Soutenance mémoire
Mécanismes physiques de la coupe
Cadre de l’étude : la coupe orthogonale
Les opérations d’usinage par enlèvement de la matière (tournage, fraisage, etc.) sont effectuées par un mouvement relatif du couple outil-pièce. Généralement, les outils sont caractérisés par des géométries de coupe tridimensionnelle complexes ce qui complexifie la modélisation. Cependant, il existe une configuration simple largement utilisée pour les études de formation du copeau : la coupe orthogonale . Elle met en œuvre les mêmes phénomènes que la coupe 3D mais avec une géométrie plus simple ce qui facilite les observations expérimentales et la modélisation. Cette configuration simplifiée consiste à utiliser un outil avec une arête de coupe rectiligne qui est positionnée perpendiculairement à la direction de la vitesse de coupe (Vc) et à la vitesse d’avance (Vf). Lorsque l’épaisseur du copeau (f) reste très faible devant sa largeur (a) et selon les hypothèses de Merchant (Merchant, 1945- a), la coupe orthogonale peut se ramener à un problème bidimensionnel en déformations planes. Les champs thermomécaniques (déformation contrainte, températures, etc..) sont alors considérés identiques dans tous les plans perpendiculaires à l’arête de coupe (Changeux, 2001).
Du point de vue expérimental, les conditions de coupe quasi orthogonales peuvent être obtenues en utilisant un étau limeur , une opération de tournage d’un tube avec une avance axiale ou l’usinage de disque avec une avance radial (figure I-1d). En tournage, l’inconvénient de la configuration sur tube est la vitesse de coupe qui n’est pas constante sur la largeur de coupe, ce qui engendre un changement de la direction d’écoulement du copeau (Changeux, 2001). Cette variation peut cependant être négligée lorsque l’épaisseur du tube (?) est faible devant son rayon. Dans tous les cas de cette figure, l’avance (?) est confondue avec la profondeur de passe (??). Pour une largeur de coupe fixée, les paramètres sont réduits à : la vitesse de coupe (??), l’avance (?) et la géométrie de l’outil (angles de coupe et acuité d’arête).
Mécanisme de formation du copeau
Selon les phénomènes à observer, l’étude d’une telle opération de coupe peut se faire sur trois échelles spatiales : macroscopique (échelle de la machine-outil), mésoscopique (échelle du copeau) et microscopique (échelle de la microstructure) (Chérif, et al., 2003). Plus spécifiquement, les mécanismes de formation du copeau dans la configuration de la coupe orthogonale sont généralement attachés à l’échelle mésoscopique et microscopique. À cette échelle, plusieurs auteurs (Merchant, 1945 a; Merchant, 1945-b) ont utilisé une décomposition en quatre zones :
– Zone de cisaillement primaire (??). Elle s’étend de la pointe d’outil de coupe à la jonction entre le matériau déformé et non déformée. Dans plusieurs modèles de coupe (Merchant, 1945-a; Merchant, 1945-b), cette zone de cisaillement est représentée par un plan incliné d’un angle Φ (dite : angle de cisaillement) par rapport à la direction de coupe. Son existence est principalement liée au changement de direction d’écoulement de la matière. C’est la zone qui subit une très forte déformation plastique dans un temps très court. Cela engendre une forte localisation de la déformation plastique (de l’ordre de 200%) sous forme de bandes de cisaillement de faibles épaisseurs (de l’ordre de quelques μm) (He, et al., 2002). Cette localisation s’accompagne d’une forte dissipation en chaleur de l’énergie de déformation plastique, ce qui va influencer directement le comportement du matériau et donc la géométrie des copeaux.
– Zone de cisaillement secondaire (???). Elle est induite par l’écoulement de la matière sur la face de coupe de l’outil. Dans cette zone, la chaleur est générée par la déformation plastique, mais plus fortement par le frottement intense entre l’outil et le copeau. Cette région est généralement divisée en deux sous-régions, une zone de collage et une zone de glissement.
