Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Les techniques d'usinage et les moyens matériels associés sont de plus en plus performants. Les avancées technologiques réalisées dans ce domaine ont démontré leur pertinence notamment avec l'arrivée de l'Usinage à Grande Vitesse (UGV). Ainsi, depuis peu, nous assistons à une accélération de la vitesse de ces procédés. Cette évolution s'est accompagnée de l'apparition de nouveaux phénomènes, encore mal maîtrisés, comme le cisaillement adiabatique. Des outils informatiques ont alors vu le jour permettant de faciliter la compréhension de certains de ces phénomènes. La clef du bon comportement d'une opération de fabrication par enlèvement de copeaux repose sur l'anticipation et la prédiction des conditions lors de l'usinage. Ces outils informatiques permettent, suivant différentes échelles, de modéliser ces problématiques dans certaines conditions. Cet article présente les résultats obtenus, ainsi que l'état de l'art aujourd'hui.
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Machining techniques and their related material resources have become increasingly efficient. Technological advances in this field have proven their relevance notably with the development of High Speed Machining (HSM). We have thus recently witnessed an acceleration in the speed of these processes. This evolution has led to the emergence of new phenomena, such as adiabatic shearing, which remain to date difficult to control. Computing tools have therefore been developed in order to improve the understanding of some of these phenomena. A satisfactory machining process by swarf removal is based on the anticipation and forecasting of conditions during machining. These computing tools allow, by using different scales, for modeling these problems under certain conditions. This article presents the results achieved as well as the state-of-the-art techniques.
Auteur(s)
-
Fikret KALAY : Master recherche – Simulation numérique de l'usinage - Chargé d'affaires – Services professionnels (DELCAM France)
INTRODUCTION
Lévolution des techniques d'usinage a conduit ces dix dernières années à développer un nouveau concept de production qui permet d'accroître la productivité : l'Usinage à Grande Vitesse (UGV).
Les caractéristiques thermomécaniques sont encore plus prépondérantes dans une opération UGV que lors d'un usinage conventionnel. C'est pour cela que les principaux axes de recherches scientifiques sont très orientés UGV.
L'opération d'usinage consiste à enlever de la matière par l'intermédiaire d'un outil coupant. La pièce (en tournage) ou l'outil (en fraisage) sont entraînés en rotation. Avec un mouvement de l'outil combiné d'avance, l'enlèvement de matière se produit alors à l'interface de la pointe de l'outil et de la pièce à usiner (enlèvement de copeaux).
L'Usinage Grande Vitesse se caractérise par des vitesses de coupe élevées (vitesse relative de l'outil par rapport à la pièce). Ces grandes vitesses engendrent un phénomène de coupe spécifique.
En augmentant la vitesse de coupe au-delà des limites de vitesse de l'usinage conventionnel, on commence par traverser une zone de vitesses inexploitables dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l'outil, mauvais état de surface...), puis on arrive dans le domaine de l'UGV où les conditions de coupe sont excellentes. La limite entre les zones est arbitraire et dépend des matériaux usinés.
La modélisation de ces phénomènes, dans une optique de prédire les opérations d'usinage, reste très délicate à mettre en œuvre en fonction des objectifs que l'on se donne, notamment si l'on se préoccupe des détails à l'échelle microscopique.
En effet, des sollicitations thermiques sont générées lors de la coupe par l'auto-échauffement au sein du matériau de la pièce et par les frottements à l'interface outil/pièce.
En usinage conventionnel, l'énergie calorifique s'évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l'outil dans des proportions non négligeables. Ainsi, le matériau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) qui modifie les caractéristiques de la pièce finie.
En UGV, la nature de la formation du copeau est différente et l'énergie de la coupe s'évacue à plus de 80 % dans les copeaux. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre le copeau et la pièce n'ont plus le temps d'avoir lieu : celle-ci reste pratiquement à température ambiante.
L'objectif de cet article est de présenter les techniques de simulation de l'usinage à différentes échelles :
-
échelle humaine : simulation de l'environnement de l'usinage : outil, machine, cinématique... ;
-
échelle macroscopique : outil/pièce pour visualisation des défauts de trajectoires, prédiction des états de surface... ;
-
échelle microscopique : l'interface arête de coupe/matière : la simulation numérique de la coupe – modélisation par éléments finis.
Un approfondissement est réalisé sur la dernière approche : simulation par éléments finis. Elle sera argumentée par une confrontation expérimentale pour en déduire la pertinence.
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Modélisation de l'usinage de l'AU4G (A2024-T351)
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2. Analyse scientifique du phénomène de la coupe
2.1 Formation du copeau
2.1.1 Représentation schématique
Lors de la formation du copeau, on distingue trois zones de cisaillement du matériau (figure 8) :
-
zone de cisaillement primaire : changement de direction de l'écoulement de la matière et dissipation par plastification ;
-
zone de cisaillement secondaire : cisaillement principalement dû au frottement du copeau sur la face de coupe (dissipation par frottement) ;
-
zone cisaillement tertiaire : cisaillement principalement dû à un retour élastique de matériau après le passage de l'arête de coupe sur la face en dépouille. C'est l'origine principale des usures régulières d'outil. Ce phénomène conditionne donc la durée de vie de l'outil.
Malgré l'importance de ces trois zones, la recherche scientifique s'est orientée principalement dans la compréhension et l'amorçage de la bande de cisaillement primaire. Les deux autres zones sont très difficiles à étudier car la théorie employée pour les modélisations n'est pas compatible avec l'échelle du phénomène. Quelques travaux ont été cependant réalisés pour modéliser le frottement du copeau sur la face de coupe...
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La bande de cisaillement primaire est un phénomène de dégradation du matériau qui apparaît, sous certaines conditions, lorsqu'on le déforme plastiquement. Cette apparition trouve son explication dans l'étude de l'évolution de la contrainte en fonction de la déformation lors d'un essai de traction-compression.
On constate en effet que cette dernière diffère des courbes habituellement obtenues dans ce type de test dans le sens où l'on voit apparaître sur le graphique (figure 9) trois phases distinctes :
-
une période standard de déformation plastique : elle correspond à une distribution homogène de la déformation...
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Analyse scientifique du phénomène de la coupe
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DELALONDRE (F.) - Modélisation numérique des bandes de cisaillement adiabatique dans les procédés de fabrication et de déformation à grande vitesse. Application aux métaux. - Cycle doctoral mécanique numérique – ENSMP – CEMEF – CETIM (2005).
-
(2) - MABROUKI (T.) - Modélisation de l'usinage par outil coupant. - Cours de MASTER Mécanique – CI-PROMIFOM, INSA Lyon (2007).
-
(3) - LAHEURTE (R.) - Application de la théorie du second gradient à la coupe des matériaux. - École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur, Université Bordeaux (2004).
-
(4) - EU-GENE - Worldwide modeling research trends in cutting domain. - (1999).
-
(5) - TENG (X.), WIERZBICKI - Evaluation of six fractures models in high velocity perforation. - (2006).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
[FEATURECAM] Delcam http://www.delcam.com
[VIEWMILL] Delcam http://www.delcam.com
[ABAQUS] Dassault Systèmes (SIMULIA) http://www.simulia.com/
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