Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Synthèse et conclusion
En anglais
3. Modélisation de l'usinage de l'AU4G (A2024-T351)
L'aluminium est employé dans beaucoup d'industries pour faire de nombreux produits différents et il est très important pour l'économie mondiale. La Chine est un important pays producteur loin derrière l'Amérique du Nord (États-Unis et Canada). Les composants structuraux faits à partir d'aluminium sont essentiels à l'industrie aérospatiale et très importants dans d'autres secteurs du transport et de la construction où sa faible densité, sa longévité et sa résistance sont nécessaires.
L'AU4G (A2024-T351) est un alliage d'aluminium très performant utilisé le plus souvent pour des applications aérospatiales. Ses caractéristiques principales sont les suivantes :
-
bonne usinabilité ;
-
possibilité d'obtenir de bons états de surface ;
-
une haute résistance mécanique en adéquation avec une capacité de mise en forme ;
-
nettement plus performant que la nuance dérivée A2017 (utilisée le plus souvent dans le domaine de l'automobile) ;
-
très bonne résistance à la température...
L'objectif de cette étude étant de contribuer à la compréhension du comportement élasto-thermo-plastique de cet alliage, plusieurs étapes ont été introduites dans la démarche :
-
méthode de modélisation par éléments finis ;
-
confrontation expérimentale.
3.1 Mise au point du modèle numérique
3.1.1 Analyse des conditions de stabilité des calculs éléments finis
Dans toute approche numérique, il faut trouver un compromis entre le temps de calcul et la qualité des résultats donnés par le logiciel. Cette précision passe par la tolérance numérique, d'une part (pas de calcul) et par la qualité de mise en données du problème et du maillage, d'autre part. Dans notre cas, pour lequel l'objectif est de simuler la formation du copeau, il en ressort quelques grandes lignes de réflexion qui vont orienter les axes de recherche.
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Modélisation de l'usinage de l'AU4G (A2024-T351)
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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