Une approche de modélisation multi-échelle de l'usure des outils diamantés

A multi-scale modeling approach for diamond tools wear

• Auteur / Autrice : Adriana Quacquarelli
• Direction : Nicolas Fillot, Guilhem Mollon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 06/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TIMI - Tribologie et Mécanique des Interfaces
• Jury : Président / Présidente : Siegfried Fouvry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Fillot, Guilhem Mollon, Siegfried Fouvry, Vincent Magnier, Jean-François Molinari, Anissa Meziane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Magnier, Jean-François Molinari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Usure (mécanique)

Usinage à l'outil diamanté

Mots clés libres

Mécanique

Diamant

Usure abrasive

Outil de coupe

Modélisation multi-Échelle

Approche multi-Échelle

Zone cohésive

Fatigue

Matrice métallique

Débris

Méthode par éléments finis

Echelle mésoscopique

Echelle macroscopique

Prédiction de la fatigue

Mechanics

Diamond

Abrasive wear

Cutting tool

Multiscale modeling

Multiscale approach

Cohesion zone

Wear

Metal

Debris

Finite element method

Mesoscopic scale

Macroscopic scale

Prediction

Résumé

Les outils diamantés (DIT) comprennent les outils de carottage, les scies à ruban et circulaires, etc. Ils sont largement utilisés pour traiter et dimensionner les matériaux fragiles. Les DIT sont composés de cristaux de diamant abrasifs incorporés dans une matrice métallique par frittage. Pendant les opérations de coupe, la matrice retient les diamants qui, en raison de leur dureté, peuvent indenter la pièce. Des débris du matériau coupé se forment, définissant, avec l'eau utilisée pour les évacuer, une coulée. Ce flux de débris est très abrasif pour la matrice métallique et peut l'user. Bien que ce processus d'usure soit nécessaire pour renouveler les diamants usés, il doit être contrôlé en termes de taux d'usure pour atteindre un équilibre optimal entre la durée de vie et la capacité de coupe libre. Si plusieurs tentatives ont été faites pour analyser l'usure des diamants, le processus d'usure de la matrice n'est pas encore bien compris. Comme les analyses expérimentales n'apportent pas toutes les informations nécessaires sur ce problème, l'objectif principal est de construire une stratégie numérique multi-échelle pour décrire l'usure abrasive en tenant compte des interactions tribologiques complexes impliquant la matrice, les diamants et le flux de débris. Cette stratégie est basée sur deux modèles principaux : (1) le modèle macroscopique, construit à l'échelle du diamant et résolu par la méthode des éléments finis (FEM) ; le modèle mésoscopique (2), construit à l'échelle des grains de débris et résolu à l'aide d'un code d'éléments discrets déformables pour étudier l'usure localement, rendant compte de la nature discrète des grains de débris et de la microstructure polycristalline déformable de la matrice métallique. Dans le contexte de la demande industrielle, le modèle macroscopique (1) donne des résultats encourageants en termes de taux d'usure et peut être utilisé comme modèle prédictif dans la sélection de la matrice métallique. Le modèle mésoscopique (2) décrit les principaux phénomènes contrôlant l'usure qui ne sont pas accessibles à une échelle supérieure.

Diamond-Impregnated Tools (DIT: core drills, wire saws, circular and frame saw blades) are widely used to process and size brittle materials. DITs are composed of abrasive diamond crystals embedded in a metallic matrix by sintering. During the cutting operations, the matrix retains the diamonds, which, due to their hardness, can indent the workpiece. Debris from the cut material are formed, defining, together with water used to carry them out, a slurry. This slurry flow is highly abrasive for the metal matrix and can wear it. Although this wear process is necessary to renew worn diamonds, it must be controlled in terms of wear rate to attain an optimum balance between service life and free-cutting ability. While several attempts have been made to analyze the wear of the diamonds, the wear process involving the matrix is not yet well understood. Because experimental analyses do not bring all the necessary insights on this problem, the principal aim here is to build a multiscale numerical strategy to describe the abrasive wear accounting for the complex tribological interactions involving matrix, diamonds, and debris flow. This strategy is based on two main models: (1) the macroscopic model, built at the scale of the diamond and solved by Finite Elements Method (FEM); the mesoscopic model (2), built at the scale of the debris grains and solved using a deformable discrete elements code to study wear locally, accounting for the discrete nature of the debris grains and the polycrystalline deformable microstructure of the metal matrix. In the context of the industrial demand, the macroscopic model (1) gives encouraging results in terms of wear rate and can be used as a predictive model in the metal matrix selection. The mesoscopic model (2) describes the main phenomena controlling wear that are not accessible at a higher scale.