Vers une modélisation de la topographie des surfaces générées par le procédé de toilage

Towards the modelling of surface topographies generated by the belt finishing process

• Auteur / Autrice : Oussama Cherguy
• Direction : Joël Rech, Frédéric Cabanettes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingénierie
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de 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-)
• Jury : Président / Présidente : Pedro José Arrazola Arriola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Rech, Frédéric Cabanettes, Julie Marteau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Tournier, Maxence Bigerelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rugosité

Topographie de surfaces

Mots clés libres

Toilage

Modélisation cinématique

Topographie

Enlèvement de matière booléen

Prédiction de rugosité

Belt finishing

Kinematic modeling

Surface topography

Boolean material removal

Roughness prediction

Résumé

Le toilage appartient à la famille des procédés de finition – superfinition abrasives. Il permet d’obtenir des surfaces ayant une très bonne rugosité. En outre, il s’agit d’une très bonne alternative pour la production à grande échelle, car c’est un procédé très efficace et stable. Malheureusement, le toilage reste un procédé difficile à optimiser et nécessite de nombreux essais avant de trouver les conditions optimales. La modélisation numérique du procédé de toilage est donc une excellente alternative aux optimisations empiriques qui prennent beaucoup de temps. Ce travail propose des méthodes de modélisation pour prédire la rugosité générée par le procédé de toilage. Après une campagne expérimentale visant à comprendre l’effet des paramètres du toilage sur l’intégrité de surface (rugosité et contraintes résiduelles), l’objectif de la thèse était de construire un modèle capable de prédire les rugosités générées par le procédé de toilage. Un nouveau modèle 3D cinématique a été développé. Le modèle se base sur la description cinématique du procédé de toilage et l’utilisation d’une mesure de toile réelle. Il consiste à simuler le rayage multi passe d’une toile sur une surface. La trajectoire de rayage de la toile est déterminée par la cinématique de toilage et l’interaction entre la toile abrasive et la surface de pièce usinée est supposée parfaite (opérations booléennes). Une première comparaison des rugosités prédites par le modèle et des rugosités expérimentales permet d’identifier les pistes d’amélioration du modèle pour une prédiction de rugosité plus réaliste. Pour tenir compte de la flexibilité du système galet-toile, un traitement numérique des topographies de toile a été proposé. Ce traitement permet d’aligner les grains à la même hauteur. Deux méthodes d’alignement de grains ont été explorées et comparées. L’effet de ces deux méthodes d’alignement sur les résultats de prédiction de rugosité a été étudié. Ceci a été suivi par une étude de sensibilité du modèle vis-à-vis des vitesses cinématiques. Cette étude de sensibilité a permis de conduire à des simplifications du modèle. Ces simplifications permettent de réduire le temps de simulation de 12 heures à moins de 3 minutes. Ainsi, le modèle 2D (adaptation du modèle 3D) a été développé. L’idée du modèle consiste à négliger l’effet du mouvement d’oscillation et de facto de simuler des rayages monodirectionnels. L’effet des paramètres de toilage (taille de grains, force de toilage et dureté de galet) a été étudié. Ensuite, une discussion sur la sensibilité du modèle vis-à-vis des dispersions de toile et des propriétés mécaniques de la pièce a été abordé. Les résultats de simulation permettent d’observer les mêmes tendances expérimentales, par contre les rugosités prédites sont plus faibles que les rugosités expérimentales. Ces observations ouvrent vers des pistes d’amélioration du modèle, à travers l’amélioration de la compréhension et la modélisation de l’indentation entre la toile et la pièce durant le procédé de toilage. Enfin, ce travail de thèse traite de la caractérisation de la tenue en fatigue (expérimentalement) en flexion rotative des éprouvettes obtenues par tournage dur et par tournage dur + toilage.

The belt finishing belongs to the family of abrasive finishing processes. It allows obtaining surfaces with a very good roughness. Moreover, it is a very good alternative for large-scale production, as it is a very efficient and stable process. Unfortunately, belt finishing remains a difficult process to optimize and requires many trials before finding the optimal conditions. Therefore, numerical modeling of the belt finishing process is an excellent alternative to time-consuming empirical optimizations. This work proposes modeling methods to predict the roughness generated by the belt finishing process. After an experimental campaign aimed at understanding the effect of belt finishing parameters on surface integrity (roughness and residual stresses), the objective of the thesis was to build a model capable of predicting the roughness generated by the belt finishing process. A new 3D kinematic model was developed. The model is based on the kinematic description of the belt finishing process and the use of a real abrasive belt measurement. It consists in simulating the multi-pass scratching of a belt on a surface. The scratching trajectory of the abrasive belt is determined by the kinematics of the process, and the interaction between the abrasive belt and the machined surface is assumed perfect (Boolean operations). A first comparison of the roughness predicted by the model and the experimental roughness allows us to identify ways to improve the model for a more realistic roughness prediction. In order to take into account the flexibility of the roller-abrasive belt, a numerical treatment of the abrasive belt topographies was proposed. This treatment allows aligning the grains at the same height. Two grain alignment methods were explored and compared. The effect of these two alignment methods on the roughness prediction results was studied. This was followed by a sensitivity study of the model with respect to kinematic velocities. This sensitivity study led to simplifications of the model. These simplifications allow reducing the simulation time from 12 hours to less than 3 minutes. Thus, the 2D model (adaptation of the 3D model) was developed. The idea of the model is to neglect the effect of the oscillation movement, then to simulate unidirectional scratching. The effect of belt finishing parameters (grain size, toiling force and pebble hardness) was studied. Then, a discussion of the sensitivity of the model with respect to the abrasive belt dispersions and the mechanical properties of the part was addressed. The simulation results show the same experimental trends, but the predicted roughness is lower than the experimental roughness. These observations open the way to improvement of the model, through the improvement of the understanding and the modeling of the indentation between the belt and the part during the process of belt finishing. Finally, this thesis deals with the characterization of the fatigue strength (experimentally) in rotational bending of specimens obtained by hard turning and hard turning + sheet metal forming.