Academic literature on the topic 'Outils de coupe pour métaux – Matériaux'

Ces progrès dans le domaine des matériaux font apparaître des outils coupants de nature nouvelle susceptibles d'améliorer la productivité des techniques d'usinage automatisé. Ceur mise en œuvre nécessite des expérimentations spécifiques pour évaluer leurs conditions d'emploi optimales. Cette étude contribue à cet objectif. Le chapitre I présente diverses études antérieures sur les mécanismes fondamentaux du processus d'usinage par coupe, et notamment les effets thermiques,qui sont déterminants pour le comportement des matériaux. Dans le " chapitre II sont décrits les modes de dégradation de divers matériaux coupants modernes et leurs répercutions sur les paramètres mécaniques du processus ainsi que les possibilités de surveillance de l'évolution d'usure sur la base de ces paramètres. L'évaluation des possibilités d'une méthode de détermination des capacités de coupe des outils à partir d'essais accélérés fait l'objet du chapitre III Enfin, les chapitres IV et V présentent l'amorce d'une étude ultérieure pour la détermination du champ thermique dans la zone de coupe par une méthode d'éléments finis, ainsi que la conclusion générale de l'étude.

Les céramiques à base d’Al2O3 et de 3Y-ZrO2 à structures submicroniques présentent, au vu de leurs propriétés physiques et mécaniques, un fort potentiel pour l’usinage de composites en bois. Neuf nuances ont été développées par coulage-gélification (CG) et par pressage isostatique à froid (CIP). Elles ont ensuite été testées en usinage dans des conditions industrielles de coupe. L’objectif de la thèse a été la compréhension, à partir de ces résultats, des mécanismes d’usure, afin d’identifier les propriétés physiques et mécaniques nécessaires pour l’usage d’un matériau nouveau pour cette application. Des outils prototypes de fraisage et de tournage ont été conçus. L’état d’endommagement et les contraintes résiduelles dans la céramique, dus aux étapes de fabrication des prototypes, ont été déterminés. Les résultats des expérimentations de coupe montrent que différents mécanismes opèrent sur l’usure des céramiques. Pour les nuances d’alumine, l’usure de l’arête se fait par arrachement cyclique de grains, tandis que les nuances à base de zircone se déforment plastiquement. Il apparaît que les propriétés physiques, telles que la taille de grain et la densité, sont prédominantes sur les propriétés mécaniques. L’utilisation de céramiques à structure submicronique avec des densités supérieures à 99 % améliore les performances en usinage. C’est la nuance Al2O3-10 % ZrO2 produite par CG qui a montré la meilleure résistance à l’usure. Lors de l'affûtage et de la coupe, l'oxyde de zirconium non stabilisé opère un changement de phase qui induit des contraintes de compression au sein de la microstructure et augmente ainsi la résistance micromécanique des joints de grain
High mechanical properties of sub-μm grain Al2O3 and 3Y-ZrO2 present high potential for the cutting of wood-based materials. Nine grades were produced by gelcasting (GC) and cold isostatic pressing (CIP). They were tested in real industrial conditions. From those results, this thesis’ aim was to highlight the wear mechanisms in cutting, and then deduce major physical and mechanical properties that are task of material development. Consequently, prototypes for cutting trials have been developed. As a result, the manufacturing of prototype tools, X-Ray diffraction, analytical and numerical investigations were performed to quantify residual stress that occurred in ceramic. Observation of the results of experimentations in machining showed different wear modes. For alumina’s grade, single grain pull-out was the main wear mechanism of the cutting edge, while microplastic deformation occurred in zirconia’s composition. Physical properties of ceramic structure, like grain size and density, are more important than mechanical properties. To improve cutting lifetime, density must be higher than 99%, with a structure with sub-μm grain size. It appeared that there was a predominant role of micromechanical stability while cutting abrasive materials. Fracture toughness or thermal shock resistance seem to have marginal influence when ceramic were produced by low-defect process like GC. Regarding all ceramic grades the Al2O3-10ZrO2 made by GC showed the highest wear resistance in machining. Unstabilized zirconia brought micromechanical stability between grains of the cutting edge while working

