Elaboration of concepts and methodologies to study peripheral down-cut miling process from macro-to-micro scales

par Muhammad Asad

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Tarek Mabrouki et de Jean-François Rigal.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .

  • Titre traduit

    = Elaboration de concepts et méthodologies pour l'étude du fraisage de profil lors du passage d'échelles macro-micro


  • Résumé

    Aujourd’hui, la méthode des éléments finis est suffisamment développée pour apporter aux ingénieurs, une aide indispensable lors des étapes de conception et d’optimisation des produits manufacturés. Dans certains cas, cette aide dépasse la simple assistance technologique et permet de considérer des lois physiques dans l’intimité d’un milieu inaccessible aux expériences (fission et fusion nucléaire, propagation des fissures dans les matériaux,…). C’est dans ce contexte à la fois scientifique et technologique que porte notre contribution sur la formation du copeau. D’un point de vue applicatif et expérimental, notre étude est centrée sur l’usinage de l’alliage d’Aluminium A2024-T351. Cette étude a été accomplie avec 4 étapes principales. La première étape porte sur la mise au point d’un modèle numérique 2D, de coupe orthogonale en tournage. Ce travail permet de choisir des solutions de détails pour ce modèle numérique, aussi bien au niveau de la discrétisation et de la partition du maillage qu’au niveau du comportement du matériau usiné sur les aspects cruciaux d’endommagement et d’énergie de rupture. Lors de la deuxième étape ce modèle a été adapté au cas du fraisage de profil en avalant avec un angle d’hélice nul, où la matière susceptible d’être enlevée a une forme en demi lune, constant sur sa largeur, présente une épaisseur continûment variable et tendant vers zéro. Ce travail et les résultats obtenus permettent de distinguer la zone de coupe macroscopique de la zone microscopique à partir de l’épaisseur coupée. L’effet de taille bien connu en micromécanique a ainsi été retrouvé lors de ce passage macro-micro à travers l’influence de l’écrouissage due à la vitesse de déformation du matériau. Le phénomène bien connu expérimentalement de l’augmentation quasi exponentielle de l’énergie spécifique de coupe avec la diminution de l’épaisseur coupée a été étudié en relation avec les divers aspects de cet effet de taille. Pour faciliter l’exploitation et proposer un outil de compréhension physique de l’enlèvement de matière à la communauté scientifique et à l’industrie, dans une troisième étape, le modèle de comportement de « Johnson-Cook » modifié par une approche basée sur le second gradient de déformation a été développé dans ABAQUS®/EXPLICIT sous la forme d’un sous programme (ou sous-routine VUMAT). Finalement, au cours de la quatrième étape, l’application a été complètement développée pour simuler le fraisage de profil en avalant, de l’alliage d’Aluminium A2024-T351. En plus de l’effet de taille interne au copeau, les aspects dynamiques liés au comportement du système usinant ont été pris en compte à travers un modèle multi-échelle nommé « modèle dynamique hybride de coupe (HDC-modèle) » qui combine la rigidité équivalente d'une fraiseuse à grande vitesse (outil, porte-outil, broche, …) au niveau macroscopique avec la mécanique de formation de copeau au niveau mésoscopique. Cette application intégrant à la fois les effets d’échelles a pour but de fournir des données numériques sur la surface usinée qui puissent être comparées à des résultats expérimentaux. Malgré les difficultés de modélisation nous avons tenu à élaborer ce modèle complet car c’est bien la partie microscopique de la coupe en dynamique haute fréquence ou grande vitesse qui génère la surface usinée. Pour finir, des coupes expérimentales ont été exécutées en tournage et en fraisage pour valider les modèles proposés. Les résultats numériques sont ainsi comparés à ceux expérimentaux à chacune des étapes. De manière générale la concordance des résultats est bonne. Il faut cependant noter le grand nombre de paramètres des modèles numériques qui certains d’entre eux peuvent être des paramètres de recalage expérimental. Il apparaît donc que le caractère prédictif du modèle est limité essentiellement par les caractéristiques physiques de la matière usinée. On se retrouve dans la situation purement expérimentale des années 1970-80 qui a vu naître la notion de couple outil-matière (COM). L’approche d’aujourd’hui, à la fois expérimentale et numérique permet cependant de réduire fortement les coûts et de quantifier des phénomènes locaux très intéressants comme par exemple dans notre contribution : La propension à la segmentation et donc à la fragmentation dans certaines conditions de coupe, La longueur du contact copeau, face de coupe, l’amplitude des défauts de la surface usinée due à la dynamique globale.


  • Résumé

    Today, finite element method is a sufficiently developed technique, bringing an indispensable help to the engineers, during design and optimization stages of the engineering products. In certain cases, its role exceeds from the simple technological assistance and makes it possible to consider physical laws in the intimacy of the mediums inaccessible to the experimentation (nuclear fission and fusion, cracks propagation in the materials,…). In this context, the present contribution brings a scientific and technological comprehension of the chip formation process. The investigation of chip genesis is not an aim in itself, but it can inform what actually happens during the process. From experimental and application point of view, the work is focused on the machining of an aeronautic Aluminium alloy A2024-T351. This study has been accomplished with four principle stages. Initially, an orthogonal cutting model for the case of turning process has been established. The work makes it possible to emphasize equally on the discretization level leading to an optimised mesh generation to capture physical phenomenon, as well as on the material behaviour level considering crucial aspects of damage and fracture energy. Onward this model was adapted to the case of the down cut milling (with a null helix angle), where the removed material has a half crescent moon like form, presenting a continuously variable chip thickness tending towards zero (with a constant width). This model makes it possible to distinguish the macroscopic cutting zone from the microscopic one, based on the cut thickness. The well-known size effect phenomenon of micromechanics was thus found during macro to micro cutting passage increasing material strength, due to strain rate hardening characteristics of the material. This phenomenon in machining is well-known and corresponds to the quasi exponential increase in the specific cutting energy with the reduction of the cut thickness. To facilitate the exploitation and to propose a physical tool for better comprehension of the material removal (especially at micro cutting level) to the scientific community and industry, in the third stage modified Johnson-Cook material model (strain gradient-based approach) of the equivalent stress has been formulated in ABAQUS®/EXPLICIT via its user subroutine VUMAT. In spite of the modelling difficulties a complete cutting model integrating the size effect phenomenon has been presented. The aim is to provide a numerical data on the machined surface which can be compared with the experimental results. As it is the microscopic cutting part in high frequency and high speed dynamics domain which generates the machined surface. During the fourth stage, the model was completely developed to simulate the down cut milling of Aluminium alloy A2024-T351. In addition to the size effect relating to the chip, the dynamic aspects relating to the machining system were taken into account through the proposition of a multi level cutting model, named hybrid dynamic cutting model (HDC-model). The proposed model combines the rigidity of a high speed milling machine (tool, tool holder, rotor,…) at the macroscopic level with the mechanics of mesoscopic level chip formation. Finally, turning and milling cutting experiments were carried out to validate the suggested models. The numerical results were compared with experimental ones at each stage. In general the results are in good agreement. It is however necessary to note that a number of parameters can affect the numerical model results. The predictive character of the model is primarily limited to the physical characteristics of the machined material. Under these circumstances one finds itself in the purely experimental investigations of 1970-80s, when the concept of tool material coupling (TMC) was conceived for the very first time. Today’s approach, which is both experimental and numerical, however makes it possible to strongly reduce the costs and to quantify very interesting local phenomena such as for example in this contribution.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (XIX-125 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 115-125

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3633)
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