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RÉSUMÉ
Le perçage fait partie des procédés les plus répandus dans l’industrie, mais il est aussi un des moins étudiés en raison de sa complexité géométrique et multiphysique. Pourtant, le perçage induit des contraintes résiduelles qui peuvent jouer un rôle majeur sur le comportement en service de matériaux à faible usinabilité.
Dans ce contexte, la simulation numérique apparaît comme un moyen privilégié pour mieux appréhender ces phénomènes. Au travers de différents exemples, cet article fait le point sur les méthodes numériques employées pour modéliser les phénomènes physiques mis en jeu en perçage, ainsi que les conséquences induites en termes de contraintes résiduelles.
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Drilling is one of the most common processes used in industry, but it is also one of the least studied due to its geometric and multi-physics complexity. However, drilling induces residual stresses, which can play a major role in the in-service behavior of materials with low machinability.
In this context, numerical simulation appears as a very good way of understanding these phenomena. Through various examples, this article reviews the numerical methods used to model physical phenomena involved in drilling as well as the consequences induced in terms of residual stresses.
Auteur(s)
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Éric FEULVARCH : Professeur des universités - École Centrale de Lyon, Saint-Étienne, France
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Kévin CHENEGRIN : Ingénieur-Docteur - Centre de développement exploratoire de Dassault Aviation, Mérignac, France
INTRODUCTION
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.
MOTS-CLÉS
usinage Perçage simulation numérique phénomène de propagation contraintes résiduelles modélisation numérique
KEYWORDS
machining | Drilling | numerical simulation | propagation phenomena | residual stresses | numerical modeling
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Le perçage : un procédé complexe à modéliser
1.1 Description de l'opération de perçage
Le perçage fait partie des procédés les plus répandus dans de nombreux secteurs industriels de pointe (exemples : automobile, aéronautique et spatial, énergie, médical, etc.). Il s'agit de réaliser des trous cylindriques dans un matériau solide à l’aide d’un outil coupant.
Dans le cadre d’une utilisation industrielle, le foret hélicoïdal est l’outil le plus couramment utilisé pour réaliser des trous cylindriques débouchant ou borgnes. Celui-ci se compose de nombreux éléments répertoriés et schématisés sur la figure 1 .
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Cinématique du perçage et données exploitables
Le perçage occupe une place particulière parmi les opérations d’usinage traditionnelles, et il n’est pas incohérent de le comparer aux techniques de tournage et de fraisage. Le perçage combine en effet deux mouvements simultanés : un déplacement linéaire comparable au tournage (mouvement d’avance noté Vf ) et une rotation autour de l’axe de l’outil semblable au fraisage (mouvement de coupe noté Vc ). Comme le montre la figure 2 , ces deux mouvements octroient au foret une trajectoire hélicoïdale tout au long du perçage.
Du point de vue expérimental, il est difficile d’obtenir des données exploitables sur les phénomènes...
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Le perçage : un procédé complexe à modéliser
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DIETRICH (R.) et al - Précis de méthodes d’usinage : méthodologie, production et normalisation. - 5e édition. AFNOR – Nathan, Paris (2004).
-
(2) - CHENEGRIN (K.) - Identification et modélisation des phénomènes thermomécaniques mis en jeu lors du perçage à sec de l’Inconel 718. - Thèse, Université de Lyon (2021).
-
(3) - LACOMBE (A.) - Influence du procédé de perçage sur l’intégrité de surface et la tenue en fatigue de pièces percées en AA2024-T351. - Thèse, Université de Toulouse (2021).
-
(4) - LI (R.), SHIH (A.) - Spiral point drill temperature and stress in high-throughput drilling of titanium. - International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(12-13) : p. 2005-2017 (2007).
-
(5) - HUANG (C.-H.) et al - A three-dimensional inverse problem in estimating the applied heat flux of a titanium drilling – Theoretical and experimental studies. - International...
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