Développement d'une stratégie de modélisation 3D pour prédire efficacement l'usure des outils de coupe en surfaçage de 15-5PH

Development of a 3D modelling strategy to predict efficiently cutting tool wear in face milling of 15-5PH

• Auteur / Autrice : Grégory Methon
• Direction : Joël Rech
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 23/09/2022
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Stefania Bruschi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Rech, Rachid M'saoubi, Mathieu Girinon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aldo Attanasio, Volker Schulze

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usure (mécanique)

Mots clés libres

Simulation numérique

Modélisation par éléments finis

Fraisage

Frottement

Modélisation 3D

Usinage

Usure d'outil

Acier inoxydable

Numerical simulation

3D modeling

Tool wear

Friction

Finite Element Modeling

Machining

Milling

Stainless steel

Résumé

Avec la mondialisation des marchés, les fabricants n'ont d'autre choix que de modifier leur façon de concevoir et d'innover. Un besoin croissant d'outils flexibles et prédictifs se fait clairement sentir afin de non seulement réduire les étapes de développement et d'optimisation mais aussi de limiter les campagnes de validation expérimentales lourdes et d'aider à la prise de décision. La simulation numérique apparaît comme un outil pertinent répondant à ces critères et capable de relever ce défi. Le fraisage est l'une des opérations d'usinage les plus utilisées dans l'industrie. Elle permet de traiter des pièces de formes complexes pour de nombreux secteurs industriels clés. Bien que considéré comme un processus connu, le fraisage n'est pas encore totalement maîtrisé, notamment en ce qui concerne les matériaux difficiles à usiner et les problèmes de durée de vie des outils. Par conséquent, être capable de prédire la durée de vie de l'outil et les conditions de coupe optimales pour toute combinaison de système d'outil de coupe et de matériau de travail est clairement une question de recherche d'actualité.Ce travail a proposé de mettre en place une stratégie innovante pour prédire efficacement l'usure de l'outil dans le fraisage frontal de l'acier inoxydable martensitique 15-5PH. Après une campagne expérimentale extensive visant à mieux comprendre l'usinabilité de cet acier en fraisage, l'objectif principal était de construire une méthodologie capable de traiter des géométries 3D et des trajectoires d'outils complexes dans un temps de calcul industriellement acceptable. Une nouvelle approche numérique 3D a été développée, basée sur la discrétisation du bord de coupe de l'outil en sections élémentaires 2D. Un modèle de coupe par éléments finis ALE 2D a été utilisé pour calculer en parallèle la pression de contact locale, la vitesse de glissement et la température le long de chaque section. Une équation d'usure élémentaire a été appliquée pour calculer le taux d'usure local après un incrément de temps donné et simuler tous les profils d'usure 2D. Ces derniers ont été fusionnés pour générer la géométrie 3D actualisée de l'outil usé, tandis qu'une procédure itérative a été menée pour simuler l'évolution de la géométrie de l'outil de coupe pendant une longue période de coupe. Des données d'entrée tribologiques cohérentes ont dû être mises en oeuvre pour obtenir une simulation d'usure robuste. Des tests expérimentaux ont été réalisés sur un tribomètre ouvert afin d'identifier les équations de friction et d'usure correspondantes.Enfin, la comparaison entre les observations expérimentales et les résultats numériques en fraisage a révélé une bonne corrélation en termes de longueurs de contact, d'épaisseur de copeaux et des efforts de coupe. Plusieurs équations d'usure ont été appliquées montrant le potentiel de cette méthodologie 3D mais confirmant également le besoin d'une meilleure caractérisation de l'interaction tribologique outil-matériau.

With the globalization of markets, manufacturers have no choice but to modify their way of designing and innovating. A growing need for flexible and predictive tools is clearly rising in order not only to reduce the development and optimization steps but also to limit extensive experimental validation campaigns and support decision making. The numerical simulation appears as a relevant tool meeting these criteria and able to take up this challenge. Milling is one of the most widely used machining operations in the industry. It enables to process complex shaped parts for many key industrial sectors. Although considered as a known process, milling is still not fully under control, especially when difficult-to-cut materials and tool life issues are concerned. Therefore, being able to predict tool life and the optimal cutting conditions for any combination of cutting tool system and workmaterial is clearly an up-to-date research issue.This work proposed to set up an innovative strategy to efficiently predict tool wear in face milling of 15-5PH martensitic stainless steel. After an extensive experimental campaign directed towards a deeper understanding of its machinability in milling, the main objective was to build a methodology able to deal with complex 3D geometries and tool paths in an industrially acceptable computing time. A new 3D numerical approach was developed based on the discretization of the tool cutting edge in 2D elementary sections. A 2D ALE finite element cutting model was employed to compute in parallel the local contact pressure, sliding velocity and temperature along each section. An elementary wear equation was applied to compute the local wear rate after a given time increment and simulate all the 2D worn profiles. The latter were merged to generate the updated 3D geometry of the worn tool, while an iterative procedure was conducted to simulate the evolution of cutting tool geometry during a long cutting period. As consistent tribological input data had to be implemented to achieve a robust wear simulation. Experimental tests were performed on an open tribometer to identify the corresponding friction and wear equations.Finally, comparison between experimental observations and numerical results in milling revealed a good correlation in terms of contact lengths, chip thickness and cutting forces. Several wear equations were applied showing the potential of this 3D methodology but also confirming the need of a better characterization of the tool material tribological interaction.