Simulation numérique de l'usinage - Application à l'aluminium AU4G (A2024-T351)

Lévolution des techniques d'usinage a conduit ces dix dernières années à développer un nouveau concept de production qui permet d'accroître la productivité : l'Usinage à Grande Vitesse (UGV).

Les caractéristiques thermomécaniques sont encore plus prépondérantes dans une opération UGV que lors d'un usinage conventionnel. C'est pour cela que les principaux axes de recherches scientifiques sont très orientés UGV.

L'opération d'usinage consiste à enlever de la matière par l'intermédiaire d'un outil coupant. La pièce (en tournage) ou l'outil (en fraisage) sont entraînés en rotation. Avec un mouvement de l'outil combiné d'avance, l'enlèvement de matière se produit alors à l'interface de la pointe de l'outil et de la pièce à usiner (enlèvement de copeaux).

L'Usinage Grande Vitesse se caractérise par des vitesses de coupe élevées (vitesse relative de l'outil par rapport à la pièce). Ces grandes vitesses engendrent un phénomène de coupe spécifique.

En augmentant la vitesse de coupe au-delà des limites de vitesse de l'usinage conventionnel, on commence par traverser une zone de vitesses inexploitables dans laquelle les conditions de coupe sont dégradées (usure rapide de l'outil, mauvais état de surface…), puis on arrive dans le domaine de l'UGV où les conditions de coupe sont excellentes. La limite entre les zones est arbitraire et dépend des matériaux usinés.

La modélisation de ces phénomènes, dans une optique de prédire les opérations d'usinage, reste très délicate à mettre en œuvre en fonction des objectifs que l'on se donne, notamment si l'on se préoccupe des détails à l'échelle microscopique.

En effet, des sollicitations thermiques sont générées lors de la coupe par l'auto-échauffement au sein du matériau de la pièce et par les frottements à l'interface outil/pièce.

En usinage conventionnel, l'énergie calorifique s'évacue dans les copeaux mais également dans la pièce et l'outil dans des proportions non négligeables. Ainsi, le matériau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) qui modifie les caractéristiques de la pièce finie.

En UGV, la nature de la formation du copeau est différente et l'énergie de la coupe s'évacue à plus de 80 % dans les copeaux. Bien que des énergies plus importantes soient mises en jeu, les échanges thermiques entre le copeau et la pièce n'ont plus le temps d'avoir lieu : celle-ci reste pratiquement à température ambiante.

L'objectif de cet article est de présenter les techniques de simulation de l'usinage à différentes échelles :

• échelle humaine : simulation de l'environnement de l'usinage : outil, machine, cinématique… ;

• échelle macroscopique : outil/pièce pour visualisation des défauts de trajectoires, prédiction des états de surface… ;

• échelle microscopique : l'interface arête de coupe/matière : la simulation numérique de la coupe – modélisation par éléments finis.

Un approfondissement est réalisé sur la dernière approche : simulation par éléments finis. Elle sera argumentée par une confrontation expérimentale pour en déduire la pertinence.