Caractérisation expérimentale et numérique du comportement mécanique et du profil d'usure des meules à liant vitreux

Experimental and numerical characterization of mechanical behavior and wear pattern of vitreous bonding grinding wheels

• Auteur / Autrice : Tyrone Cristóbal Pazmiño Franco
• Direction : Olivier Cahuc, Iñigo Pombo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Universidad del País Vasco
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Franck Girot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Raynald Laheurte, Martin Carpoforo, Madalina Calamaz, Jorge Alvarez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Brahim Ben Fathallah, Adriana-Gabriela Schiopu, Jean Bouyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragmentation

Usure (mécanique)

Propriétés mécaniques

Transition vitreuse

Meules (outils)

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Usure volumétrique

Rapport de broyage

Meules

Liaison vitreuse

Comportement mécanique

Numerical simulation

Volumetric wear

Grinding ratio

Grinding wheel

Vitreous bond

Mechanical behavior

Résumé

Le meulage est crucial dans la fabrication, garantissant la précision, la durabilité et la qualité de la surface. La meule, responsable de l’enlèvement de matière de la pièce, joue un rôle essentiel dans ce processus. Les progrès récents améliorent la durée de vie des outils, mais l'usure, en particulier la rupture des liaisons, a un impact sur les performances. Comprendre l’usure volumétrique est essentiel pour optimiser la rectification.Pour aborder la problématique de la rupture de liaison dans les meules en alumine vitrifiée et considérant l'influence de la résistance du liant lors du contact entre les grains et la pièce, cette recherche vise à caractériser l'évolution de l'usure volumétrique dans des conditions de contact de meulage. L'étude combine des approches expérimentales et numériques pour examiner le phénomène de rupture des liaisons.Des tests de meulage réels sont effectués pour isoler la rupture de liaison et étudier son apparition à l'aide de paramètres réels. Ce travail met l'accent sur l'importance des forces agissant sur la zone de contact et l'influence de la résistance du liant dans la génération de la rupture du lien. De plus, le test expérimental permet de contrôler les conditions de contact et d’étudier plus en détail le phénomène.De plus, une analyse numérique est réalisée, utilisant une nouvelle approche de simulation multi-échelle pour suivre l'évolution de la rupture des liaisons. L'approche multi-échelle intègre un modèle micro-échelle DEM (μSM) et la randomisation du modèle micro-échelle (RμSM) de la roue. Le μSM simule le champ de contrainte lors du contact, tandis que le RμSM tient compte de la localisation aléatoire des grains. Cette approche réduit le temps de calcul et détermine le nombre de grains perdus dans un ensemble de conditions de broyage données. Deux hypothèses basées sur les propriétés du liant présent dans chaque grain sont considérées. Il s’agit du premier modèle permettant de prédire l’usure volumétrique des meules.D'une part, l'hypothèse 1 de l'approche multi-échelle met à jour le comportement mécanique du liant au fur et à mesure de l'usure de la meule. Les résultats démontrent un bon accord entre les résultats expérimentaux et les résultats de simulation, avec un facteur de forme du grain de 6%. Cela met en évidence l’alignement entre le modèle numérique et le test expérimental. En revanche, l'hypothèse 2 de l'approche multi-échelle introduit un facteur d'endommagement dans le liant pour tenir compte de l'écart en pourcentage de pénétration critique dans chaque grain après chaque rotation de la roue. Les résultats des analyses expérimentales et numériques de l'usure radiale et du taux de meulage présentent un bon accord, le meilleur ajustement correspondant à une valeur de dommage de 0,7 %. Cependant, la recherche ne trouve aucune preuve que les températures élevées affectent le liant. Par conséquent, un modèle thermique est développé pour mettre en évidence l’influence de la température au sein du liant.Il a été supposé que les températures élevées atteintes au cours du processus pourraient potentiellement affecter la structure du liant. Cependant, les résultats du modèle thermique contredisent cette notion, démontrant que le liant subit des températures plus basses lors du broyage. Ainsi, la nature du processus rend très probable que des situations puissent survenir dans lesquelles le contact entre l'épaisseur des copeaux et le liant affecte les propriétés du liant par transfert de chaleur par conduction.En conclusion, cette thèse aborde le problème de la rupture de liaison dans les meules en alumine vitrifiée, en considérant l'influence de la résistance du liant lors du contact entre les grains et la pièce. Les recherches impliquent des tests expérimentaux et des simulations numériques pour caractériser l'usure volumétrique. Les résultats contribuent à l’optimisation du processus et mettent en lumière les facteurs affectant la longévité des roues.

Grinding is crucial in manufacturing, ensuring precision, durability, and surface quality. The grinding wheel, responsible for material removal from the workpiece, plays a critical role in this process. Recent advancements enhance tool life, but wear, particularly bond fracture, impacts performance. Understanding volumetric wear is essential for optimizing grinding.To address the issue of bond fracture in vitrified alumina grinding wheels and considering the influence of the strength of the binder during the contact between grains and workpiece, this research aims to characterize the evolution of volumetric wear under grinding contact conditions. The study combines experimental and numerical approaches to examine phenomenon of bond fracture.Real grinding tests are conducted to isolate bond fracture and investigate its occurrence using actual grinding parameters. This work emphasizes the significance of forces acting on the contact area and the influence of the strength of binder in generating bond fracture. Additionally, the experimental test allows to control contact conditions and further investigate the phenomenon.Furthermore, a numerical analysis of vitrified alumina grinding wheels is carried out, employing a novel multiscale simulation approach to track the evolution of bond fracture. The multiscale model integrates a DEM microscale model (μSM) and randomization of the microscale model (RμSM) of the wheel. The μSM simulates the stress field in the region of the wheel in contact with the workpiece, while RμSM accounts for the actual and random location of the grits. This approach reduces computational time and determines the actual number of grains lost under a set of given grinding conditions. Two hypotheses based on the properties of the binder in each grain are considered. This is the first model to predict the volumetric wear of grinding wheels.On the one hand, hypothesis 1 of the multiscale approach updates the mechanical behavior of the binder as the grinding wheel wears. The results demonstrate a good agreement between the experimental findings and the results obtained from the multiscale simulation, with a shape factor of the grain of 6%. This highlights the alignment between the numerical model and experimental test. On the other hand, hypothesis 2 of the multiscale approach introduces a damage factor in the binder to account for the percentage deviation of critical penetration in each grain after each rotation of the wheel. The results obtained from both experimental and numerical analyses of radial wear and grinding ratio exhibit a good agreement, with the best fit corresponding to a damage value of 0.7%. However, the research does not find evidence that high temperatures affect the binder. Consequently, a thermal model is developed to showcase the distribution and influence of the temperature within the binder.It has been speculated that the elevated temperatures reached during the grinding process may potentially affect the structure of the binder. However, the results from the thermal model contradict this notion, demonstrating that the binder experiences lower temperatures during the grinding. Thus, the nature of the process makes it highly likely that situations may arise where the contact between chip thickness and binder affect the properties of the binder through heat transfer by conduction.In conclusion, this thesis addresses the problem of bond fracture in vitrified alumina grinding wheels, considering the influence of the strength of binder during the contact between grains and workpiece. The research involves real grinding experimental tests and numerical simulations to characterize and understand volumetric wear. The findings contribute to the optimization of the grinding process and shed light on the factors affecting the performance and longevity of grinding wheels.