Numerical simulation approaches and methodologies for multi-physic comprehensions of titanium alloy (Ti–6Al–4V) CUTTING

par Yancheng Zhang

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Daniel Nélias et de Tarek Mabrouki.

Le président du jury était Jean-François Rigal.

Le jury était composé de Daniel Nélias, Tarek Mabrouki, Jean-François Rigal, Amine Ammar, Olivier Cahuc, Hédi Hamdi, Domenico Umbrello.

Les rapporteurs étaient Amine Ammar, Olivier Cahuc.

  • Titre traduit

    Approches numériques et méthodologies pour une compréhension multi-physiques de la coupe de l'alliage de titane (Ti–6Al–4V)


  • Résumé

    Ce travail de thèse est focalisé sur l’établissement d’un modèle de coupe orthogonale simulant l’usinage de l’alliage de Titane (Ti–6Al–4V). L’objectif principal est de contribuer à des approches et des méthodologies numériques permettant la modélisation de la formation du copeau de ce type d’alliage et l’amélioration de la compréhension des phénomènes multi-physiques induits par l’enlèvement de matière et qui découle de l’interaction outil-matière. Pour se faire, ce travail de recherche commence par la présentation d’une méthodologie macroscopique et robuste permettant d’établir un modèle de coupe en adoptant la loi de comportement phénoménologique de Johnson et Cook. L’une des améliorations apportés dans ce modèle consiste à adopter le critère de l’énergie de rupture pour contrôler l’évolution de l’endommagement de la matière et pourvoir par conséquent simuler pertinemment la genèse du copeau. Cela a permis de capturer la localisation de la déformation maximale par cisaillement et par la suite de dimensionner les formes caractéristiques liées au phénomène de segmentation du copeau selon les conditions de coupe adoptées. Le modèle de frottement à l’interface outil-matière découpée a également été affiné en intégrant une contrainte de cisaillement limite à l’interface copeau-outil. L’effet de la température sur cette contrainte limite a également été considéré et implémenté dans une routine utilisateur. Cela a permis de modéliser la formation du copeau même sous des conditions de frottement agressives et avec des rayons d’acuité d’arête de coupe élevés. L’étude paramétrique ainsi effectuée montre une très bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Dans un second temps un modèle qui peut-être qualifié de multi-echelles a été élaboré. Ce modèle de coupe tient compte de la microstructure du matériau à découper. Il est basé sur la théorie de la plasticité cristalline pour simuler la coupe orthogonale de l’alliage de Titane Ti–6Al–4V. Dans cette approche, les grains de la matière traitée sont présentés explicitement dans le maillage avec des formes hexagonales caractérisées par différentes orientations et systèmes de glissement. Dans ce cas d’étude le processus de dégradation de la matière sous différentes sollicitations thermomécaniques est le résultat de la cœxistence de deux types d’endommagement. En effet, il est supposé une rupture de la matière au niveau des grains qualifiée de dommage intra-granulaire et un dommage éventuel, aux interfaces des grains, qualifié d’inter-granulaire. Ce dernier est simulé par des éléments cohésifs d’épaisseurs nulles traduisant la possibilité de la décohésion des gains de la matière. Ce modèle est validé par des résultats de compression provenant de la littérature.


  • Résumé

    The objective of this study is to model material removal with cutting tool in the case of the machining of Titanium alloy (Ti–6Al–4V) and to bring a multi-physic comprehension of chip formation and the tool/workpiece interaction by adopting finite element approaches and methodologies. For that, the present contribution begins by a macroscopic modeling of the orthogonal cutting process. The cut material behavior considered is supposed based on JC law. Moreover, in order to simulate properly the chip genesis, the material fracture energy concept is adopted for controlling the material damage evolution. This allows capturing the shear strain localization and consequently the chip segmentation for a given set of cutting parameters. The frictional contact model considers the influence of temperature on the limiting shear stress at the tool/chip interface. As a result, this reliable model has the capability to simulate the cutting process even with high coefficient of friction and with large cutting edge radius. The parametric study carried out by referring to this model shows a very interesting corroboration with experimental results. In a second step, the present research work presents a material microstructure-level cutting model (MML cutting model) for cutting simulation. The crystal plasticity theory is adopted for modeling the cutting of the Titanium alloy Ti–6Al–4V in orthogonal case. In this model, the grains of the studied material are explicitly considered, and their orientation angles and slip system strength anisotropy are considered as the main source of the microstructure heterogeneity in the cutting material. To simulate the material degradation process, the continuum intra-granular damage and discrete cohesive zone inter-granular damage models are developed, wherein the zero thickness cohesive elements are implemented to simulate the bond between grain interfaces. The material model is validated by a comparison of compression tests from literature. Finally, simulation results demonstrate the possibility to capture the influence of the microstructure on the material removal in terms of chip formation. It is demonstrated that the grain orientation angle plays an important role for the chip segmentation and its periodicity during the cutting process. This certainly can affect the evolution of the cutting force. Additionally, the surface integrity is discussed based on the MML cutting model for different cutting speeds and feed rates. Indeed, a parametric study shows that the surface integrity is seriously affected by the machining parameters, and the affected region is limited within three layer grains for the present MML cutting model.


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