Note publique d'information : Today, finite element method is a sufficiently developed technique, bringing an indispensable
help to the engineers, during design and optimization stages of the engineering products.
In certain cases, its role exceeds from the simple technological assistance and makes
it possible to consider physical laws in the intimacy of the mediums inaccessible
to the experimentation (nuclear fission and fusion, cracks propagation in the materials,…).
In this context, the present contribution brings a scientific and technological comprehension
of the chip formation process. The investigation of chip genesis is not an aim in
itself, but it can inform what actually happens during the process. From experimental
and application point of view, the work is focused on the machining of an aeronautic
Aluminium alloy A2024-T351. This study has been accomplished with four principle stages.
Initially, an orthogonal cutting model for the case of turning process has been established.
The work makes it possible to emphasize equally on the discretization level leading
to an optimised mesh generation to capture physical phenomenon, as well as on the
material behaviour level considering crucial aspects of damage and fracture energy.
Onward this model was adapted to the case of the down cut milling (with a null helix
angle), where the removed material has a half crescent moon like form, presenting
a continuously variable chip thickness tending towards zero (with a constant width).
This model makes it possible to distinguish the macroscopic cutting zone from the
microscopic one, based on the cut thickness. The well-known size effect phenomenon
of micromechanics was thus found during macro to micro cutting passage increasing
material strength, due to strain rate hardening characteristics of the material. This
phenomenon in machining is well-known and corresponds to the quasi exponential increase
in the specific cutting energy with the reduction of the cut thickness. To facilitate
the exploitation and to propose a physical tool for better comprehension of the material
removal (especially at micro cutting level) to the scientific community and industry,
in the third stage modified Johnson-Cook material model (strain gradient-based approach)
of the equivalent stress has been formulated in ABAQUS®/EXPLICIT via its user subroutine
VUMAT. In spite of the modelling difficulties a complete cutting model integrating
the size effect phenomenon has been presented. The aim is to provide a numerical data
on the machined surface which can be compared with the experimental results. As it
is the microscopic cutting part in high frequency and high speed dynamics domain which
generates the machined surface. During the fourth stage, the model was completely
developed to simulate the down cut milling of Aluminium alloy A2024-T351. In addition
to the size effect relating to the chip, the dynamic aspects relating to the machining
system were taken into account through the proposition of a multi level cutting model,
named hybrid dynamic cutting model (HDC-model). The proposed model combines the rigidity
of a high speed milling machine (tool, tool holder, rotor,…) at the macroscopic level
with the mechanics of mesoscopic level chip formation. Finally, turning and milling
cutting experiments were carried out to validate the suggested models. The numerical
results were compared with experimental ones at each stage. In general the results
are in good agreement. It is however necessary to note that a number of parameters
can affect the numerical model results. The predictive character of the model is primarily
limited to the physical characteristics of the machined material. Under these circumstances
one finds itself in the purely experimental investigations of 1970-80s, when the concept
of tool material coupling (TMC) was conceived for the very first time. Today’s approach,
which is both experimental and numerical, however makes it possible to strongly reduce
the costs and to quantify very interesting local phenomena such as for example in
this contribution.
Note publique d'information : Aujourd’hui, la méthode des éléments finis est suffisamment développée pour apporter
aux ingénieurs, une aide indispensable lors des étapes de conception et d’optimisation
des produits manufacturés. Dans certains cas, cette aide dépasse la simple assistance
technologique et permet de considérer des lois physiques dans l’intimité d’un milieu
inaccessible aux expériences (fission et fusion nucléaire, propagation des fissures
dans les matériaux,…). C’est dans ce contexte à la fois scientifique et technologique
que porte notre contribution sur la formation du copeau. D’un point de vue applicatif
et expérimental, notre étude est centrée sur l’usinage de l’alliage d’Aluminium A2024-T351.
Cette étude a été accomplie avec 4 étapes principales. La première étape porte sur
la mise au point d’un modèle numérique 2D, de coupe orthogonale en tournage. Ce travail
permet de choisir des solutions de détails pour ce modèle numérique, aussi bien au
niveau de la discrétisation et de la partition du maillage qu’au niveau du comportement
du matériau usiné sur les aspects cruciaux d’endommagement et d’énergie de rupture.
Lors de la deuxième étape ce modèle a été adapté au cas du fraisage de profil en avalant
avec un angle d’hélice nul, où la matière susceptible d’être enlevée a une forme en
demi lune, constant sur sa largeur, présente une épaisseur continûment variable et
tendant vers zéro. Ce travail et les résultats obtenus permettent de distinguer la
zone de coupe macroscopique de la zone microscopique à partir de l’épaisseur coupée.
L’effet de taille bien connu en micromécanique a ainsi été retrouvé lors de ce passage
macro-micro à travers l’influence de l’écrouissage due à la vitesse de déformation
du matériau. Le phénomène bien connu expérimentalement de l’augmentation quasi exponentielle
de l’énergie spécifique de coupe avec la diminution de l’épaisseur coupée a été étudié
en relation avec les divers aspects de cet effet de taille. Pour faciliter l’exploitation
et proposer un outil de compréhension physique de l’enlèvement de matière à la communauté
scientifique et à l’industrie, dans une troisième étape, le modèle de comportement
de « Johnson-Cook » modifié par une approche basée sur le second gradient de déformation
a été développé dans ABAQUS®/EXPLICIT sous la forme d’un sous programme (ou sous-routine
VUMAT). Finalement, au cours de la quatrième étape, l’application a été complètement
développée pour simuler le fraisage de profil en avalant, de l’alliage d’Aluminium
A2024-T351. En plus de l’effet de taille interne au copeau, les aspects dynamiques
liés au comportement du système usinant ont été pris en compte à travers un modèle
multi-échelle nommé « modèle dynamique hybride de coupe (HDC-modèle) » qui combine
la rigidité équivalente d'une fraiseuse à grande vitesse (outil, porte-outil, broche,
…) au niveau macroscopique avec la mécanique de formation de copeau au niveau mésoscopique.
Cette application intégrant à la fois les effets d’échelles a pour but de fournir
des données numériques sur la surface usinée qui puissent être comparées à des résultats
expérimentaux. Malgré les difficultés de modélisation nous avons tenu à élaborer ce
modèle complet car c’est bien la partie microscopique de la coupe en dynamique haute
fréquence ou grande vitesse qui génère la surface usinée. Pour finir, des coupes expérimentales
ont été exécutées en tournage et en fraisage pour valider les modèles proposés. Les
résultats numériques sont ainsi comparés à ceux expérimentaux à chacune des étapes.
De manière générale la concordance des résultats est bonne. Il faut cependant noter
le grand nombre de paramètres des modèles numériques qui certains d’entre eux peuvent
être des paramètres de recalage expérimental. Il apparaît donc que le caractère prédictif
du modèle est limité essentiellement par les caractéristiques physiques de la matière
usinée. On se retrouve dans la situation purement expérimentale des années 1970-80
qui a vu naître la notion de couple outil-matière (COM). L’approche d’aujourd’hui,
à la fois expérimentale et numérique permet cependant de réduire fortement les coûts
et de quantifier des phénomènes locaux très intéressants comme par exemple dans notre
contribution : La propension à la segmentation et donc à la fragmentation dans certaines
conditions de coupe, La longueur du contact copeau, face de coupe, l’amplitude des
défauts de la surface usinée due à la dynamique globale.
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