Identification inverse du comportement thermomécanique à partir des champs cinématiques et thermique mesurés dans la zone de cisaillement primaire en rabotage : application à l'Inconel 718

Reverse identification of the thermomechanical behavior from the measured kinematic and thermal fields in the primary shear zone in machining : application to Inconel 718.

• Auteur / Autrice : Corentin Poissenot arrigoni
• Direction : Guillaume Fromentin, Frédéric Rossi, Bertrand Marcon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés (AM)
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• 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 : Paris, ENSAM
• Jury : Président / Présidente : Mohammed Nouari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Fromentin, Frédéric Rossi, Bertrand Marcon, Bertrand Wattrisse, Frédéric Valiorgue, Mickael Rancic, François Hild
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Wattrisse, Frédéric Valiorgue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nickel -- Alliages

Alliages

Technique de la production

Mots clés libres

Identification inverse

Coupe

Analyse in situ

Alliage à base de nickel

Inverse identification

Cutting

In situ analysis

Nickel base alloy

Résumé

La mise en forme par le procédé d’usinage implique un chargement thermomécanique sévère, pouvant conduire à des déformations voir des changements locaux des propriétés du matériau usiné. Ces conséquences non souhaitées de la coupe sont très fréquentes sur les alliages à base de nickel, car cette famille de matériaux possède de bonnes propriétés mécaniques à hautes températures. A l’heure actuelle, les outils de simulation pourraient permettre de prédire les conséquences d’un usinage sur l’intégrité de la pièce finie, cependant, aucun essai ou méthodologie ne permet de déterminer complètement des lois de comportements de matériaux avec des gradients et cinétiques thermomécaniques représentatifs de ceux induits par une opération d’usinage. Dans la perspective globale de renforcer la confiance accordée aux simulations du procédé d’usinage, l’objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie innovante d’identification inverse de lois de comportements et d’endommagement thermomécanique de matériaux en alliage à base de nickel en conditions d’usinage.Pour ce faire, dans un premier temps, un travail préparatoire au déploiement de mesures par thermographie infrarouge est proposé. Une méthode innovante de calibration insensible aux temps d’intégration est développée. De plus, afin de pouvoir convertir les températures radiométriques de la scène observée en températures absolues, une méthode de mesure directe de l’émissivité basée sur l’emploi d’une caméra multi spectrale a été mise au point. Ensuite, une méthode de traitement des images a été développée, permettant d’obtenir une information thermique globale de la coupe pour différents objectifs. Pour finir, une étude des erreurs de mesures induite par la thermographie, basée sur un modèle radiométrique est proposée.Dans un second temps, une expérimentation de rabotage largement instrumentée permettant l’observation des champs cinématiques et thermique est conçue. Une platine dynamométrique permet l’acquisition des efforts et un système optique, basé sur la séparation des faisceaux par longueur d’ondes, permet l’observation simultanée de la coupe, par des caméras visible et infrarouge au travers d’un unique objectif. Une analyse des images issues de la caméra visible par corrélation d’images numériques donne accès au champ cinématique et un traitement spécifique des images issues de la caméra infrarouge donne accès au champ thermique pendant la coupe. Une analyse des caractéristiques de la zone de cisaillement primaire est réalisée, avec notamment une estimation des dimensions de la zone ou la matière est déformée et des températures atteintes.Dans un troisième temps, un modèle numérique simulant une opération de coupe orthogonale a été mis au point. Afin d’optimiser le temps de calcul, une étude de sensibilité de la taille de maille et du nombre de cœurs alloués au calcul ont été réalisées. Pour finir, une étude de sensibilité des paramètres d’entrés de la simulation a permis de mettre en évidence les paramètres les plus influents sur le champ thermomécanique.Enfin, grâce aux comportements cinématique et thermique expérimentaux et simulés, un algorithme d’identification inverse, permettant de déterminer les constantes des lois de comportement de Johnson-Cook plastique et endommagement du matériau usiné en conditions de coupe, a été développé. Cet algorithme inclue également des indicateurs sur l’écart entre les résultats expérimentaux et simulés pour chaque mesurande, ce qui permet de fournir un indicateur de confiance des constantes matériaux identifiées.En conclusion, grâce à une instrumentation fine, les champs cinématique et thermique appliqués à la pièce lors d’une opération de rabotage ont pu être observés et quantifiés. Ces données expérimentales ont ensuite alimenté un algorithme d’identification inverse, permettant de déterminer les constantes matériaux des lois de comportement et d’endommagement de Johnson-Cook en conditions de coupe.

The shaping process through machining involves severe thermomechanical loading, potentially leading to deformations and local changes in the properties of the machined material. These undesired consequences of cutting are quite common in nickel-based alloys, as this material family exhibits good mechanical properties at high temperatures. Currently, simulation tools could potentially predict the consequences of machining on the integrity of the finished piece; however, no test or methodology allows for the complete determination of material behavior laws with gradients and thermomechanical kinetics representative of those induced by a machining operation. In the overall perspective of strengthening confidence in machining process simulations, the objective of this thesis is to develop an innovative methodology for the inverse identification of thermomechanical behavior and damage laws of nickel-based alloy materials under machining conditions.To achieve this, in a first step, preparatory work for the deployment of measurements through infrared thermography is proposed. An innovative method for calibration insensitive to integration times for sensors cooled in indium antimonide has been developed. Additionally, to convert radiometric temperatures of the observed scene into absolute temperatures, a method for the direct measurement of emissivity based on the use of a multispectral camera has been developed. Subsequently, an image processing method has been developed, allowing for obtaining comprehensive thermal information about the cut for low and high magnification objectives. Finally, a study of measurement errors induced by thermography, based on a radiometric model, has been proposed.In a second step, an extensively instrumented planing experiment allowing the observation of kinematic and thermal fields has been designed. A triaxial dynamometric plate enables the acquisition of cutting forces, and an optical system, based on wavelength separation, allows simultaneous observation of the cut through visible and infrared cameras through a single lens. An analysis of images from the visible camera using digital image correlation provides access to kinematic fields, and a specific treatment of images from the infrared camera provides a mapping of the thermal field during cutting. With the collected data, an analysis of the characteristics of the primary shear zone could be conducted, including an estimation of the dimensions of the deformed material zone and the temperatures reached.In a third step, a numerical model simulating the thermomechanical field induced by an orthogonal cutting operation has been developed. To optimize computation time, a sensitivity study of mesh size and the number of cores allocated to the calculation has been conducted. Finally, a sensitivity study of input parameters for the simulation has highlighted the most influential parameters on the thermomechanical field.Ultimately, leveraging experimental and simulated kinematic and thermal behaviors within the primary shear zone induced by cutting, an inverse identification algorithm has been developed. This algorithm aims to determine the constants of the Johnson-Cook plasticity and damage behavior laws (the chosen thermomechanical behavior model for this study) of the machined material under cutting conditions. The algorithm also incorporates indicators of the discrepancy between experimental and simulated results for each measured quantity, providing a confidence indicator for the identified material constants.In conclusion, through precise instrumentation, the kinematic and thermal fields applied to the workpiece during planing have been observed and quantified. These experimental data have subsequently fueled an inverse identification algorithm, enabling the determination of material constants for Johnson-Cook behavior and damage laws under cutting conditions.