Le travail présenté s'inscrit dans le cadre de l'amélioration du procédé de fraisage des pièces de formes complexes. L'objectif est de réduire les perturbations lors de l'usinage pour obtenir une meilleure rugosité sans augmenter le temps de fabrication. L'étude est menée pour du fraisage 5-axes avec des outils toriques à plaquettes rondes très adaptées pour les pièces considérées. La première partie de l'étude met en place un modèle d'efforts de coupe avec une inclinaison de l'axe de l'outil vers l'arrière. Elle débouche sur la formulation de l'équilibrage de l'effort de coupe transversal qui apporte une amélioration du comportement dynamique de l'outil. La deuxième partie propose un positionnement d'outil hors interférence et une stratégie d'usinage associés au critère " équilibrage de l'effort de coupe transversal ". La méthode est validée globalement sur un exemple complet d'usinage de surface gauche
The presented work consists to improve milling process of sculptured surfaces. The aim is to reduce disturbances during machining in order to obtain a better surface roughness without increasing the manufacturing time. The study was conducted in 5-axis milling for torus cutter with round inserts suitable for the considered parts. The first part of this study establishes a cutting force model with a tool axis inclination towards the back of the tool. It leads to a formulation to balance the transversal cutting force that brings a significant improvement on tool dynamic behaviour. The second part presents a free gouging tool positioning and an associated strategy using the balance of transversal cutting force. The proposed method is globally validated on a complete example of sculptured surface machining

Le perçage profond (Lu >= 5 x Øoutil) à l'aide de la technologie BTA (Boring Trepanning Association) intervient lorsqu'on souhaite fabriquer des pièces avec un bon rendement productif associé à une bonne qualité d'usinage. Les industries mécaniques évoluent dans un contexte de concurrence perpétuelle, avec des exigences technico-économiques toujours plus importantes. Cette étude résulte donc de la volonté de plusieurs acteurs industriels (AREVA et CIRTES) et universitaire (LEMTA, Université de Lorraine), de faire progresser la compréhension des mécanismes d'usinage qui régissent ce procédé. Une analyse bibliographique approfondie a révélé que cette technologie propose un champ d'investigation très vaste et relativement peu exploré car difficile à appréhender et à étudier. Le but de ce travail est d'analyser et de modéliser les phénomènes ayant lieu au cours d'une opération de perçage profond. Une analyse de la morphologie des copeaux a permis d'introduire un nouveau paramètre permettant d'évaluer les contraintes mécaniques subies par le matériau usiné. L'approche proposée permet quant elle de définir le torseur des contraintes mécaniques en intégrant la géométrie effective de coupe, et ce pour toutes les surfaces de coupe actives d'une tête de forage BTA. Les principes des modélisations utilisées permettent une application relativement aisée à de nombreux matériaux et à partir de l'identification d'un minimum de paramètres. Des moyens expérimentaux originaux ont permis d'identifier des paramètres ainsi que d'ajuster et d'étudier la validité des modélisations. Les limitations de la loi de comportement utilisée ont été mises en évidences, et des perspectives d'études complémentaires ont donc été proposées.Néanmoins, l'ensemble des résultats issus de cette étude ouvrent, modestement, des perspectives intéressantes, notamment dans le domaine d'aide aux choix des paramètres de coupe optimaux, et pour l'aide à la compréhension des phénomènes physiques de la coupe
Deep drilling (Drilling distance >= 5 x Øtool) with BTA system (Boring Trepanning Association) occurs when you produce parts with good productive performance combined with good machining quality. Mechanical industries operate in a context of constant competition, with ever greater technical and economic requirements. This study illustrates the desire of many industrial players (AREVA and CIRTES) and university (LEMTA, Université de Lorraine), to advance in the understanding of machining mechanisms that govern this process. A literature review revealed that this technology offers a vast and relatively unexplored field of investigation and study. The aim of this study is to analyze and modelling the phenomena which occurring in a deep drilling operation. An analysis of the morphology of the chips has introduced a new parameter for assessing the mechanical stresses suffered by the material being machined . The proposed approach allows to define the mechanical stress torsor by integrating the real cutting geometry, for all cut surfaces of active drilling head BTA. The principles of modeling used allow a relatively easy application to many materials and from the identification of a minimum parameters. Original experimental methods have allowed the identification of parameters and adjust and examine the validity of modeling. The limitations of the law of behavior have been used in evidence, and the prospects for further studies have been proposed. Nevertheless, all the results of this study open, modestly, interesting perspectives, especially in the field of helping for the choice of optimum cutting parameters, and help in the understanding of the physical phenomena of the cut

