Etude des effets thermiques et mcaniques en usinage

Etude des effets thermiques et mécaniques en usinage à sec. Application à la qualité de la pièce en tournage. Guillaume COHEN Université de Toulouse – Institut Clément Ader Equipe : Surface Usinage Matériaux Outillages 21 Septembre 2009

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Plan de la présentation Contexte et intérêt de l’usinage à sec Modélisations proposées en 2 D et 3 D Usure des outils de coupe Qualité des pièces usinées Conclusions et Perspectives 2

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte et intérêt de l’usinage à sec § Introduction à l’usinage § Rôle de la lubrification § Objectifs du travail réalisé Modélisations proposées en 2 D et 3 D Usure des outils de coupe Qualité des pièces usinées Conclusions et Perspectives 3

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte - Usinage Réalisation de pièces par enlèvement de matière. Paramètres de coupe en tournage : Vc vitesse de coupe (N) f avance (Vf) ap profondeur de passe Rε rayon de bec outil § Faces fonctionnelles § Angles d’outil § Brise copeaux § Acuité d’arête Vf 4

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte - Usinage Spécifications fonctionnelles Productivité • Dimensions • Quantité de pièces • Positions • Qualité • Géométrie surfaces (rugosité) • Coût • Caractéristiques mécaniques et fatigue • Délais (dureté, contraintes résiduelles) Sécurité Tournage des aciers • Personnes • Biens Contraintes environnementales Accroissement de productivité : Lubrification 5

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte - Lubrification Objectifs de la lubrification § Evacuation des copeaux Mais § Refroidissement outil-copeau-pièce dégraissage copeau avant recyclage dégraissage pièce en en fin de phase § Diminution du frottement outil–copeau–pièce choc thermique important Suivi bacs, entretien, pompes… Machine Outil Pièce Lubrification Opérateur Contact, inhalation Atelier Copeau Alimentation, stockage, rejets… Usinage à sec 6

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte - Usinage à sec Avantages de l’usinage à sec : § Baisse des coûts directs et indirects de 7 à 15 % sur durée d’utilisation machine • Achat, stock, vidanges, recyclage, nettoyages, suivi des bacs … § Ecologique • Production, stockage, acheminement, recyclage … § Amélioration environnement du travail • Maladies professionnelles liées au lubrifiant : contact (dermites), inhalation (asthme) Problématiques soulevées : § Echauffement zone de coupe § Frottement outil copeau pièce § Qualité de pièce § Poussières Machine Pièce Outil LUB Opérateur Atelier Copeau 7

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Contexte – Objectifs visés Elévation de température dans la zone de coupe § Dégradation de la surface de la pièce usinée : écrouissage, contraintes résiduelles et rugosité. Usure outil § Usure outils Contraintes résiduelles Echauffement Rugosité Objectifs Prédiction de l’échauffement de la pièce et des efforts de coupe (2 D et 3 D) Comparaison entre usinage à sec et lubrifié – Critères d’usure, Qualité de pièce 8

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisations Contexte et intérêt de l’usinage à sec Modélisations proposées en 2 D et 3 D § Modélisation en coupe orthogonale § Modélisation en chariotage § Validations expérimentales Usure des outils de coupe Qualité des pièces usinées Conclusions et Perspectives 9

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Zones en coupe orthogonale § Cisaillement primaire (Zone 1) : zone de création du copeau § Zone secondaire (Zone 2) : frottement interface outil copeau (effet négligé) § Zone tertiaire (Zone 3) : frottement interface outil pièce Paramètres de coupe Copeau § Vc, ap, f, angles d’outils et coupe Zone 2 § Rayon d’arête § Usure (dépouille) Outil Zone 1 Matériau outil – pièce Zone 3 § Re, E § Conductivité Vc Pièce § Diffusivité thermique 10

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Modèle analytique pour zone 1 Bande de chaleur oblique se déplaçant dans un milieu semi-infini (Kommanduri) 11

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Modèle analytique pour zone 3 avec outil usé Bande de chaleur se déplaçant sur un milieu semi-infini (Jeager, Laheurte). 12

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Conservation de l’énergie mécanique en énergie thermique Calcul de Q 1 : Loi de comportement matériau Johnson-Cook modifiée (Puigsegur) : Vitesse de déformation (Oxley, Puigsegur) Température pièce Efforts de coupe 13

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Calcul de Q 3 § Frottement de Coulomb - Charge constante Longueur du retour élastique § Contact de Hertz Modèle proposé 14

