Analyse multi-échelle du chargement thermomécanique induit au cours du perçage du Ti-6Al-4V

Multiscale analysis of thermomechanical loading induced during drilling of Ti-6Al-4V

• Auteur / Autrice : Camille Bonnet
• Direction : Yann Landon, Thomas Pottier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Mehdi Cherif
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Landon, Thomas Pottier, Guenaël Germain, Xavier Balandraud, Madalina Calamaz, Vincent Wagner
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guenaël Germain, Xavier Balandraud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écrouissage

Métaux

Usinage

Thermographie

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Perçage

Modélisation numérique

Alliage de titane Ti-6Al-4V

Corrélation d'images (DIC)

Thermographie infrarouge

Mesures de champs thermomécaniques

Drilling

Numerical modelling

Ti-6Al-4V titanium alloy

Digital image correlation (DIC)

Infrared thermography

Thermomechanical field measurements

Résumé

Le procédé de perçage consiste en une opération complexe générant d’importants efforts, couples et températures au sein d’une zone très localisée et confinée. Ce chargement thermomécanique peut conduire à l’usure prématurée des outils et à l’altération des surfaces générées, notamment lors du perçage du Ti6Al4V, matériau difficilement usinable. L’objectif de ces travaux de thèse est de fournir les clés pour une meilleure compréhension des phénomènes en jeu et une évaluation fiable et pertinente de ce chargement induit par le passage de l’outil sur la paroi du trou percé. Expérimentalement, du fait des vitesses élevées et de la zone de coupe difficile d’accès, obtenir des informations fiables et de qualité constitue un réel défi. Le volet expérimental de cette thèse a donc porté sur la mise en place et la réalisation d’essais pour la mesure de champs thermomécaniques à différentes échelles d’étude. Cette approche multi-échelle a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu à différents niveaux, mais aussi de confronter les études aux différentes échelles afin de les valider et de permettre le changement d'échelle. En complément, une étude numérique est menée. Face aux difficultés expérimentales, la modélisation numérique apparaît comme une alternative pertinente pour l’évaluation des données souhaitées. La démarche adoptée ici est de la coupler à la stratégie expérimentale en vue d'élaborer une modélisation multi-échelle du perçage du Ti6Al4V qui se veut robuste. Cette modélisation est basée sur des lois de comportement et d'endommagement présentant un couplage explicite des phénomènes thermiques et mécaniques, ainsi que sur une détermination fine des lois de frottement et des coefficients de partage. Finalement, une confrontation des résultats numériques et expérimentaux est réalisée à chaque échelle d’étude et a permis de statuer sur la pertinence du modèle numérique proposé.

The drilling process is a complex operation generating high forces, torques and temperatures in a very localized and confined area. This thermomechanical loading can trigger early damage to the tools and impair the generated surfaces, especially when drilling Ti6Al4V, a material that is difficult to machine. The objective of this thesis is to improve the understanding of the involved cutting phenomena and provide a reliable and relevant evaluation of the loadings induced by the passage of the tool on the wall of the drilled hole. Experimentally, due to the high speeds and the difficult access to the cutting zone, obtaining reliable and quality information is a challenging task. The experimental part of this thesis therefore focus on the implementation and realization of tests for the measurement of thermomechanical fields at different scales of study. This multi-scale approach enables to identify the phenomena involved at different levels, but also to compare the studies at different scales in order to validate them and allow the change of scale. In addition, a numerical study is conducted. Faced with experimental difficulties, numerical modeling appears to be a relevant alternative in the assessement of the desired data. The approach adopted here is to couple it to the experimental strategy in order to develop a robust multi-scale model of Ti6Al4V drilling. This modeling is based on behavior and damage laws presenting an explicit coupling of thermal and mechanical phenomena, as well as on a fine determination of friction laws and partition coefficients. Finally, a comparison of the numerical and experimental results is carried out at each scale of study and enabled to conclude on the relevance of the proposed numerical model.