Approches expérimentales et numériques de l’usinage assisté jet d'eau haute pression : étude des mécanismes d'usure et contribution à la modélisation multi-physiques de la coupe

par Yessine Ayed

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Amine Ammar, Benoît Furet et de Guenaël Germain.

Le président du jury était Olivier Cahuc.

Le jury était composé de Amine Ammar, Benoît Furet, Guenaël Germain, José Carlos Outeiro, Wacef Ben Salem.

Les rapporteurs étaient Tarek Mabrouki, Pedro José Arrazola Arriola.


  • Résumé

    Cette étude porte sur l'usinage de l'alliage de titane Ti17 avec une assistance jet d'eau haute pression. Une attention particulière a été portée à l'analyse des mécanismes de dégradation et d'usure des outils lors de l'usinage avec et sans assistance. Le suivi de l'usure est réalisé par des observations régulières au microscope électronique à balayage (MEB) et par des analyses chimiques (technique EDS) afin de déterminer les zones de dépôt de matière sur l'outil. Toutes ces observations ont permis d'expliquer les mécanismes d'usure pour une opération d'ébauche et de finition. Il a été montré que les mécanismes d'usure sont différents entre l'usinage conventionnel et l'usinage assisté. En effet, lors de l'assistance jet d'eau haute pression, certains mécanismes ne sont plus activités mais d'autres mécanismes sont accélérés. Il existe donc une pression de jet d'eau optimale pour minimiser l'usure de l'outil.Afin de mettre en évidence l'effet du jet d'eau sur les phénomènes thermomécaniques dans les zones de formation du copeau, une modélisation par éléments finis est réalisée. Un couplage fluide / structure a dû être mis en place afin de prendre en compte les actions mécaniques et thermiques du jet d'eau sur la zone de coupe. Pour cela, la loi de comportement et le modèle d'endommagement de Johnson-Cook, ont été identifiés pour le Ti17 dans des conditions extrêmes sur une large gamme de températures et de vitesses de déformation. Cette modélisation a permis de mettre en évidence, pour l'usinage assisté haute pression, la diminution de la zone de contact outil/copeau, de retrouver la fragmentation du copeau et de quantifier le refroidissement des différentes zones de cisaillement.En revanche, cette modélisation ne permet pas de connaître l'effet de l'hétérogénéité microstructurale du matériau sur la zone de coupe. Ce constat est d'autant plus important que le matériau étudié présente une taille de grain importante (de l'ordre du millimètre). Pour cela, une nouvelle modélisation (multi-échelle) a été développée afin de prendre en compte la microstructure du matériau. Le matériau est donc modélisé comme un polycristal qui prend en compte des lois de la plasticité cristalline. Cette nouvelle approche permet alors de simuler la formation du copeau en prenant en compte les orientations cristallines des grains et les changements de phase qui apparaissent lors de l'usinage.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical approaches to high pressure water jet assisted machining : a study of tool wear mechanisms and contribution to the multi-physical modeling of cutting


  • Résumé

    This study focuses on the machining of the Ti17 titanium alloy using high-pressure water jet assistance. Special emphasis is placed on the analysis of degradation mechanisms and tool wear during machining, with and without assistance. Wear monitoring was achieved by regular observations using both scanning electron microscope (SEM) and chemical analysis (EDS technique) to determine the areas of material deposition on the tool. These observations made it possible to explain the wear mechanisms for roughing and finishing conditions. Wear mechanisms for conventional machining and for assisted machining were found to be significantly different. Indeed, with high-pressure water jet assistance, some tool wear mechanisms are no longer activated, whereas others are accelerated. Hence, there exists an optimum water jet pressure which minimizes tool wear.To highlight the effect of water jet assistance on the thermomechanical phenomena in the chip formation zone, finite-element modeling has been performed. Fluid/structure coupling was developed to take into account the mechanical and thermal effects of the water jet. For this to be possible, the Johnson-Cook constitutive law and damage model have been identified for the Ti17 titanium alloy, under extreme conditions, over a wide range of temperatures and strain rates. This modeling has highlighted the fact that, for high-pressure assisted machining, the tool/chip contact zone is reduced. In addition, the simulation of chip fragmentation as well as the cooling effect on the tool and workpiece is possible.However, this model does not shed light on the effect of the microstructural heterogeneity of the material in the cutting zone. This is an important observation because the material studied has a very large grain size (of the order of a millimeter). For this reason, a new (multi-scale) modeling approach has been developed to take into consideration the microstructure of the material. The material is subsequently modeled as a polycrystal which obeys crystal plasticity constitutive laws. This new approach is then used to simulate chip formation, taking into account the grain orientations and phase changes that occur during the machining process.


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