Etude quantitative de l’effet des paramètres opératoires sur le chargement thermomécanique et l’intégrité de surface en fraisage de finition du Ti-6Al-4V

Quantitative study of the effect of process parameters on thermomechanical loading and surface integrity during Ti-6Al-4V finish milling

• Auteur / Autrice : Ivan Hamm
• Direction : Gérard Poulachon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 12/07/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire) - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Katia Mocellin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Poulachon, Aldo Attanasio, Vincent Wagner, Frédéric Rossi, Hélène Elias-Birembaux, Nicolas Maury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aldo Attanasio, Vincent Wagner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement thermomécanique

Procédés de fabrication

Thèses et écrits académiques

Fraisage (travail des métaux)

Mots clés libres

Process Signature

Méthode inverse

Intégrité de surface

Chargement thermomécanique

Ti-6Al-4V

Fraisage finition

Process Signature

Inverse method

Surface integrity

Thermomechanical loads

Ti-6Al-4V

Finish milling

Résumé

Les structures aéronautiques, telles que les systèmes propulsifs, sont typiquement constituées de pièces métalliques dimensionnées pour supporter des chargements thermomécaniques importants. Ces pièces sont obtenues à partir d’ébauches qui sont ensuite usinées aux cotes finales, avant d’être assemblées. Le procédé d’usinage constitue ainsi une étape clé dans le cycle de fabrication d’une pièce qui doit permettre de garantir les exigences tant dimensionnelles que de propriété métallurgique et mécanique. En d’autres termes, il est indispensable de pouvoir garantir que la surface usinée possède l’ensemble des caractéristiques, notamment l’état de contrainte ou l’état métallurgique, qui lui permettront de remplir sa fonction sur une durée prédéfinie selon son dimensionnement. Par ailleurs, les évolutions des techniques et des moyens de production, visant à augmenter la productivité et la robustesse du procédé, entraînent des modifications régulières des gammes de fabrication. Il devient alors nécessaire, bien que parfois difficile, de garantir la qualité et la performance des pièces produites tout en prenant en compte ces changements dans le process de fabrication. L'intérêt de l'intégrité de surface prend alors tout son sens sur les pièces aéronautiques fortement sollicitées sous chargement mécanique cyclique. En effet, la résistance à la fatigue est directement et fortement influencée par plusieurs paramètres caractéristiques de l’intégrité de surface tels que l’état de surface, les contraintes résiduelles et la qualité métallurgique.Le présent travail a pour objectif d’analyser les paramètres d’usinage de l’opération de fraisage en finition de l’alliage de titane Ti-6Al-4V, dans le but de faire le lien inverse entre l’intégrité de surface et les paramètres du procédé de fabrication.Ces travaux se structurent autour de la notion de Process Signature, dont la démarche consiste dans un premier temps à quantifier la charge thermique et mécanique appliquée à la surface fabriquée en fonction des conditions du procédé. À partir de ces sollicitations, une modélisation thermomécanique permet de définir les champs de température et de déplacement de la matière de la surface générée. Des essais expérimentaux sont ensuite réalisés pour faire le lien entre cette charge thermomécanique et l'intégrité de surface obtenue (contraintes résiduelles, microstructure, état de surface.). C’est le principe même de la notion de Process Signature qui lie les chargements à l'intégrité de surface. Une fois ce lien réalisé, il est alors possible de développer un démonstrateur inverse capable de prédire l'effet du procédé de fraisage et de ses paramètres sur l'intégrité de surface obtenue.

Aircraft structures, such as propulsion systems, are usually composed of metallic parts designed to tolerate high thermomechanical loads. These parts are obtained from blanks, which are then machined to final dimensions before being assembled. The machining process is thus a key step in the manufacturing cycle that must guarantee both dimensional requirements and mechanical properties. In other words, it is essential to be able to ensure that the machined surface has all the characteristics, particularly the stress and metallurgical state, which will enable it to achieve its function over a predefined period according to its dimensions. Moreover, the evolution of production techniques and facilities, intended to increase the productivity and reliability of the process, leads to frequent modifications of the manufacturing process. It is therefore necessary, although sometimes difficult, to guarantee the quality and performance of the parts produced while taking into account these updates in the manufacturing process. The interest of the surface integrity then takes all its sense on the aeronautical parts highly stressed under cyclic loadings. Indeed, the fatigue life is directly and strongly influenced by several characteristic of the surface integrity such as the surface topography, the residual stresses state and the metallurgical quality. The objective of the present work is to analyze the machining parameters of the finish milling operation of the Ti-6Al-4V titanium alloy, with the aim of making the inverse link between the surface integrity and the manufacturing process parameters. This research is structured around the concept of Process Signature, whose approach consists in quantifying the thermal and mechanical load applied to the machined surface according to the process parameters. From these loadings, a thermomechanical modeling allows to define the temperature and displacement fields of the generated surface. Experimental tests are then carried out to establish the link between the thermomechanical loading case and the integrity of the surface obtained (residual stresses, microstructure, surface topography). This is the main purpose of the Process Signature concept, which links the loading case to the surface integrity. Once this link is established, it is then possible to develop an inverse model capable of predicting the effect of the milling process and its process parameters on the surface integrity obtained.