Etude de l'influence du procédé de coupe en perçage vibratoire sur l'intégrité matière du Ti6Al4V

par Preshit Limje

Projet de thèse en Procédés de fabrication - Génie mécanique

Sous la direction de Mehdi Cherif, Madalina Calamaz et de Dominique Coupard.

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) et de MPI : Matériaux, Procédés et Interactions (equipe de recherche) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Dans le secteur aéronautique, les procédés par liaison mécanique restent le principal mode d'assemblage des structures à hautes performances à base de Ti6Al4V. Les technologies associées nécessitent la réalisation d'un grand nombre de surfaces fonctionnelles usinées (perçage, alésage, fraisurage) pour la mise en place des fixations utilisées. En service, ces surfaces de contact (métallique et composite) sont soumises à des sollicitations mécaniques importantes statiques ou dynamiques. Pour les matériaux métalliques, le comportement des assemblages réalisés dépend largement de la qualité dimensionnelle et géométrique, de l'état de surface mais également de l'intégrité matière en termes de microstructure et de contraintes résiduelles. Les différents travaux réalisés au sein du département MPI sur les problématiques associées au perçage vibratoire du Ti6Al4V ont montré l'intérêt de ce procédé pour le respect des critères géométriques et dimensionnels imposés par le secteur aéronautique. Les projets antérieurs (FUI U2MI avec Dassault et Airbus et thèse cifre avec Mitis SA) ont clairement mis en évidence l'intérêt des grands donneurs d'ordre pour les modélisations analytiques et les méthodologies expérimentales développées au sein du département MPI. Les travaux en cours avec l'entreprise SETI TEC, principal fournisseur d'Airbus pour le process envisagé, permettent de garantir la prise en compte des contraintes industrielles pour la robustesse des méthodologies qui seront proposées. Des innovations sur le procédé de perçage vibratoire ont été développées au sein du département MPI. Elles ont donné lieu à un brevet international sur une cinématique originale pour le perçage vibratoire forcé. Ces travaux ont été poursuivis avec l'aide financière de la cellule de valorisation de l'université de Bordeaux avec un accompagnement de 200ke pour le développement d'un prototype fonctionnel par le doctorant impliqué dans le projet FUI à la suite de sa thèse. Lors de l'optimisation du process d'usinage, le choix des paramètres opératoires influe largement sur les conditions thermomécaniques de la coupe. Dans le cas du Ti6Al4V, La problématique de l'intégrité matière liée au potentiel changement de microstructure n'a pas ou très été explorée. Le sujet de la thèse proposée doit permettre dans un premier temps, grâce à une étude expérimentale multi-instrumentée, d'établir des corrélations entre les paramètres du procédé d'usinage (paramètres de coupe, paramètres vibratoires, usure d'outil, condition de lubrification, etc.) et les modifications en termes de microstructure dans le cas du perçage du Ti6Al4V. Une analyse des propriétés microstructurales proche surface permettront d'identifier les interactions outil/matière dans les zones de frottement intenses outil/surface fonctionnelle. Une méthodologie de fusion de données expérimentales sera développée pour la caractérisation analytique des conditions de coupe et des paramètres vibratoires (fréquence, amplitude). Parallèlement à cette étude expérimentale, une approche numérique 3D en coupe oblique sera effectuée pour la modélisation des gradients de déformation et de température au niveau de la zone de coupe. Dans le cas du Ti6Al4V, les conditions thermomécaniques peuvent modifier fortement la microstructure et générer des abattements des propriétés en particulier en fatigues des surfaces fonctionnelles générées. Les conditions thermomécaniques extrêmes (déformation, vitesse de déformation) rendent bien souvent les lois de comportement peu adaptées à la modélisation thermomécanique dans la zone de coupe en pointe outil. Des recalages à partir des résultats expérimentaux seront effectués pour valider les modèles de loi de comportement utilisés. Le travail de thèse proposé s'appuiera sur l'ensemble des moyens expérimentaux développés sur cette thématique au sein du département MPI du laboratoire I2M. L'expertise reconnue sur le perçage vibratoire et sur la métallurgie du Ti6Al4V au sein du département MPI permettent de garantir un environnement scientifique propice au bon déroulement des travaux de recherche envisagés.

  • Titre traduit

    nalysis of the vibration assisted drilling process on the integrity of the Ti6Al4V machined surface


  • Résumé

    In the aeronautical industry, drilling is often one of the last operations performed on parts with high added value. Furthermore, industry demands constant improvements in reliability and productivity for the Ti6Al4V drilling process. However, due to the geometry of the drill tip, its movement and the operation's confinement, ensuring good control over drilling is not an easy matter. Efficient chip breakage and their subsequent evacuation during cutting are major issues for process reliability. Vibration Assisted Drilling involves adding axial oscillations to the conventional axial displacement of the drill. The cutting process is then periodically interrupted. The resulting chips are consequently fragmented and more easily evacuated than conventional chips. This new cutting process modify the thermomechanical conditions of the cutting zone. This can affect the microstructures of the Ti6Al4V drilled material. The subject of the proposed thesis is to establish correlations between the manufacturing process (cutting parameters, vibratory parameters, tool wear, lubrication) and the modification in terms of microstructure of the Ti6Al4V for drilling assisted application. An analysis of the close surface micro structural properties will allow to characterize the tool/material interaction in the cutting zone. A new methodology will be developed to gather the numerous cutting process indicators (cutting forces, temperature near the cutting zone) to identify an analytical model of the cutting process. In addition of this experimental study, a numerical modeling of the 3D cutting process will be made to characterize the thermomechanical cutting conditions. The Phd thesis will be made within the Material-process-interaction department, I2M institut, Bordeaux.