En raison de sa grande dureté et sa résistance à l'usure, le carbure de tungstène avec liant cobalt (WC-Co) est le matériau incontournable pour la fabrication des outils d’usinage, des outillages de découpe et de formage, ainsi que des pièces d'usure nécessitant une dureté importante et une grande précision. La modification de la microstructure du carbure de tungstène, et plus particulièrement sa teneur en cobalt suscite aujourd’hui le plus grand intérêt de la part des fabricants pour développer de nouvelles nuances plus performantes et ainsi gagner de nouveaux parts de marché. Cette thèse propose d’étudier l’effet de la teneur en cobalt des outils carbure sur les grandeurs mesurées et les mécanismes d’usure lors de l’usinage des superalliages durs à base de titane (Ti-6Al-4V). Le travail de recherche, à la fois expérimental et numérique, est consacré d’une part à la compréhension des mécanismes microscopiques d’endommagement conduisant à l’usure macroscopique du composite WC-Co, et d’autre part à l’influence de la teneur en cobalt sur le comportement du WC-Co en tenant compte du couplage mécanique-microstructure-endommagement. Sur la base d’une analyse expérimentale, l’identification des phénomènes physiques macroscopiques et microscopiques mis en jeu aux niveaux des interfaces de contact outil/copeau et outil/pièce a été conduite. A cet effet, des essais d’usinage ont été réalisés dans un premier temps sur le couple outil-matière WC-Co/Ti-6Al-4V avec différentes teneurs en cobalt pour les outils. Dans un deuxième temps, une caractérisation tribologique, du même couple outil-matière, a été menée afin d’évaluer l’influence de la teneur en cobalt et les conditions de contact (vitesse de glissement, effort appliqué) sur le coefficient de frottement et l’usure. Toutefois, l’inaccessibilité des zones de contact pendant l’usinage et les essais tribologiques n’ont pas permis une description complète des mécanismes d’usure observés qu’ils soient macroscopiques (collage, abrasion, déformation, ...), ou microscopique (fissuration, endommagement des phases WC, Co). La simulation numérique par éléments finis s’est avérée alors un outil complémentaire intéressant pour l’analyse de ces mécanismes d’usure. Notre stratégie de modélisation s’est intéressée à la réponse du WC-Co à l’échelle de la microstructure sous un chargement thermomécanique représentatif de l’usinage. Le modèle proposé tient compte du comportement des phases WC et Co séparément et celui des interfaces WC-WC et WC-Co. Cette stratégie a permis d’étudier et identifier les paramètres influant sur le comportement de la microstructure depuis la phase élastique jusqu’à l’initiation de l’endommagement. Un bon accord a été obtenu entre les résultats du comportement numérique à l’initiation de l’endommagement dans la microstructure et ceux des observations expérimentales en termes d’effets de la teneur en cobalt dans le carbure de tungstène et des conditions d’usinage appliquées
Due to their high hardness and wear resistance, cemented carbide (WC-Co) is the main material used to manufacture machining tools and forming tooling, as well as wear parts requiring high hardness and high precision. The modification of tungsten carbide microstructure, and more particularly its cobalt content, is currently attracting the greatest interest from manufacturers to develop new grades tools with high performance, and then expand new markets.This thesis aims to study the effect of the cobalt content of carbide tools on the measured values and wear mechanisms when machining hard superalloys such as the aeronautical titanium alloys Ti-6Al-4V. Both experimental and numerical research work are devoted on one hand to the understanding of the microscopic damage mechanisms leading to the macroscopic wear of the WC-Co composite and on the other hand, to the influence of the cobalt content on the behavior of the WC-Co taking into account the mechanical-microstructure-damage coupling.On the basis of an experimental analysis, the identification of the macroscopic and microscopic physical phenomena involved at the tool/chip and tool/workpiece contact interfaces was conducted. Machining tests were firstly carried out on the tool-material couple WC-Co/Ti-6Al-4V with different cobalt contents for the tools (from 6 to 15%). In a second step, a tribological characterization of the same tool-material couple was carried out to evaluate the influence of the cobalt content and the contact conditions (sliding speed, applied force) on the friction coefficient and wear. However, the inaccessibility of the contact zones during machining and the tribological tests did not allow a complete description of the wear mechanisms observed, whether macroscopic mechanisms (adhesion, abrasion, deformation, ...), or microscopic mechanisms (cracking, damage of the WC and Co phases). The numerical simulation using finite elements (FE) proved to be a very interesting complementary tool for the analysis of these wear mechanisms.Our modeling strategy focused on the response of WC-Co at the microstructure scale for the thermomechanical loading close to that obtained by machining. The proposed model takes into account the behavior of the WC and Co phases separately and that of the interfaces WC-WC and WC-Co of the composite. This strategy allowed to study and identify parameters influencing the behavior of the microstructure from the elastic stage to the damage initiation. A good agreement was obtained between the results of the numerical behavior at the initiation of damage in the microstructure and those of the experimental observations in terms of the effects of the cobalt content in the tungsten carbide and of the applied machining conditions

