étude des chargements thermomécaniques induits par le resserrement du trou en perçage du Ti6Al4V sous assistance cryogénique

par Johan Merzouki

Thèse de doctorat en Mécanique-matériaux

Sous la direction de Gérard Poulachon, Frédéric Rossi et de Yessine Ayed.

Soutenue le 19-06-2018

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire) (laboratoire) et de Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Dessein.

Le jury était composé de Gérard Poulachon, Frédéric Rossi, Yessine Ayed.

Les rapporteurs étaient Nathalie Trannoy, Yann Landon.


  • Résumé

    En raison des enjeux économiques et écologiques majeurs auxquels doivent faire face les acteurs de l’industrie aéronautique depuis plusieurs décennies, la part massique de composite dans la composition des avions n’a cessé d’augmenter : elle était d’environ 5% en 1972 pour l’Airbus A300 pour arriver à plus de 50% en 2013 pour l’Airbus A350. En effet, l’objectif étant de réduire toujours plus la masse des avions, les alliages d’aluminium qui les composaient en grande majorité (75% de la masse dans les années 70) ont été progressivement remplacés par d’autres matériaux aux caractéristiques mécaniques spécifiques jugées plus intéressantes et notamment par le CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) que l’on couple souvent aux alliages de titane parce qu’ils font preuve d’une meilleure compatibilité thermique et électrochimique que le couple CFRP/alliage d’aluminium.En conséquence, de nombreux cas d’assemblage sont aujourd’hui des empilages hybrides CFRP/Ti6Al4V pour lesquels l’objectif est de pouvoir réaliser le perçage en une seule opération comme c’était le cas auparavant avec les assemblages métal/métal. Les études réalisées sur le perçage de ces empilages hybrides ont montré que les températures de coupe élevées de l’opération, majoritairement dues à l’usinage de la partie constituée de Ti6Al4V, étaient une cause majeure du non-respect des spécifications aéronautiques. C’est à partir de ces constatations que l’idée d’utiliser l’assistance cryogénique est née : refroidir la zone de coupe en injectant de l’azote liquide par le centre broche, en lieu et place des moyens de lubrification et de refroidissement plus classiques.En effet, la chaleur latente que l’azote liquide absorbe lors de sa vaporisation en fait un excellent candidat pour refroidir efficacement la zone de coupe. Son utilisation est de plus une solution totalement écologique puisqu’elle permet d’éviter l’utilisation de fluides de coupe et permet ainsi d’éviter les opérations de lavage des pièces, d’essorage des copeaux et de recyclage des fluides tout en restant neutre pour l’opérateur et la planète.Ainsi, ce projet de thèse s’articule autour de l’étude des effets de l’assistance cryogénique sur le perçage du Ti6Al4V et s’intéresse en particulier à son impact sur le phénomène de resserrement du trou. En effet, les chargements thermomécaniques induits par l’opération ainsi que les formes et dimensions finales des trous réalisés sont en réalité fortement liés à ce phénomène qui n’avait jusqu’ici été que très peu étudié. Par conséquent, cette thèse propose d’une part de mettre en évidence l’importance du resserrement du trou en perçage de Ti6Al4V et d’autre part de fournir des éléments d’analyse et de compréhension sur ce phénomène dans les conditions d’usinage à sec et avec assistance cryogénique.

  • Titre traduit

    study of the thermomechanical loads induced by hole shrinkage in Ti6Al4V drilling under cryogenic assistance


  • Résumé

    On account of the major economic and ecological stakes to which the aeronautic industry stakeholders had to react during the last decades, the composite mass percentage in aircrafts never stopped to increase and reached more than 50% in 2013 for the Airbus A350. Indeed, the aim always being to build lighter aircrafts, aluminum alloys (which represented more than 75% of the total mass in the 70’) were gradually replaced by other materials which were considered to have more advantageous mechanical properties to weight ratios and especially by CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic). Since the CFRP/titanium alloy pair demonstrates a better thermal and electrochemical compatibility compared to the CFRP/aluminum alloy pair, the use of titanium alloys in aircraft increased as well.Therefore, many assembly cases are currently CFRP/Ti6Al4V hybrid stacks for which the goal is to be able to drill them in one shot, just as it was done for metal/metal stacks. Studies were carried out concerning hybrid stacks drilling and highlighted that the elevated temperatures during the Ti6Al4V drilling were mainly responsible for the non-fulfilment of aeronautical specifications. Based on these observations, the idea of using the cryogenic assistance emerged: cooling down the cutting area by using liquid nitrogen instead of classic modes of lubrication and cooling.Indeed, the latent heat that liquid nitrogen absorbs when it vaporizes makes it an excellent candidate to efficiently cool the cutting zone. Moreover, since it evaporates quickly at room temperature, it eliminates the need to clean the parts and to recycle the fluids while being neutral for the planet and the machine operator.This Ph.D thesis revolves around the study of cryogenic assistance effects in Ti6Al4V drilling and focuses especially on its impact on hole shrinkage. Indeed, the shape and dimensions of the drilled hole, as well as the thermomechanical loads induced by the operation depend on this little-known phenomenon. Therefore, this thesis proposes to highlight the key role of hole shrinkage in Ti6Al4V drilling and to give elements of analysis and understanding on the phenomenon, for dry and cryogenic cutting conditions.


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