Optimisation du chemin d'usinage de pièces aéronautiques vis-à-vis des déformations induites par les contraintes résiduelles

Optimizing the machining path of aeronautical parts with respect to deformations induced by residual stresses

• Auteur / Autrice : Antony De Biasio
• Direction : Christian Gogu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 19/03/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader

Mots clés

Mots clés libres

Procédés

Usinage

Modélisation

Optimisation

Matériaux

Processes

Machining

Modelling

Optimisation

Materials

Résumé

Du fait des contraintes résiduelles induites lors des procédés de formage et des traitements thermiques, des déformations sont observées après usinage. Ainsi, des étapes de reformage sont nécessaires avant l'assemblage pour respecter les tolérances. Ces étapes supplémentaires sont couteuses et compliquent les étapes d'assemblage. De nombreux projets chez Airbus visent à réduire les déformations avec une stratégie d'usinage. En particulier, la libération des pièces à des états intermédiaires entre les séquences d'usinage a un impact positif sur les déformations et leur variabilité. Cependant, il est difficile de définir manuellement l'enlèvement de matière optimale et le relâchement des contraintes car cela dépend du champ de contraintes résiduelles, des géométries de l'ébauche et de la pièce finale, des marges de matière (entre l'ébauche et la pièce finale), des outillages... Ensuite, pouvoir proposer des séquences d'usinage, qui minimisent la déformation finale, le temps d'usinage et la quantité de matière achetée, est clé pour maitriser nos processus et la qualité. Ces nouvelles techniques seront utilisées pour le développement des futures générations d'avions d'Airbus. -Réaliser une bibliographie des méthodes et outils disponibles ayant un lien avec le sujet et pouvant contribuer à l'optimisation des séquences d'usinage. -Développer une formulation mathématique pouvant intégrer tous les paramètres (géométrie de la pièce, géométrie de l'ébauche, champ de contraintes résiduelles, paramètres d'usinage, nombre et position de brides...) et s'appuyant sur les outils théoriques de la mécanique (énergie, contraintes, force, déplacement...). La méthode des éléments finis est également à considérer dans cette approche. -Rechercher et évaluer les algorithmes pouvant être utilisés dans le cadre du modèle mathématique mis en place et s'assurer de la compatibilité des solutions proposées avec les contraintes industrielles. -La solution sera testée sur des pièces aéronautiques réelles, conformes au scope de l'étude, notamment en termes d'hypothèses simplificatrices. Plusieurs usinages de pièces d'avions seront réalisés à partir des outils industriels actuels, les mesures de déformations permettront de valider la performance de la solution proposée. -La robustesse de la méthode sera évaluée en considérant certaines variabilités existantes, par exemple sur les géométries des ébauches, le positionnement des pièces ou encore sur les contraintes résiduelles issues des traitements thermiques. -Un rapport sera rédigé intégrant les principes théoriques et expliquant la solution d'optimisation de séquence d'usinage proposée. -Les outils développés (Python ou autre) seront fournis. La transmission aux programmeurs de machines d'usinage proposée.

Because of the residual stresses induced during the forming and heat treatment processes, deformation is observed after machining. As a result, reforming steps are required before assembly in order to meet tolerances. These additional steps are costly and complicate the assembly stages. Numerous projects at Airbus aim to reduce deformation using a machining strategy. In particular, releasing parts to intermediate states between machining sequences has a positive impact on deformation and its variability. However, it is difficult to manually define the optimum material removal and stress release, as this depends on the residual stress field, the geometries of the blank and the final part, the material margins (between the blank and the final part), the tooling, etc. Next, being able to propose machining sequences that minimise final deformation, machining time and the quantity of material purchased is key to controlling our processes and quality. These new techniques will be used in the development of future generations of Airbus aircraft. -Produce a bibliography of available methods and tools related to the subject and which can contribute to the optimisation of machining sequences. -Develop a mathematical formulation that can incorporate all the parameters (geometry of the part, geometry of the blank, field of residual stresses, machining parameters, number and position of flanges, etc.) and is based on the theoretical tools of mechanics (energy, stresses, force, displacement, etc.). The finite element method should also be considered in this approach. -Research and evaluate the algorithms that can be used within the framework of the mathematical model put in place and ensure the compatibility of the proposed solutions with industrial constraints. -The solution will be tested on real aeronautical parts, in line with the scope of the study, particularly in terms of simplifying assumptions. Several machining operations on aircraft parts will be carried out using current industrial tools, and deformation measurements will be used to validate the performance of the proposed solution. -The robustness of the method will be assessed by considering certain existing variabilities, for example in the geometries of the blanks, the positioning of the parts or the residual stresses resulting from the heat treatments. -A report will be written incorporating the theoretical principles and explaining the proposed machining sequence optimisation solution. -The tools developed (Python or other) will be supplied. Transmission to machining machine programmers proposed.