Etude des effets thermiques et mécaniques en usinage à sec 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

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

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

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

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

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

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 LUB Pièce Outil Copeau Opérateur Atelier Machine

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 outils Objectifs Prédiction de l’échauffement de la pièce et des efforts de coupe (2D et 3D) Comparaison entre usinage à sec et lubrifié – Critères d’usure, Qualité de pièce Usure outil Contraintes résiduelles Rugosité Echauffement

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

Modélisation 2D - 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 Vc, ap, f, angles d’outils et coupe Rayon d’arête Usure (dépouille) Matériau outil – pièce Re, E Conductivité Diffusivité thermique Copeau Zone 2 Outil Zone 1 Zone 3 Vc Pièce

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Modèle analytique pour zone 1 Bande de chaleur oblique se déplaçant dans un milieu semi-infini (Kommanduri)

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Modèle analytique pour zone 3 avec outil usé Bande de chaleur se déplaçant sur un milieu semi-infini (Jeager, Laheurte).

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Conservation de l’énergie mécanique en énergie thermique Calcul de Q1  : Loi de comportement matériau Johnson-Cook modifiée (Puigsegur) : Vitesse de déformation (Oxley, Puigsegur) Température pièce Efforts de coupe

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Calcul de Q3 Frottement de Coulomb - Charge constante Longueur du retour élastique Contact de Hertz Modèle proposé

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Exemple de simulation Températures observées

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Combinaison des sources de chaleur Q3 Q1

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Validation expérimentale Tournage d’un tube Pièce : C40 (AISI1040) Outil : DNMG 150608 P25 Vc=105 m/mn f=0.25mm/tr ap=2.5 mm Mesure : FLIR A40M ap Z X Piece Copeau Plaquette Vc Pièce Copeau Pointe outil Lignes mesure température Z Y Usure Dépouillle f Vc outil Camera IR

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Validation expérimentale : Imagerie IR

Modélisation 2D - 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 

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

Modélisation 3D - 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 1Tour 2Tours 3Tours

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

Modélisation 3D - Chariotage Thermique – Résultat de simulation 8mm après le passage de l’outil Phénomène d’accumulation de chaleur

Modélisation 3D - Chariotage Validation expérimentale – Imagerie IR Mesure 8mm sous la pointe outil (le copeau cache la pièce)

Modélisation 3D - 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

Usure outils Contexte et intérêt de l’usinage à sec Modélisations proposées en 2D et 3D 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

Usure – Usiner à sec ou avec lubrification ? Durée vie outil Exemple : Pièces C40 Outils WC P25 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=200m/mn) (usure en arête secondaire critique)

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

Usure - Critères Face en dépouille - Critères Lcont1 VBmax VB Lent Leff Y X Vc

Usure - Critères Face en dépouille - VB Paramètres de loi de Taylor différents pour Lub et Sec : Bris d’outil avant VBmax=0.3mm : critère limite insuffisant pour assurer l’utilisation

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

Usure - Critères Face en dépouille secondaire - critères Critères : cratère (fragilisation bec) et bris arête secondaire (Rugosité) Lcont2 KT LKT VB2 Z Y Bris arête 2 Vc Vf

Usure - Critères Face de coupe - Critères Critères : angle écoulement copeau, longueur contact (non constants) Z X c Lcontc Vf Bris arête 2

Usure – Exemples Face de coupe – Plastification 42CrMo4 Vc=200m/mn Sec : température outil et efforts importants : plastification

Usure - Exemples Rupture arête secondaire. Concentration de contraintes Carbures RmT=1/3RmC Propagation du phénomène

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

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

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

Qualité - Rugosité Outil neuf Très peu de différences avec/sans lubrification pour différentes avances

Premier bris arête secondaire Qualité - Rugosité Outil usé Profil caractéristique Limite suivant finition Rugosité Bris outil Rugosité théorique Temps Rodage Premier bris arête secondaire Bris bout bec

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.

Qualité - Rugosité Outil usé - Effondrement de l’arête de coupe Si l’effondrement d’arête dépasse 0.08mm, la rugosité augmente brutalement. Combinaison de critères d’usure.

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

Qualité – Contraintes résiduelles Avec ou sans lubrification Contraintes en traction plus importantes avec lubrification

Qualité – Contraintes résiduelles Tendances observées – Contraintes longitudinales Etendue importante (traction et compression), influence de f et Rε Contraintes longitudinales moins en traction que circonférentielles

Qualité - Bilan Interactions entre rugosité et contraintes résiduelles Pas d’interaction entre Ra et contraintes résiduelles f Vc Rε f

Bilan et Perspectives Bilan Perspectives : 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 3D avec outils usés Transposer à formes complexes (tournage) et coupe discontinue (fraisage) Comparer modèles analytiques proposés et modèles EF Modèles 3D numériques pour mieux caractériser l’interface outil pièce

Bilan et Perspectives Exemple de simulation EF (ABAQUS)

Merci de votre attention 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

Diapo supprimées

Diapo supprimées

Modélisation 2D - Coupe orthogonale Validation complète : efforts de coupe et température (à simplifier) Modélisation vérifiée pour différents Vc, f, VB et angles 

Modélisation 3D - Chariotage Validation – Efforts et températures (f et Rε) Tendances de la simulation en accord avec mesures

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)

Usure - Critères Face de coupe – Longueur Contact Moins de longueur en contact avec lubrification donc moins d’usure.

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

Qualité – Contraintes résiduelles Tendances observées – Contraintes circonférentielles Forte influence de f et Rε Traction uniquement