Etude du comportement en sollicitations extrêmes et de l'usinabilité d'un nouvel alliage de titane aéronautique : le TI555-3

Study of extreme stress behavior and machinability of a new aeronauticaltitanium alloy : the TI555-3

• Auteur / Autrice : Tarek Braham Bouchnak
• Direction : Benoît Furet, Jean-Lou Lebrun, Guenaël Germain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aéronautique

Titane -- Alliages

Usinage par laser

Résumé

L’alliage de titane Ti555-3, qui commence à être utilisé dans le domaine aéronautique,soulève des di fficultés spécifi ques en usinage. Cette étude propose d’ analyser l’ usinabilité de cetalliage et de la comparer à un alliage de référence, le Ti-6Al-4V. Trois aspects ont été explorés. Desessais de coupe orthogonale instrumentés ont été réalisés avec examen de la morphologie des copeaux. Cette étude a permis d’entrevoi r l’influence de différents paramètres de coupe sur les conditions d’ usinage sur l’usinabilité du Ti555-3. Ainsi l’évol ution des efforts de coupe, des températures dans la zone de coupe, la modification de la morphologie du copeau et les évolutions des contraintes résiduelles ont pu être mis en évidence. Des essais de comportement en cisaillement rapi de ont permis de reproduire les observations faites sur l’ usinage et de proposer l’identificati on de la loi de Johnson-Cook des matériaux que nous avons ensuite utilisés dans des simulations de formation de copeaux. Une étude sur l’usinage assisté jet d’eau haute pression (UAJE HP) a été menée à di fférentes vitesses de coupe et d’ avance, avec assistance haute pression et à sec. Les copeaux obtenus ont été examinés géométriquement. Les contraintes résiduelles du matériau généré par l’UAJE HP ont ét é étudiées, leurs analyses ont permis de constater que cette technique réduit le ni veau maximal des contraintes résiduelles superficiell es. L’utilisation de l’usinage assisté Laser (UA L) permet d’accroitre de nombreux aspects de l’usinabilité des alli ages de titane. Cette étude a permis de montrer une i nfl uenc e très signi ficati ve du l a puissance laser sur les efforts de coupe et sur l’intégrité de surface des pièces usinées.

The titanium alloy Ti555-3 is starting to have many aeronautical applications. However the machining of this material raises certain di fficulties. This study aims to analyze the machinability of this alloy and compare it to a reference alloy, Ti -6Al-4V. Three aspects have been explored. Instrumented orthogonal cutting tests have been conducted and chip morphology is investigated. This study provided insight into the influence of different cutting parameters or the machining conditions on the machinability of Ti555-3. Thus, the evolution of cutting forces, the temperature in the cutting zone, the morphology of the chip and the evolution of the residual stresses have been highlighted. High strain rate shear tests have been undertaken to replicate the observations obtained under machining conditions and to identify, by the inverse method, the Johnson-Cook material behavior used in the finite element simulation of chip formation. An investigation of High Pressure Water Jet Assisted Machining (HPWJAM) was conducted at different cutting speeds and feed rates. The di fferent chip forms are discussed. The residual stresses generated by HPWJAM were studied. This analysis shows that this technique results in residual surface stresses that are more compressive. The use of laser assisted machining (LAM) is investigated to increase many aspects of the machinability of titanium alloys. This study showed a highly signi ficant influence of laser power on the cutting forces andsurface integrity of machined parts.