Contributions expérimentales et numériques pour la compréhension de l’intégrité des surfaces induite par un outil combiné usinage – galetage

Numerical and experimental contributions for a fundamental understanding of the surface integrity induced by a combined turning burnishing process

• Auteur / Autrice : Anis Rami
• Direction : Hédi Hamdi, Salem Sghaier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique – Procédé de Fabrication
• Date : Soutenance le 02/10/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....) - Ecole nationale d'ingénieurs (Saint-Etienne ; 1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Kapsa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hédi Hamdi, Salem Sghaier, Mondher Zidi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Monteil, Nabil Ben Fredj

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage

Tournage sur métaux

Mots clés libres

Tournage

Galetage

Intégrité de surface

Expérimentation

Simulation 3D

Turning

Burnishing

Surface integrity

Experimentation

3D simulation

Résumé

Le procédé de tournage galetage (CoTuB) est un traitement d'usinage innovant réalisant les procédés de tournage et de galetage à billes simultanément et sur la même machine-outil. L'objectif du procédé combiné est d'améliorer l'intégrité de surface et en même temps d'augmenter la productivité par rapport aux traitements conventionnels de surface et les procédés d'usinage. En adoptant un plan d’expérience, il a été démontré qu'une amélioration considérable de l’intégrité de surface pourrait être obtenue en utilisant le nouveau procédé combiné et en sélectionnant les paramètres appropriés. Pour effectuer une étude paramétrique, un ensemble d'expériences basées sur un plan d’expérience de type Taguchi complété par une analyse de la variance (ANOVA) a été réalisée. Le but de cette étude expérimentale est d'identifier les paramètres optimaux du tournage / galetage lors du traitement de l'acier 42 Cr Mo 4 permettant de donner une intégrité de surface optimale.Pour une meilleure compréhension des phénomènes impliqués lors du procédé combiné d'usinage / galetage, des approches et méthodologies numériques ont été développées afin de reproduire le procédé combiné. Une nouvelle approche numérique, appelée «Approche Mixte», est développée et utilisée afin de simplifier la simulation du procédé combiné. Cette approche combine des données expérimentales et numériques afin de déterminer la forme et de quantifier les chargements thermiques et mécaniques exercés par l'outil de coupe sur la surface usinée sur chaque zone de cisaillement. Cette nouvelle méthode a permis d'effectuer une simulation 3D du procédé de tournage-galetage combiné et permet de simuler plusieurs passages des outils autour de la surface usinée. La simulation permet de prédire les contraintes résiduelles induites par le procédé combiné et la comparaison révèle un bon accord entre les résultats numériques et expérimentaux.

The Combined Turning-Burnishing (CoTuB) process is an innovative machining treatment that performs turning and ball-burnishing processes simultaneously and on the same machine tool. The aim of performing the combined process is to enhance surface integrity and increase productivity at the same time when compare to conventional surface treatment and machining processes. Based on adopting design of experiments, it has been depicted that a considerable improvement in surface quality could be obtained meaning the new combined process by using the suitable process parameters. In order to carry out a parametric study, a set of experiments based on Taguchi method completed with a statistical analysis of variance (ANOVA) were performed. The aim of this experimental investigation is to identify the optimal turning/burnishing parameters when treating AISI 4140 steel. This helps to get an optimal surface integrity. For a better understanding of the phenomena involved during combined machining / burnishing processes, numerical approaches and methodologies for reproducing the combined turning-burnishing process have been performed. A new approach, called the "Mixed Approach", is developed and used in order to simplify the simulation of the combined process. This approach combines experimental and numerical data in order to determine shape and to quantify thermal and mechanical loadings exerted by the cutting tool on the machined surface on each shear zone. This new method allowed to perform a 3D simulation of combined turning-burnishing and allows to model several tool passages on the machined surface. The simulation allows to predict residual stresses induced by the combined process and the comparison reveals good agreements between numerical and experimental results.