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Exemple de simulation Températures observées 15

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Combinaison des sources de chaleur Q 3 Q 1 16

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Validation expérimentale § Tournage d’un tube ap • Pièce : C 40 (AISI 1040) • Outil : DNMG 150608 P 25 Z • Vc=105 m/mn • f=0. 25 mm/tr X Piece Copeau • ap=2. 5 mm § Mesure : • FLIR A 40 M Pièce Z Y Pointe outil f Copeau outil Vc Camera IR Usure Dépouillle Plaquette Vc Lignes mesure température 17

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Validation expérimentale : Imagerie IR 18

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Validation expérimentale VB faible : Cisaillement primaire prépondérant, mais durée d’échauffement plus longue VB important : Température pièce supérieure et durée supérieure Validation vérifiée pour différents VB, Vc, f, et angles 19

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Evacuation du copeau – angle d’écoulement Détermination des efforts de coupe 3 D depuis le 2 D (Arsecularatne) Limite usure sur arête secondaire – Restriction diagramme brise copeau Exemple pour R‘ =30° et R =90° 20

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Thermique Objectif : prédiction de la température de la pièce Modélisation : Transformer le passage d’un outil sur la pièce en rotation par plusieurs sources ponctuelles en translations décalées sur un plan us 1 Tour 2 Tours 3 Tours 21

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Thermique – Exemple de simulation (16 tours) 0, 5 y en mm 0, 4 T en °C Température point ORI 0, 3 0, 2 0, 1 Ori 0 Nb de tours Génératrice du cylindre après 8 mm et 16 tours d’usinage 22

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Thermique – Résultat de simulation 8 mm après le passage de l’outil Phénomène d’accumulation de chaleur 23

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Validation expérimentale – Imagerie IR Mesure 8 mm sous la pointe outil (le copeau cache la pièce) 24

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Validation – Efforts et températures (Vc et ap) Peu d’influence de Vc sur efforts et température, corrélation avec simulation Prédiction possible des températures et efforts validée pour Vc, ap, f, Rε 25

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure outils Contexte et intérêt de l’usinage à sec Modélisations proposées en 2 D et 3 D Usure des outils de coupe § Durée de vie § Modes d’endommagements d’outils § Suivi des critères d’usure § Rupture d’arête secondaire Qualité des pièces usinées Conclusions et Perspectives 26

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure – Usiner à sec ou avec lubrification ? Durée vie outil § Exemple : • Pièces C 40 • Outils WC P 25 • non revêtus § Analyse : Vc importante, la lubrification retarde la fin de vie d’outil (sollicitations thermiques et mécaniques importantes). Vc faible, usiner à sec peut devenir plus intéressant (ici +30% , Vc=200 m/mn) (usure en arête secondaire critique) 27

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Mécanismes Elévation de température dans la zone de coupe Taux d’usure global augmente avec température Importance des modes d’usure fonction de la température 28

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face en dépouille - Critères Lcont 1 VBmax Lent VB Vc Leff Y X 29

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face en dépouille - VB Paramètres de loi de Taylor différents pour Lub et Sec : Bris d’outil avant VBmax=0. 3 mm : critère limite insuffisant pour assurer l’utilisation 30

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face en dépouille – Effondrement arête Inflexion effondrement d’arête : + de 50% temps d’usinage consommé Vérifié pour différents Vc, f et ap 31

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face en dépouille secondaire - critères Vf Vc VB 2 Z KT Y Bris arête 2 Lcont 2 LKT Critères : cratère (fragilisation bec) et bris arête secondaire (Rugosité) 32

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face de coupe - Critères Vf c Lcontc X Z Bris arête 2 Critères : angle écoulement copeau, longueur contact (non constants) 33

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure – Exemples Face de coupe – Plastification 42 Cr. Mo 4 Vc=200 m/mn Sec : température outil et efforts importants : plastification 34

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Exemples Rupture arête secondaire. Concentration de contraintes Carbures Rm. T=1/3 Rm. C Propagation du phénomène 35

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Exemples Face de coupe - Bilan Bris arête secondaire → Modification angle écoulement copeau → Augmentation longueur de contact outil/copeau → Dégradation du bec → Bris outil Limite utilisation outil : combinaison de critères d’usure 36

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité des pièces Contexte et intérêt de l’usinage à sec Modélisations proposées en 2 D et 3 D Usure des outils de coupe Qualité des pièces usinées § Rugosité § Contraintes résiduelles § Interactions entre rugosité et contraintes résiduelles Conclusions et Perspectives 37

