Développement d'une modélisation numérique et d'une méthodologie expérimentale dans le mécanisme de formation des copeaux : Application à la coupe orthogonale de l'alliage Ti6Al4V.

Development of a numerical modelling and experimental methodology in the chip formation mechanism : Application to the orthogonal cutting of Ti6Al4V alloy.

• Auteur / Autrice : Preshit Limje
• Direction : Mehdi Cherif, Dominique Coupard, Madalina Calamaz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mehdi Cherif, Dominique Coupard, Madalina Calamaz, Tomas Beno, Vincent Wagner, Franck Girot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tomas Beno, Vincent Wagner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets métalliques

Usinage

Thèses et écrits académiques

Alliages

Mots clés libres

Coupe orthogonale

Modélisation FE

Formation de copeaux

Segmentation de copeaux

Forces d'usinage

Ti6Al4V

Orthogonal cutting

FE modelling

Chip formation

Chip segmentation

Machining forces

Ti6Al4V

Résumé

Le travail effectué dans cette thèse propose une approche numérique et expérimentale de la modélisation de l’usinage de l’alliage Ti-6Al-4V. La modélisation proposée porte en particulier sur la détermination des paramètres d’une loi de type Johnson-Cook modifiée (MJC) avec la prise en compte du phénomène d’adoucissement. Dans un premier temps une étude paramétrique de la sensibilité du modèle de lois de comportement proposé est réalisée. Elle a permis d’identifier les paramètres optimaux permettant de limiter les écarts du modèle numérique par rapport aux résultats expérimentaux obtenus en coupe orthogonale en termes de morphologie de copeau et de niveau d’efforts de coupe.Le volet expérimental proposé lors de ces travaux a permis une analyse détaillée de la cinématique du process de génération de copeau dans le cadre de la coupe orthogonale sur un banc expérimental multi-instrumenté dédié (platine dynamométrique et caméra rapide). Une analyse basée sur une mesure des efforts de coupe et un suivi par camera rapide de la génération du copeau a été réalisé pour une large gamme de conditions de coupe. Ces essais ont permis de mettre en évidence les différentes corrélations entre les paramètres opératoires et les géométries de copeau générées (phénomène de segmentation). Les analyses réalisées ont permis un recalage des paramètres de la loi de comportement MJC proposée.Le volet numérique, basé sur une modélisation par éléments finis, a été validé par confrontation à des résultats expérimentaux, en termes de géométrie de copeau, d’efforts de coupe et d’autres caractéristiques, pour différentes configurations de coupe simulées.Les simulations et les validations expérimentales réalisées ont permis de couvrir un large domaine de conditions de coupe incluant celles utilisées en environnement industriel. Les résultats obtenus permettent d’envisager une extension du modèle 2D au domaine 3D pour l’étude de l’usinage dans le cadre de configurations de coupe plus complexes (coupe oblique par exemple). Cette approche permettra de se rapprocher au mieux des conditions thermomécaniques générés lors de procédé réels d’usinage 3D tels que le perçage, tournage ou fraisage.Mots-clés : coupe orthogonale, usinage, modélisation FE, formation de copeaux, segmentation de copeaux, forces d'usinage, Ti6Al4V.

This thesis concerns a numerical and experimental approach for investigating the material removal of the titanium alloy Ti-6Al-4V by machining. As a result, it attempts to address a highly complicated problem on a macro-scale level where the thermo-mechanical elements involved during the alloy cutting evolves rapidly with the chip formation mechanism and related characteristics.Different important aspects of machining have been addressed, especially the segmented chip formation process, while considering the numerical modelling approach. Since, the accuracy of the numerical machining simulations primarily depends on the choice of adapted constitutive material behaviour model and parameters. The cutting process was modelled using finite element in the first section of the thesis, where the influence of the material parameters associated to a modified Johnson-Cook material model and thermal properties are studied based on chip segmentation analysis.The experimental part of this study has been targeted towards a more exact knowledge on the kinetics of the chip formation process during cutting process. Thus the second section of the thesis addresses the experiments are performed on an specialized instrumented cutting bench, which allowed cutting force measurement and chip geometry analysis during the orthogonal cutting process within a wide range of cutting speed and feed configuration. Based on these experimental insights it was possible to examine the influence of different cutting conditions on characteristics of chip morphology and forces evolution.The constructed FE model's resilience and predictive capability were demonstrated by numerical/experimental comparisons of chip morphology, machining forces and other machining characteristics. Finally, the findings of this study allowed for a thorough examination of material removal mechanisms, particularly in the case of speeds that are used in industrial applications for the Ti6Al4V alloys.Keywords : orthogonal cutting, machining, FE modelling, chip formation, chip segmentation, machining forces, Ti6Al4V.