Contribution à la modélisation thermomécanique des vibrations en coupe oblique et à l'établissement d'un plan optimal de maintenance intégré à la production tenant compte des conditions d'usinage

Contribution to the Thermomechanical Modeling of Vibrations in Oblique Cutting and to the Establishment of an Optimal Integrated Maintenance Plan in Production taking into account the Machining Conditions

• Auteur / Autrice : El Mehdi Kibbou
• Direction : Abdelhadi Moufki, Sofiène Dellagi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Anis Chelbi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhadi Moufki, Sofiène Dellagi, José Carlos Outeiro, Zineb Simeu-Abazi, Ilias Majdouline
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : José Carlos Outeiro, Zineb Simeu-Abazi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maintenance productive totale

Analyse modale (ingénierie)

Vibrations

Coupe

Modèles mathématiques

Usinage

Mots clés libres

Modélisations analytiques

Usinage

Vibrations

Thermomécanique

Stratégies de maintenance intégrée à la production

Optimisation

Analytical Modelling

Machining

Vibration

Thermomechanics

Maintenance strategies integrated into production

Optimization

Résumé

Dans cette étude, on s’intéresse à un système de production par usinage qui est l’un des procédés de fabrications les plus adoptés par les différentes industries mécaniques (automobile, aéronautique, ferroviaire…). L'objectif de cette thèse pluridisciplinaire (Mécanique et Génie Industriel) est double : (1) le développement d’un nouveau modèle thermomécanique de la coupe oblique, avec vibration, en usinage à sec et (2) la maximisation du profit afin d’établir conjointement une stratégie de production et un plan de maintenance préventive. Le couplage entre l’opération d’usinage et la partie « optimisation simultanée des coûts de production et de maintenance » se fait à travers la prise en compte de l’effet des conditions de coupe sur l’état de la surface généré et sur l’usure de l’outil de coupe. Dans l’approche proposée, l’usure est prise en compte via la loi empirique de Taylor et l’état de la surface usinée est prédite à travers une nouvelle modélisation des vibrations en coupe oblique. Le premier objectif de la thèse concerne le développement d’une nouvelle modélisation thermomécanique de la coupe oblique avec vibration. Dans ce modèle analytique de coupe, le système vibratoire outil-porte outil est assimilé à un système à un seul degré de liberté dans la direction d’avance. On prend en compte le couplage entre les oscillations de l’outil, le processus thermomécanique de formation du copeau ainsi que l’effet régénératif. Ce dernier résulte de la variation de la quantité de matière à usiner entre deux passes successives. Les sorties de l’outil de la zone de coupe en fonction des conditions de coupe sont également considérées. Le couplage entre l’ensemble de ces mécanismes rend le problème à résoudre fortement non linéaire. Un algorithme de résolution permettant de réduire le temps de calcul a été mis en place. Le deuxième objectif de la thèse est réalisé par le biais du développement d’un modèle analytique. Dans ce modèle, le profit à maximiser, intègre les revenus de vente du produit fini, les coûts de production et de maintenance tout en considérant l’impact des conditions d’usinage sur les coûts de production, la qualité des pièces usinées ainsi que la dégradation du système de production. On prend donc en compte d’une manière simultanée l’impact des conditions d’usinage sur trois aspects fondamentaux pour la partie « optimisation simultanée des coûts de production et de maintenance ». Le premier concerne l’impact des conditions d’usinage sur la durée et les coûts de production. Le deuxième concerne l’impact sur la dégradation du système d’usinage et par conséquent sur le plan de maintenance optimal à adopter. Le troisième concerne l’impact sur la qualité du produit fini qui affecte directement les coûts de vente et plus précisément les coûts de reviens. Ces interactions sont prises en considération par le biais du développement d’un modèle analytique afin d’établir un plan optimal de maintenance intégrée à la production pour le système d’usinage.

In this study, we are interested in a machining production system which is one of the manufacturing processes most adopted by the various mechanical industries (automotive, aviation…etc.). The objective of this multidisciplinary thesis (Mechanics and Industrial Engineering) is double: (1) the development of a new thermomechanical model of oblique cutting in dry machining and (2) the maximization of profit in order to establish a strategy production and a preventive maintenance plan.The coupling between the machining operation and the part ''simultaneous optimization of production and maintenance costs'' is done by considering the effect of cutting conditions on the generated surface quality and on the tool wear. In the proposed approach, wear is taken into account through Taylor's empirical law and the machined surface quality is predicted via a new model of vibrations in oblique cutting.The first objective of this work concerns the development of a new thermomechanical model of the oblique cutting with vibration. In this analytical cutting model, the vibratory system is assimilated to a system with a single degree of freedom in the tool feed direction. We take into account the coupling between tool oscillations, the thermomechanical process of chip formation as well as the regenerative effect. The latter results from the variation in the material quantity to be machined between two successive passes. The coupling between all of these mechanisms makes the problem to be solved strongly nonlinear. A resolution algorithm making it possible to reduce the computation time has been implemented.The second objective of the thesis is achieved through the development of an analytical model where the optimization consists in maximizing a profit integrating selling price of finished product, production and maintenance costs. We note the originality of this part consists in considering the impact of the machining conditions, especially the cutting speed, on the production durations and costs, the quality of the machined parts as well as the degradation of the production system. The impact of machining conditions on three fundamental aspects is therefore considered simultaneously for the ''simultaneous optimization of production and maintenance costs'' part. The first concerns the impact of machining conditions on production time and costs. The second concerns the impact on the degradation of the machining system and therefore on the optimal maintenance plan to be adopted. The third concerns the impact on the quality of the output product which directly affects the selling costs and more specifically the total profit. These interactions are taken into account through the development of an analytical model to establish an optimal integrated production maintenance plan for the machining system, illustrated by the optimal switching date for changing cutting speed and the optimal numbers of batches to produce before every preventive maintenance action for every production phase. Every production phase is characterized by a cutting speed.