELE DE HASHISH
2.4. CONCLUSION
CHAPITRE 3. EVOLUTION GRANULOMETRIQUE DES ABRASIFS AU COURS DU PROCESSUS DE COUPE
1. PHENOMENE DE FRAGMENTATION
1.1. DEFINITION
1.2. CARACTERISATION DE LA FRAGMENTATION
1.2.1. Nombre de dÈsintÈgration
1.2.2. DiamËtre particulaire aprËs fragmentation
1.3. PARAMETRES INFLUANT SUR LE PHENOMENE DE FRAGMENTATION
1.4. CONSEQUENCE DE LA FRAGMENTATION SUR LA COUPE
2. EVOLUTION GRANULOMETRIQUE LORS DU PROCESSUS DE DECOUPE
2.1. EXPERIMENTATION
2.1.1. Conditions expÈrimentales
2.1.2. MÈthodes de caractÈrisation des abrasifs
2.2. ANALYSE DU PHENOMENE DE FRAGMENTATION
2.2.1. Evolution de la distribution granulomÈtrique
2.2.2. Evolution des paramËtres de forme
2.2.3. SynthËse des comportements en fragmentation
2.2.4. Observation des effets de la fragmentation sur la coupe
3. MODELE PREDICTIF DE L’EVOLUTION GRANULOMETRIQUE
4. CONCLUSION
CHAPITRE 4. EVOLUTION D’UN MODELE PREDICTIF DE TYPE HASHISH
1. CONDITIONS D’APPLICATION DU MODELE DE HASHISH
1.1. GRANULOMETRIE DE L’ABRASIF
1.2. EXISTENCE DU MODE D’EROSION PAR COUPE
1.3. CONCLUSION
2. MISE EN EVIDENCE DE L’EVOLUTION DE LA FRACTION χ EN FONCTION DES PARAMETRES DU PROCEDE
2.1. CONDITIONS EXPERIMENTALES
2.2. RESULTATS
2.2.1. Performances de coupe
2.2.2. Expression de la fraction χ
3. MODELE AMELIORE
3.1. MODELE INITIAL
3.2. EXTENSION DU DOMAINE DE VALIDITE POUR UN AUTRE TYPE D’ABRASIF
3.2.1. Conditions expÈrimentales
3.2.2. Analyse du phÈnomËne de fragmentation
3.2.3. Performances de coupe
3.3. MODELE FINAL
3.3.1. SynthËse ñ ModËle ÈvoluÈ
3.3.2. Comparaison des hauteurs de coupe prÈdites
3.4. PRECISION DES MESURES ET INCERTITUDE SUR LA FRACTION χ
3.5. APPORT DU MODELE
CHAPITRE 5. CONCLUSION
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