Les composites utilisés dans l'industrie aéronautique sont hétérogènes. Ils sont composés d'une matrice polymère souple et ductile et d'un renfort dur et fragile. Les différentes phases ainsi que l'anisotropie du matériau peuvent rendre l'usinage de ces matières, difficile. Deux problèmes majeurs peuvent être rencontrés lors de l'usinage : garder l'intégrité de la matière usinée et réduire l'usure de l'outil de coupe. Les niveaux de qualité demandés dans le secteur aéronautique imposent une coupe sans défaut, ces derniers pouvant entrainer une altération ultérieure de la pièce. Les principaux défauts rencontrés sont : le délaminage des plis, la surchauffe de la résine, les plis non coupés francs ou l'écaillage
Aeronautic composites are inhomogeneous and most often consist in two distinctly phases. The reinforcement fibres are relatively hard and brittle whereas the matrix is soft and ductile. The anisotropy causes some severe challenges when machining composites. People in the field often experience a trade-off between two main problems ; on one hand, keeping the composite parts integrity and quality, and on the other hand, reducing the wear of the cutting tools. The quality level required in aeronautic applications imposes a high quality cut of machined parts. Common defects that may occur during machining of these materials are delamination, overheat of the resin, uncut fibres, and fibre pull-out

Cette thèse porte sur la modélisation des vibrations de l'outil en coupe orthogonale, l'étude de stabilité du processus et la validation expérimentale. Dans ce travail, un modèle à un seul, puis à deux degrés de liberté du processus vibratoire a été développé. Pour des conditions de coupe données, il est possible d'estimer les efforts de coupe instantanés, d'obtenir la réponse dynamique de l'outil et donc l'état de surface final, et de prévoir la limite de stabilité du processus caractérisée par des lobes. Différents effets couplés ont été pris en compte tels que : le frottement à l'interface outil-copeau fonction de la vitesse du copeau, les variations de la quantité de matière usinée dues aux ondulations de la surface à usiner associées aux oscillations de l'outil, les variations instantanées de l'angle de coupe et de dépouille, l'effet de la pente de la surface à usinersur l'angle de cisaillement et le contact en dépouille de l'outil avec la surface nouvellement usinée.

