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Modélisation numérique du procédé de perçage

Le perçage est un procédé d’usinage par enlèvement de matière largement mis en œuvre dans l’industrie en raison de sa robustesse et de sa bonne productivité. Ce procédé permet la réalisation de trous cylindriques dans un matériau solide à l’aide d’un outil coupant : le foret. Les trous percés étant souvent destinés à faciliter l’assemblage de diverses structures, le perçage fait partie des procédés les plus répandus dans de nombreux secteurs industriels de pointe (automobile, aéronautique et spatial, énergie, médical, etc.).

Malgré son omniprésence dans l’industrie, le perçage est un procédé complexe à étudier en raison de la forme cylindrique réalisée. En effet, les mécanismes de coupe ne sont pas directement observables puisqu’ils se produisent dans un environnement confiné durant toute la phase de perçage. Cette spécificité géométrique contribue à concentrer l’ensemble des phénomènes physiques dans un volume de matière restreint. C’est pour cette raison que le perçage est souvent considéré comme étant l’opération d’usinage la plus pénalisante pour l’outil et la matière.

Les applications de ce procédé portent essentiellement sur les métaux et leurs alliages, et en particulier ceux réputés « difficilement usinables » tels que les alliages de titane ou encore les superalliages à base nickel. Cette classe de matériaux permet d’atteindre un haut niveau de performance en termes de tenue mécanique. En revanche, leurs caractéristiques mécaniques et métallurgiques sont à l’origine de leur faible usinabilité, et imposent une importante surveillance des surfaces fonctionnelles usinées.

Malgré sa robustesse, le procédé de perçage induit des contraintes résiduelles souvent difficiles à appréhender. Elles peuvent affecter la qualité des trous percés en terme de tenue en fatigue. Dans un contexte industriel de plus en plus concurrentiel, les entreprises cherchent à optimiser les coûts et les délais de production, et en particulier ceux des pièces à très forte valeur ajoutée. C’est pourquoi la maîtrise des procédés de fabrication et des conséquences, qu’ils induisent sur des matériaux innovants, constitue un facteur de réussite primordial.

Dans ce contexte, la modélisation numérique du procédé de perçage apparaît comme un moyen privilégié pour mieux appréhender les conséquences mécaniques induites par les phénomènes mis en jeu à l’intérieur d’un trou percé. Au travers de différents exemples, l’objectif de cet article est de faire le point sur les méthodes de modélisation numérique employées dans le cadre du perçage. La première partie de l’article porte sur le procédé de perçage et les difficultés liées à sa modélisation multiphysique. Une seconde partie se focalise sur la modélisation des phénomènes thermomécaniques mis en jeu durant l’opération de perçage. Enfin, avant de conclure sur les perspectives de l’article, la troisième partie présente différents cas d’application, dont la modélisation des contraintes résiduelles induites par le procédé.