Usinage sous assistance CO2 supercritique : Etudes expérimentales et simulations numériques

Machining under supercritical CO2 assistance: Experimental studies and numerical simulations

• Auteur / Autrice : Koffi Koulekpa
• Direction : Gérard Poulachon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 15/09/2021
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaBoMaP - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)

Mots clés

Mots clés libres

Assistance à l'usinage

CO2 supercritique

Ti6Al4V

Usinage éco-responsable

Problème thermique inverse

Cryogénie

Sustainable machining

Supercritical CO2

Ti6Al4V

Cryogenic

Inverse thermal problem

Résumé

L'industrie de l'usinage est en permanence à la recherche de nouvelles solutions pour augmenter sa productivité et la qualité de ses produits finis, dans le respect des normes environnementales. L'assistance à l'usinage est un des moyens les plus efficaces ; elle permet d'augmenter les débits copeaux tout en conservant et améliorant l'intégrité des arêtes de coupe. Mais face aux enjeux écologiques et sanitaires liés à l'utilisation traditionnelle des huiles de coupe, de nouvelles solutions sont à explorer pour concilier productivité et enjeux environnementaux. Le projet ScCRYO2 dont fait partie cette thèse a pour objet l'étude d'une nouvelle assistance à l'usinage, utilisant le dioxyde de carbone supercritique (scCO2), qui allie refroidissement par changement de phase, et lubrification grâce à ses propriétés de « solvant vert ». Ce projet étudie dans un premier temps la physique de l'assistance CO2 supercritique, par la mise en place d'expérimentations de méthode inverse en thermique. Cette partie permettra de caractériser les échanges thermiques liées à l'assistance, et d'optimiser son refroidissement. Ensuite la seconde partie évalue l'influence du fluide sur le procédé d'usinage dans le cas du Ti6Al4V, pour comprendre les mécanismes dans la zone de coupe, et analyser comment le fluide intervient dans la qualité de la surface usinée (Etat de surface, microstructure, contraintes résiduelles…), la diminution des forces de coupe et des frottements, ainsi que la réduction de l'usure de l'outil. Des études expérimentales en usinage et des développements de modèles numériques permettront d'étudier et d'optimiser l'effet du CO2 supercritique sur le procédé. De nouveaux lubrifiants solubles seront aussi exploitées pour exploiter le caractère « solvant » du scCO2, pour se passer des huiles synthétiques actuelles (MQL, émulsions). Les données de ces travaux serviront également pour une analyse de cycle de vie, visant à évaluer l'impact du CO2 supercritique en usinage, comparativement aux huiles de coupe ou à la cryogénie.

The machining industry is constantly looking for new solutions to increase its productivity and the quality of the finished products while respecting environmental standards. Machining assistance is one of the most effective means; it increases chip removal rates while maintaining and improving the integrity of the cutting edges. But due to the ecological and health issues related to the use of flood coolants, new solutions must be explored to reconcile productivity and environmental issues. The ScCRYO2 project, of which this thesis is part, aims to study a new machining assistance, using supercritical carbon dioxide (scCO2), which combines cooling by phase change, and lubrication thanks to its properties of '' green solvent”. This project first studies the physics of supercritical CO2 assistance, by setting up experiments of thermal inverse methods. This part will allow to characterize the heat exchanges linked to the assistance, and to optimize its cooling effects. The second part evaluates the influence of the fluid on the machining process in the case of Ti6Al4V, to understand the mechanisms in the cutting zone, and to analyze how the fluid intervenes in the quality of the machined surface (surface roughness, microstructure, residual stresses, etc.), the reduction of cutting forces and friction, as well as the reduction of tool wear. Experimental studies in machining and development of numerical models will make it possible to study and optimize the effect of supercritical CO2 on the process. New soluble lubricants will also be used to exploit the ''solvent'' nature of scCO2, as green alternatives to current cutting oils (MQL, emulsions). The data from this work will also be used for a life cycle analysis, aimed at evaluating the impact of supercritical CO2 in machining, compared to cutting oils or cryogenics.