On présente un modèle numérique tridimensionnel de simulation de la coupe orthogonale et oblique des métaux basé sur une approche Eulero-Lagrangienne-arbitraire (ALE). L'utilisation d'un formalisme ALE permet une réactualisation continue des surfaces libres et de contact, sans nécessiter de processus itératif comme dans les modèles eulériens. De plus, l'utilisation d'un algorithme de vitesse de grille, approprié permet des résultats sans nécessité d'un critère de séparation des noeuds en pointe d'outil comme dans les modèles lagrangiens. Le modèle thermomécanique inclue les effets visco-élastiques, thermiques et le frottement au contact outil-copeau. Le modèle inclue la loi de comportement thermoplastique de Johnson-Cook. La loi de frottement de Coulomb avec génération et transfert de chaleur est utilisée pour le contact outil-copeau. Le modèle fournit des quantités thermomécaniques, la géométrie du copeau et les efforts à partir des paramètres de coupe et du materiau. Des simulations et des essais ont été réalisés et les comparaisons montrent un bon niveau de corrélation des résultats

La mise en œuvre d'un processus de CFAO performant passe nécessairement par une maîtrise des paramètres opératoires et par conséquent du processus de coupe pour générer, optimiser et surveiller le trajet des outils lors de l'usinage. Pour ce faire, le préparateur doit disposer de données technologiques pour caractériser le processus de coupe et effectuer le choix optimal des paramètres opératoires en fonction de la géométrie de l'outil utilisé, de la matière usinée, des performances des machines et des exigences de qualité et de coût sur la pièce usinée. Face aux différentes attentes de la CFAO, la modélisation des efforts de coupe permet de caractériser le processus et de fournir des informations pertinentes pour la mise en place d'un système de surveillance d'usinage. La modélisation des efforts envisagée doit nécessairement avoir un caractère générique pour appréhender les multiples configurations outil/matière/conditions opératoires utilisées dans le secteur industriel. Dans le cadre de nos travaux, nous proposons une modélisation des efforts qui utilise une loi de comportement de type thermo-visco-plastique identifiée. L'identification de cette loi est réalisée avec une méthode inverse à partir des résultats d'essais en fraisage orthogonal 2D. La méthode présentée utilise la modélisation d'Oxley pour paramétrer le processus de coupe (prise en compte de l'angle de coupe, de la vitesse de coupe et des engagements) pour assurer l'aspect générique indispensable en vue d'une utilisation industrielle. La loi de comportement identifiée dans le cadre d'essais en fraisage orthogonal 2D permet de tenir compte du comportement de la matière selon les conditions opératoires utilisées. Nous présentons les lois de comportement identifiées pour trois matériaux différents X38CrMnMoV5, 40CrMnMo8 et Al2024. Les résultats des simulations d'efforts comparés avec les résultats expérimentaux donnent un écart moyen inférieur à 20% et permettent également de valider l'aspect générique de la méthode proposée.