– Zone de cisaillement tertiaire (????). Dans cette zone le frottement au niveau de la face dépouille entre l’outil et la surface usinée provoque des déformations plastiques et un échauffement de la surface usinée. Les phénomènes intervenant dans cette zone sont beaucoup moins intenses que dans les deux cas précédents, mais ils sont déterminants pour la qualité des surfaces usinée (contraintes résiduelles et rugosité).
– Zone de cisaillement de forte pression hydrostatique. Elle est localisée au niveau de la pointe de l’outil. Dans cette zone l’outil exerce un effort de compression très élevé sur le matériau.
Sur les phénomènes thermiques de ces zones, les travaux de Habak et al. (Habak, 2006) se sont intéressés à l’échelle mésoscopique en établissant un bilan énergétique avec l’hypothèse que la majorité de la puissance mécanique se transforme en puissance thermique . Les flux de chaleur issus des sollicitations mécaniques de la matière sont générés dans les quatre zones de fortes déformations et dissipés dans l’ensemble outil-pièce-copeaux-air suivant différentes proportions. De nombreuses techniques expérimentales et/ou numériques (Wang, et al., 1996; Ramesh, et al., 1999; Umbrello, et al., 2007; Umbrello, et al., 2007-a) ont été développées pour mesurer ces coefficients de partage thermique, cependant ces techniques restent toujours incomplètes, car le flux de chaleur évacué par le copeau reste difficile à mesurer, ce qui représente le point faible de cette approche énergétique.
Morphologie du copeau
Les déformations que subit la matière à travers les bandes de cisaillements ne sont pas forcément stables et continues. Dans ce contexte, plusieurs auteurs (List, et al., 2005; Boothroyd & Knight, 2006; Changeux, 2001; Khanna & Sangwan, 2012; Nouari & Makich, 2013) ont montré que la forme du copeau est sensible à plusieurs paramètres tels que les conditions de coupe (?? , ??, ?), l’outil de coupe, le matériau usiné, mais aussi la rigidité de la machine. La morphologie des copeaux peut être classée en trois familles: continu, segmenté ou festonné et copeau dentelé .
– Copeau continu : Ce type de copeau est généralement obtenu lors de l’usinage de matériaux ductiles avec de faibles vitesses de coupe et/ou d’avance. La contrainte de cisaillement dans la zone primaire n’atteint pas la limite de rupture. De plus, les champs de déformations, de température et de vitesse sont relativement stables au cours du temps. Une bonne stabilité des efforts de la coupe est obtenue ainsi qu’un bon état de la surface usinée (Barge, 2005).
– Copeau segmenté : Ce copeau est semi-continu dans le sens où il possède une apparence en dents de scie due à une formation cyclique d’un cisaillement localisée dans la zone ??. Ce type de copeau à un effet direct sur la stabilité des efforts de coupe pendant la phase d’usinage (Shivpuri & A. Shivastava, 2002).