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité de la pièce Critères de « qualité » de pièce usinée : § Géométriques : états de surface, dimensions. Assemblage, Fatigue. • Rugosité : Rt, Ra, directement dépendants de géométrie coupe (Rε, f). • Dimensions : faible effet direct car source localisée et rapide. § Métallurgiques : contraintes résiduelles. Fatigue (traction), Corrosion, Brûlure 38

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité - Rugosité Outil neuf Très peu de différences avec/sans lubrification pour différentes avances 39

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité - Rugosité Outil usé Rugosité théorique Temps Rodage Premier bris arête secondaire Bris bout bec Bris outil Profil caractéristique Limite suivant finition 40

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité - Rugosité Outil usé - Usure en dépouille La rugosité augmente avec l’usure (modification géométrie coupe) Différence entre sec/lub : VB critique n’est pas le même. Pas critère dominant pour modification de Ra. 41

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité - Rugosité Outil usé - Effondrement de l’arête de coupe Si l’effondrement d’arête dépasse 0. 08 mm, la rugosité augmente brutalement. Combinaison de critères d’usure. 42

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité – Contraintes résiduelles Mécanismes Contraintes Origine Circonférentielles Longitudinales Thermique +++ + Fc ++ ++ Ff -- + - Exemple thermique Contraintes résiduelles en traction (Problème !) Contrainte Traction (+) Compression (-) Fp Refroidissement sans déformation Limite élastique Température Echauffement sans déformation Dilatation impossible 43

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité – Contraintes résiduelles Avec ou sans lubrification Contraintes en traction plus importantes avec lubrification 44

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité – Contraintes résiduelles Tendances observées – Contraintes longitudinales Etendue importante (traction et compression), influence de f et Rε Contraintes longitudinales moins en traction que circonférentielles 45

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité - Bilan Interactions entre rugosité et contraintes résiduelles f Vc Rε f Pas d’interaction entre Ra et contraintes résiduelles 46

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Bilan et Perspectives Bilan § Usiner à sec : diminue les contraintes résiduelles en traction (tenue en fatigue) § Usiner à sec : possible mais accélère l’usure des outils § Usiner à sec ou lubrifié n’a aucune influence sur la rugosité avec outil neuf § Pas d’interactions entre rugosité et contraintes résiduelles § Identification d’un mode d’endommagement critique sur l’arête secondaire § Modélisation thermomécanique en coupe orthogonale, avec prise en compte de l’usure en dépouille de l’outil. § Modélisation thermomécanique du chariotage Perspectives : § Terminer les mesures contraintes résiduelles pour découplage des effets thermiques et mécaniques § Terminer l’analyse et la validation du modèle 3 D avec outils usés § Transposer à formes complexes (tournage) et coupe discontinue (fraisage) § Comparer modèles analytiques proposés et modèles EF § Modèles 3 D numériques pour mieux caractériser l’interface outil pièce 47

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Bilan et Perspectives Exemple de simulation EF (ABAQUS) 48

Etude des effets thermiques et mécaniques en usinage à sec. Application à la qualité de la pièce en tournage. Merci de votre attention Guillaume COHEN Université de Toulouse – Institut Clément Ader Equipe : Surface Usinage Matériaux Outillages 21 Septembre 2009

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Diapo supprimées 50

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Diapo supprimées 51

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 2 D - Coupe orthogonale Validation complète : efforts de coupe et température (à simplifier) Modélisation vérifiée pour différents Vc, f, VB et angles 52

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Modélisation 3 D - Chariotage Validation – Efforts et températures (f et Rε) Tendances de la simulation en accord avec mesures 53

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Mécanismes Elévation de température dans la zone de coupe § Augmentation de l’usure des outils de coupe (mécanique, métallurgique, chimique, collages). § Exemple de la dureté des revêtements outils (fragilisation de l’outil) 54

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face de coupe – Longueur Contact Moins de longueur en contact avec lubrification donc moins d’usure. 55

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Usure - Critères Face en dépouille secondaire – KT à virer ? Rôle du lub : diminution du coefficient de frottement donc de l’abrasion! 56

Contexte : : Modélisations : : Usure : : Qualité pièce : : Conclusion Qualité – Contraintes résiduelles Tendances observées – Contraintes circonférentielles Forte influence de f et Rε Traction uniquement 57