Les moyens de production ont subi de fortes évolutions techniques durant les dernières décennies. La tendance actuelle est de minimiser le nombre de remise en position de la pièce au cours de sa réalisation de façon à gagner en temps de cycle et en précision. Le métier du décolletage, lui, est fortement soumis à cette problématique pour répondre à des cadences de production et des exigences clients de plus en plus élevées. On constate malheureusement, que les outils méthodiques et logiciels n'ont pas suivi cette même évolution et que l'industrialisation de pièces de complexité croissante pose problème. Il existe pourtant des méthodes d'industrialisation que l'on pourrait qualifier "d'académiques". On remarque cependant que ces dernières ont été conçues pour l'usinage conventionnel à partir de lopins de matière mais ne prévoient pas l'usinage à partir de barres, qui est la caractéristique du décolletage. La méthode des flux présentée dans ces travaux répond à cette problématique en fournissant une démarche systématique aux préparateurs méthodes, leurs permettant de définir le séquençage des opérations de fabrication en un nombre minimal d'étapes et donc d'arrêts machines. Pour cela, nous proposons une description formelle du processus de fabrication, l'organisant en postes, prises-de-pièces et opérations de fabrication. Nous proposons ensuite d'organiser les opérations de fabrication en étapes, destinées, soit au réglage initial ou régulier des machines, soit à la surveillance en production. Le fait de créer une gamme de réglage distincte de la gamme de surveillance nous paraît essentielle et est en accord avec le fait que le réglage et la surveillance des machines sont souvent effectués par deux personnes différentes, en l'occurrence, un régleur et un opérateur. Pour chacune des gammes, nous déterminons un jeu de cotes de fabrication par une approche novatrice appelée les chaînes de cotes à incertitudes de mesure minimales. Nous proposons d'adjoindre à ce jeu de cotes de fabrication, un nouveau jeu de cotes que nous appelons les cotes pilotes. Ces dernières correspondent aux paramètres sur lesquels peut agir le régleur pour corriger les écarts mesurés sur les cotes de fabrication. Une fiche de calcul est générée pour les régleurs donnant les corrections à effectuer sur les cotes pilotes en fonction des écarts mesures sur les cotes de fabrication pour chaque étape de réglage ou de surveillance. Des expérimentations sur des cas industriels ont permis de valider notre approche qui a ensuite été implémentée dans le logiciel d'industrialisation Copilot Pro®. Ce travail de recherche s'est inscrit dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire SYMME de l'Université de Savoie et le Centre Technique de l'Industrie du Décolletage et fait partie du programme "Tolérancement et Qualité des produits" du Pôle de Compétitivité Arve-Industries Haute-Savoie Mont-Blanc
Production equipment has undergone significant technical developments in recent decades. The current trend is to minimize the number of setups required to machine a part in order to improve the cycle lime and accuracy. The screw rnachining industry is heavily subject to the problem of meeting increasing production volumes under stronger customer requirements. Unfortunately, methodological tools and software packages have not evolved at the same pace and the indus-trialization of parts of increasing complexity remains a serious problem. However, "academic" in- dustrialization methods do exist, but they were initially designed for conventional part machining out of plots of material and are not adequate when machining parts out of bars, which is the main characteristic of screw machining. The flow method presented in this thesis tackles this problem by providing a systematic approach to the methods technicians, enabling them to sequence the different manufacturing operations into a minimum number of steps and thus; a minimum number of machine halts. To do so, we propose a formal description of the manufacturing process, organizing it in work stations, setups and manufacturing operations. We then propose to organize the manufacturing operations in steps intended either for the initial or periodical setting up of machines, or for their monitoring in production. The creation of a different setting up plan than the monitoring plan seems essential and is consistent with the fact that the setting up and monitoring of machines are often carried out by two different persons in industry, in this case, a setter and an operator. For each of the plans, we determine a set of working dimensions through an innovative approach called the "chain of dimensions of minimal measurement uncertainty". To this set of working dimensions, we propose to add a new set of dimensions that we call "pilot dimensions". These correspond to the parameters on which the operators can act upon in order to correct working dimension deviations. A spreadsheet is then generated for the operator. This spreadsheet will provide the operator with the corrections that need to be carried out on the pilot dimensions based on the deviations measured from the working dimensions for each step of the setting up or monitoring process. Experiments on industrial cases have helped us to validate our approach which has been implemented in an industrialization software package called Copilot Pro®. This research program is the result of the collaboration between the SYMME laboratory of the “Université de Savoie” and the “Centre Technique de l'industrie du Décolletage”, and is also part of the “Tolérancement et Qualité des produits” program of the “Pôle de Compétitivité Arve-Industries Haute-Savoie Mont-Blanc”

Ce chapitre montrera à travers l’exemple des verres et des métaux ferreux, comment l’étude de systèmes archéologiques et naturels, dont les matériaux se sont altérés sur de très longues durées aide à la prédiction du comportement de matériaux qui devront être utilisés sur de grandes échelles de temps, dépassant parfois largement celle d’une génération humaine. Ces systèmes sont alors considérés comme des analogues. Cette approche est un des volets d’une démarche qui comporte plusieurs aspects allant de l’étude en laboratoire sur des systèmes de court terme à la modélisation numérique. Elle a été particulièrement développée dans le cadre de l’industrie nucléaire pour le développement des installations de stockage ou d’entreposage des déchets sur le très long terme. Pour les verres, les analogues sont les matériaux archéologiques manufacturés par les sociétés humaines depuis le milieu du IIIe millénaire avant notre ère ainsi que les verres naturels volcaniques. Pour les métaux ferreux, ce sont les fers et les aciers archéologiques, apparus environ 2000 ans av. J.-C. qui sont étudiés. Les approches peuvent varier en fonction de ces matériaux mais comportent une part de caractérisation fine des systèmes archéologiques, une comparaison dialectique avec les résultats obtenus sur les expériences de laboratoire et différents types de modélisations.