– Copeau dentelé ou copeau élémentaire : Ce type de copeau est généralement obtenu lors de l’usinage de matériaux fragiles avec une grande vitesse de coupe et/ou d’avance. Le copeau peut être formé avec des segments séparés ou avec des jonctions matérielles très minces. Dans les deux cas, la contrainte de cisaillement atteint, dans la zone primaire, la limite de rupture du métal usiné conduisant à un endommagement très localisé et une propagation des fissures.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Processus de formation du copeau et modélisation de la coupe
I.1 Introduction
I.2 Mécanismes physiques de la coupe
I.2.1 Cadre de l’étude : la coupe orthogonale
I.2.2 Mécanisme de formation du copeau
I.2.3 Morphologie du copeau
I.2.4 Analyse des bandes de cisaillement
I.2.5 Caractère tridimensionnel d’un feston
I.2.6 Synthèse sur la formation du copeau
I.3 Modélisation numérique de la coupe orthogonale
I.3.1 Modélisation numérique de la coupe sans maillage
I.3.1.1 La méthode SPH (Smoothed Particule Hydrodynamics)
I.3.1.2 La méthode CNEM (Constrained Natural Element Method)
I.3.1.3 La méthode DEM (Discrete element method)
I.3.1.4 Synthèse sur les méthodes sans maillage
I.3.2 Modélisation numérique de la coupe avec maillage
I.3.2.1 Méthode d’intégration numérique en temps
I.3.2.2 Type de description
I.3.2.3 Synthèse sur la modélisation numérique avec maillage
I.3.3 Choix du code de calcul
I.4 Démarche proposée
I.5 Conclusion
Chapitre II. Transfert de champs thermomécanique en grande déformation
II.1 Introduction
II.2 Transfert des variables
II.2.1 Choix des variables
II.2.2 Transfert des variables continues
II.2.3 Transfert des variables discontinues
II.2.3.1 Transfert direct entre l’ancien point de Gauss et le nouveau point de Gauss
II.2.3.2 Transfert indirect en passant par les nœuds de l’ancien au nouveau maillage
II.2.3.3 Transfert indirect en passant par les nœuds du nouveau maillage
II.2.3.4 Extrapolation des champs discontinue
II.2.3.5 Améliorations des conditions de consistance
II.2.3.6 Améliorations en surface
II.2.3.7 Améliorations du point de vue physique
II.2.4 Choix d’un opérateur de transfert
II.2.4.1 Choix du cas test
II.2.4.2 Choix du comportement matériau
II.2.4.3 Cas test 1 : Transfert entre maillages identique
II.2.4.4 Cas test 2 : Transfert entre deux maillages différents
II.2.4.5 Synthèse
II.3 Conclusion
Chapitre III. Optimisation de la discrétisation spatiale du maillage
III.1 Introduction
III.2 Les méthodes d’adaptations
III.2.1 Terminologie
III.2.2 Méthodes retenues et outils nécessaires
III.3 Décision de remaillage
III.3.1 Critère de remaillage basé sur un ou plusieurs critères physiques
III.3.1.1 Modélisation numérique de propagation de fissure
III.3.1.2 Cas test
III.3.2 Critère de remaillage basé sur la réduction d’une erreur
III.3.2.1 Introduction
III.3.2.2 Techniques d’estimation d’erreur a posteriori
III.3.2.3 Stratégie d’adaptation
III.4 Construction d’un nouveau maillage
III.4.1 Définition de la carte de tailles optimales
III.4.2 Définition de la géométrie du domaine
III.4.3 Qualité des éléments
III.4.4 Gestion du contact
III.5 Vérification de l’optimalité du maillage
III.6 Mise en œuvre de la procédure d’adaptation du maillage
III.6.1 Choix du critère d’adaptation du maillage
III.6.1.1 Cas d’applications analytiques
III.6.1.2 Cas d’application élément finis
III.6.1.3 Synthèse sur le choix du critère d’adaptation du maillage
III.6.2 Effet d’erreur imposée sur la convergence de la solution EF
III.6.3 Effet de la fréquence d’adaptation sur la convergence de la solution EF
III.7 Conclusion
Chapitre IV. Mise en place de la procédure de remaillage avec endommagement
IV.1 Introduction
IV.2 Mise en œuvre de la procédure
IV.2.1 Schéma d’adaptation
IV.2.2 Cas test de l’adaptation du maillage : Essai de cisaillement
IV.2.3 Interprétation du déséquilibre
IV.2.4 Solution du déséquilibre dynamique
IV.2.4.1 Transfert d’un nombre de variables réduit et calcul des autres
IV.2.4.2 Stratégie de restabilisation à la fin de l’incrément courant
IV.2.4.3 Méthode d’équilibrage proposée
IV.3 Validation du processus d’équilibrage
IV.3.1 En petit déplacement: Essai de cisaillement
IV.3.2 En grand déplacement : Cas de forgeage
IV.3.3 Prise en compte de l’endommagement dans le processus de remaillage
IV.3.3.1 Essai de cisaillement
IV.4 Conclusion
Conclusion générale
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