Étude et modélisation du brochage de forme dans un superalliage à base de nickel.

Study and modelling of complex shape broaching operations in a nickel-based superalloy.

• Auteur / Autrice : Côme Legrand
• Direction : Guillaume Fromentin, Gérard Poulachon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés de fabrication - Génie mécanique (AM)
• Date : Soutenance le 07/04/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire) - Laboratoire bourguignon des matériaux et procédés (Cluny, Saône-et-Loire)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Joël Rech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Fromentin, Gérard Poulachon, Joël Rech, Gilles Dessein, Michaël Fontaine, Sébastien Campocasso, Mickael Rancic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Dessein, Michaël Fontaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Brochage (mécanique)

Nickel -- Alliages

Mécanosynthèse

Mots clés libres

Brochage

Modélisation

Superalliage

Broaching

Modelling

Superalloy

Résumé

Le brochage est un procédé d’usinage particulier car le choix des conditions de coupe et de la stratégie d’usinage est décidé en amont lors du travail de conception des outils. Les règles définies dans la bibliographie pour concevoir de nouveaux éléments de broche sont bien souvent basées sur des savoir-faire métiers issus de retours d’expérience et non de démarches scientifiques. Le cas d’étude de ce mémoire est la fabrication des alvéoles qui servent de point de fixation pour les aubes sur les disques de turbine en superalliage à base de nickel. Une démarche scientifique est proposée dans le but d’améliorer la compréhension du brochage et ceci notamment dans le cas des outils de finition qui usinent des formes complexes. Cette démarche est basée sur le développement de différents modèles phénoménologiques. Une première étape essentielle pour l’optimisation des outils de brochage est la modélisation des efforts de coupe. La méthodologie utilisée se base sur la discrétisation des arêtes de coupe. La description de la formation des copeaux permet de s’intéresser à la conception des chambres à copeaux. Ces dernières stockent entre deux dents successives les copeaux le temps de l’usinage. L’étude de la formation des bavures lors de leur accumulation en fin de pièce permet ensuite de s’intéresser à des aspects liés à l’intégrité de surface. Deux expérimentations instrumentées développées pour les besoins de l’étude alimentent les modèles et servent au processus de validation. La première expérimentation sert à réaliser une opération de brochage avec les moyens disponibles au laboratoire LaBoMaP afin de mesurer les efforts de coupe via une platine de mesure d’efforts. La seconde expérimentation permet d’observer en rabotage, le développement des copeaux ainsi que l’accumulation des bavures passe après passe, à l’aide de deux caméras et d’un profilomètre laser. A l’issue de ce travail d’investigation, des outils d’ébauche et de finition ont été conçus, fabriqués et testés afin de valider les méthodologies proposées. Les résultats obtenus avec de nouveaux outils optimisés sont probants.

Broaching is a particular machining process because the cutting conditions and strategy are defined during the design process of the tools. Common admitted rules in the bibliography, used to design new broaching elements, are often based on savoir-faire coming from experiences feedback and not scientific approaches. The case study of this PhD Thesis is the manufacturing in a nickel-based superalloy of turbine disks slots used for holding blades. A Scientific approach is suggested to improve the understanding of broaching and especially the finishing tools machining complex shapes. This scientific approach is based on the development of phenomenological models. A first fundamental step for broaching tools optimisation is cutting forces modelling. The methodology used is based on the cutting edges discretisation. The description of chips formation is developed to improve the gullet spaces designs. Gullet spaces retain the chips between two successive teeth during machining. The study of burrs formation while accumulating at the end of the workpiece, enable to model some surface integrity issues. Two experimental devices designed and built for the study needs, provide the observations and measured values needed by the models and are used to confirm some results of the developed models. Cutting forces measurements during a broaching operation is made possible by the first experiment, using the means available in the LaBoMaP laboratory and via a force sensor. The second experiment allows the observation during a planning experiment of chips formation and burrs accumulation pass after pass, thanks to two different cameras and a laser profilometer. At the end of this investigation work, some roughing and finishing tools have been designed, manufactured and tried to validate the proposed methodologies. Convincing results are obtained with new optimised tools.