Contribution à la fiabilisation de la modélisation numérique de l’usinage de pièces en titane

par Mariem Yaich

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Guenaël Germain, Zoubeir Bouaziz et de Yessine Ayed.

Soutenue le 28-11-2017

à Paris, ENSAM en cotutelle avec Laboratoire d'analyses alimentaires (Sfax, Tunisie) , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire LAMPA (Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d’Angers) (laboratoire) et de Laboratoire Arts et Métiers ParisTech d'Angers (laboratoire) .

Le président du jury était Ali Zghal.

Le jury était composé de Guenaël Germain, Zoubeir Bouaziz, Yessine Ayed, Yann Landon.

Les rapporteurs étaient Tarek Mabrouki, Abdelhadi Moufki.


  • Résumé

    L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques.

  • Titre traduit

    Contribution to more reliable numerical modeling of the machining of titanium workpieces


  • Résumé

    Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results.


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