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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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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 :
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échelle humaine : simulation de l'environnement de l'usinage : outil, machine, cinématique… ;
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échelle macroscopique : outil/pièce pour visualisation des défauts de trajectoires, prédiction des états de surface… ;
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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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Analyse scientifique du phénomène de la coupe
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1. Simulation numérique de l'usinage : présentation
La simulation de l'usinage est très vaste et touche différents niveaux au sein du processus de fabrication (figure 1).
1.1 Simulation à l'échelle humaine
Une opération d'usinage sollicite des moyens mécaniques souvent complexes, onéreux et nécessite donc une vigilance accrue pour préserver les machines. D'un point de vue industriel, les entreprises possédant un centre d'usinage souhaitent tout d'abord sécuriser leur production afin d'éviter les collisions matérielles des composants mécaniques mis en jeu. L'intérêt de simuler une opération d'usinage à l'échelle humaine permet effectivement de détecter d'éventuelles collisions pendant le processus.
Dans cette première approche, la vision recherchée est une simulation globale de l'environnement de production (figure 2). L'objectif est de s'imprégner du comportement du moyen de production afin de préparer l'usinage :
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mouvement des axes ;
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position de la pièce sur la table ;
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encombrement de la zone de travail…
Cette étape est indispensable dans le cas où le moyen de production est très complexe et induit des mouvements relatifs de la pièce par rapport à l'outil difficiles à anticiper (machines multiaxes, robot d'usinage…).
La plupart du temps, ce type de simulation est intégré dans les logiciels de FAO. Il existe cependant des logiciels de simulation indépendants spécialisés dans l'interprétation des codes ISO issus des logiciels de FAO.
HAUT DE PAGE1.2 Simulation à l'échelle macroscopique
Toujours dans une approche industrielle, il est intéressant d'observer la pièce de plus près afin de visualiser l'enlèvement matière proprement dit. Le but de cette simulation est de déterminer globalement le volume de matière enlevé pour chacune des phases d'usinage de la pièce (figure 3).
HAUT DE PAGE1.2.1 Approche en FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur)
La...
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Simulation numérique de l'usinage : présentation
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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aluMATTER http://aluminium.matter.org.uk/
Matweb http://www.matweb.com/
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