Modélisation numérique et analyse mécanique de l'usinage de grandes pièces aéronautiques : Amélioration de la qualité d'usinage

Numerical modelling and mechanical analysis of the machining of large aeronautical parts : Machining quality improvement

• Auteur / Autrice : Xavier Cerutti
• Direction : Katia Mocellin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique numérique
• Date : Soutenance le 04/12/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Lorong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Katia Mocellin, Emmanuel Duc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pedro José Arrazola Arriola, Jean-Michel Bergheau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Usinage

Propriétés mécaniques

Alliages aluminium-lithium

Mots clés libres

Contraintes résiduelles

Élément finis

Usinage

Distorsions

Tolérances finales

Aluminium-Lithium

Residual stresses

Finite element

Machining

Distortions

Tolerance specifications

Aluminium-Lithium

Résumé

La fabrication des grandes pièces structurelles aéronautiques en alliage d'aluminium nécessite la réalisation de multiples étapes de mises en forme (laminage, matriçage, etc...) et de traitements thermiques. Les différents chargements mécaniques et thermiques subis par les pièces pendant ces étapes de fabrication induisent des déformations plastiques ainsi que des modifications de la microstructure, qui sont sources de contraintes résiduelles. La géométrie finale des pièces est obtenue par usinage, qui est généralement la dernière étape de fabrication. Jusqu'à 90% du volume de matière initial peut être enlevé durant l'usinage de grandes pièces aéronautiques, qui peuvent également présenter des géométries complexes. La redistribution des contraintes résiduelles pendant l'usinage est une des principales causes de non-conformité des pièces avec les tolérances géométriques et dimensionnelles et donc de non-acceptation de celles-ci.De nos jours, les contraintes résiduelles et leurs effets pendant l'usinage ne sont généralement pas pris en compte lors de la définition des gammes d'usinage. Ce travail de thèse vise donc à proposer une évolution dans l'établissement des gammes d'usinage des pièces de structures en alliage d'aluminium et a été construit autour de deux principaux axes de recherche: un axe numérique et un axe d'analyse mécanique.L'axe numérique est basé sur la mise en place d'une approche de modélisation et le développement d'un outil numérique adapté à la simulation de l'usinage. L'approche de modélisation a été définie à partir d'hypothèses déduites d'études bibliographiques sur les alliages d'aluminium, le procédé d'usinage et les contraintes résiduelles. Une approche numérique d'enlèvements massifs de matière a ainsi été développée et tous les développements ont été intégrés dans les codes sources de FORGE® dans un environnement parallèle.L'axe d'analyse mécanique est basé sur l'étude de la redistribution des contraintes résiduelles et des déformations associées lors de l'usinage. Une première étude appliquée à la méthode expérimentale utilisée pour déterminer les profils de contraintes résiduelles dans des tôles laminées en alliage AIRWARE® 2050-T84 a été réalisée. Les simulations de ces essais ont permis une première validation de l'outil numérique développé et ont démontré la nécessité de définir des gammes d'usinage en fonction des contraintes résiduelles. D'autres études sur l'influence de certains paramètres définis dans les gammes d'usinage sur la qualité d'usinage ont également été menées. Les simulations réalisées ont été validées par de multiples comparaisons avec des résultats expérimentaux, montrant la capacité de l'outil numérique à prédire précisément la géométrie finale des pièces.A l'aide des résultats obtenus sur les précédentes études, une procédure numérique et de premières recommandations pour la définition de gammes d'usinage permettant d'obtenir la qualité d'usinage souhaitée en tenant compte des contraintes résiduelles initiales ont été mises en place.

The manufacturing of aluminium alloy structural aerospace parts involves multiple forming (rolling, forging, etc.) and heat treatment steps. The mechanical and thermal loads that the workpieces undergo during these manufacturing steps result in unequal plastic deformation and in metallurgical changes which are both sources of residual stresses. Machining is usually the last manufacturing step during which the final geometry of the parts is obtained. Up to 90% of the initial volume of the workpiece can be removed during the machining of aerospace structural parts which can furthermore have complex geometries. The residual stress redistribution is one of the main causes of the non-conformity of parts with the geometrical and dimensional tolerance specifications and therefore of the rejection of parts.Nowadays, initial residual stresses and their effect during the machining are often not taken into account in the definition of the machining process plan. This work aims to propose an evolution in the establishment of machining process plans of aluminium structural parts. It has been organised along two principal lines of research: a numerical line and a mechanical analysis line.The numerical line is based on the development of a modelling approach and of a numerical tool adapted to the simulation of the machining process. The modelling approach has been defined based on assumptions deduced from literature reviews on aluminium alloys, on the machining process and on residual stresses. A massive material removal approach has then been developed. All the numerical developments have been implemented into the finite element software FORGE® and are suited to a parallel computing environment.The mechanical analysis line is based on the study of the residual stress redistribution and its effect on the workpiece deflections during the machining as well as on the post-machining distortion. A first study on the layer removal method used to determine the initial residual stress profiles in an AIRWARE® 2050-T84 2050-T84 alloy rolled plate has been realised. The simulation of these experiments has allowed a first validation of the numerical tool and to demonstrate the necessity to define machining process plans in function of the residual stresses. Other studies on the influence of some machining process parameters on the machining quality have then been performed. Simulation results have been validated by multiple comparisons with experimental tests, showing the capability of the numerical tool to predict the final machined part geometries.Using the results of the studies mentioned above, a numerical procedure and first recommendations for the definition of machining process plans allowing to obtain the desired machining quality depending on the initial residual stresses have been established.