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RÉSUMÉ
Les techniques d'usinage et les moyens matériels associés sont de plus en plus performants. Les avancées technologiques réalisées dans ce domaine ont démontré leur pertinence notamment avec l'arrivée de l'Usinage à Grande Vitesse (UGV). Ainsi, depuis peu, nous assistons à une accélération de la vitesse de ces procédés. Cette évolution s'est accompagnée de l'apparition de nouveaux phénomènes, encore mal maîtrisés, comme le cisaillement adiabatique. Des outils informatiques ont alors vu le jour permettant de faciliter la compréhension de certains de ces phénomènes. La clef du bon comportement d'une opération de fabrication par enlèvement de copeaux repose sur l'anticipation et la prédiction des conditions lors de l'usinage. Ces outils informatiques permettent, suivant différentes échelles, de modéliser ces problématiques dans certaines conditions. Cet article présente les résultats obtenus, ainsi que l'état de l'art aujourd'hui.
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Fikret KALAY : Master recherche – Simulation numérique de l'usinage - Chargé d'affaires – Services professionnels (DELCAM France)
INTRODUCTION
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 :
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échelle humaine : simulation de l'environnement de l'usinage : outil, machine, cinématique… ;
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échelle macroscopique : outil/pièce pour visualisation des défauts de trajectoires, prédiction des états de surface… ;
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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.
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4. Synthèse et conclusion
4.1 Conclusion sur l'exemple
La modélisation de l'usinage reste un domaine très délicat à mettre en données de par les grandes déformations et grandes vitesses de déformation mises en jeu lors de la coupe. Le modèle présenté dans cette étude est très local et a nécessité plusieurs hypothèses pour aboutir à des résultats en un temps raisonnable (entre 0,5 et 2 h de calcul par configuration sur un PC avec un processeur à double cœur chacun cadencé à 1,87 GHz).
Il est cependant important de remarquer que toute cette mise en données conserve un caractère réaliste. En effet, dans les plages de fonctionnement choisies (correspondant au point de fonctionnement du brise-copeau de l'arête de coupe) on constate un écart entre l'expérimental et la simulation compris entre 5 et 10 %.
Le modèle Multi-Parts apporte une amélioration dans la stabilité de calcul ainsi que dans la gestion de contact. Il a été effectivement possible de considérer le contact du copeau sur lui-même et du copeau qui redescend sur la partie support du modèle. D'autre part, le fait de choisir l'option « surface-à-surface » au lieu d'un contact « surface-à-région nodale » de la pièce lors de la modélisation réduit considérablement les temps de calcul.
HAUT DE PAGE4.2 Conclusion générale
Beaucoup de travaux de recherche ont été publiés dans le domaine de la coupe des métaux. La plupart d'entre eux ont contribué à la compréhension des problèmes liés à une configuration d'usinage particulière qu'est la coupe orthogonale.
Contrairement à d'autres domaines (comme par exemple la forge), les axes de développement autour de la coupe n'ont pas la prétention de prédire le comportement, l'usure, la durée de vie… de l'outil lors d'une opération d'usinage.
La localisation du phénomène rend son étude très délicate. En effet, le volume élémentaire représentatif (VER) pour la modélisation de la coupe s'approche des limites de validité des théories utilisées pour simuler les grandes déformations. Cette limite est quasiment violée lorsqu'on souhaite traiter l'endommagement induit par l'arête de coupe.
À l'heure actuelle,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DELALONDRE (F.) - Modélisation numérique des bandes de cisaillement adiabatique dans les procédés de fabrication et de déformation à grande vitesse. Application aux métaux. - Cycle doctoral mécanique numérique – ENSMP – CEMEF – CETIM (2005).
-
(2) - MABROUKI (T.) - Modélisation de l'usinage par outil coupant. - Cours de MASTER Mécanique – CI-PROMIFOM, INSA Lyon (2007).
-
(3) - LAHEURTE (R.) - Application de la théorie du second gradient à la coupe des matériaux. - École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur, Université Bordeaux (2004).
-
(4) - EU-GENE - Worldwide modeling research trends in cutting domain. - (1999).
-
(5) - TENG (X.), WIERZBICKI - Evaluation of six fractures models in high velocity perforation. - (2006).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
[FEATURECAM] Delcam http://www.delcam.com
[VIEWMILL] Delcam http://www.delcam.com
[ABAQUS] Dassault Systèmes (SIMULIA) http://www.simulia.com/
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aluMATTER http://aluminium.matter.org.uk/
Matweb http://www.matweb.com/
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