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Axe Usinage et mise en forme

Les recherches de l’axe USIMEF (USInage et Mise En Forme) s’inscrivent dans la thématique globale d’établissement des liens entre les procédés de fabrication et la tenue en service des pièces mécaniques. Les activités menées concernent les procédés d’usinage par enlèvement de matière (outil coupant ou jet d’eau abrasif), de fabrication additive et de mise en forme des tôles par déformation plastique, essentiellement pour des pièces de structure aéronautiques. La notion d’intégrité de “surface” est au cœur des activités de l’axe USIMEF. Cette intégrité de “surface” peut être définie par 3 descripteurs : géométrique (topologie de l’état de surface), mécanique (évolution des contraintes résiduelles), microstructural (évolution de la microstructure et du taux de déformation dans le matériau). La combinaison de ces trois facteurs conditionne la durée de vie en fatigue de la pièce. Or, les opérations de fabrication modifient ces 3 descripteurs de façon très variable en fonction du matériau, du procédé, des conditions opératoires… Dans les études menées, il s’agit d’évaluer la surface obtenue suivant les 3 descripteurs, d’élaborer des modèles et de proposer des préconisations. Des travaux spécifiques à la caractérisation de ces descripteurs sont également menés et font l’objet d’un thème à part entière.

Thème 1 : USINAGE MULTI-AXES DE FORMES COMPLEXES

Les travaux menés dans ce thème visent à :

  • – Optimiser l’usinage de surfaces gauches par fraise torique. Méthodologie automatique de découpage de la surface en muti-zones pour appliquer une stratégie d’usinage par plans parallèles avec des directions d’usinage différentes.
  • – Optimiser les trajectoires outil pour l’usinage des surface gauches à l’aide d’outils issus de la géométrie différentielle et de l’intelligence artificielle. Développement de deux librairies logicielles : (i) la DGL (Differential Geometry Library) centrée sur la manipulation des courbes et surfaces gauches (Bézier, splines, NURBS, …) avec les outils de la géométrie différentielle (normales, courbures, directions principales, …) ; (ii) la jCAM (java Computer Aided Manufacturing) centrée sur les aspects métier : machines, outils, surfaces centre-outil, trajectoires, etc… Développement d’un framework applicatif : CoSMO (Complex Surface Machining Optimisation)

Thème 2 : PERCAGE DES EMPILAGES MULTI-MATERIAUX

Les activités menées dans ce thème s’intéressent à la caractérisation des phénomènes intervenant en perçage des matériaux et empilages multi-matériaux, et à leur modélisation. L’objectif est d’établir les relations entre les paramètres opératoires, les indicateurs du process (actions mécaniques, vibrations) et le respect des critères de qualité, en termes de géométrie mais aussi en termes d’intégrité de “surface” et de santé matière. Ces travaux s’appliquent au cas du perçage conventionnel, mais également aux procédés de perçage innovants : Perçage Assisté par Vibrations forcées (PAVf) ; Perçage Orbital (PO) et Perçage Orbital Grande Vitesse (POGV).

Thème 3 : PROCEDES INNOVANTS

Thème 3-1 : Stratégies innovantes d’usinage

  • – Usinage en poussant : méthodologie d’équilibrage des efforts transversaux et de limitation de problématiques dynamiques comme la flexion ou la vibration d’outil
  • – Tréflage : Tréflage de différents types de matériaux (alliages de magnésium, alliages d’aluminium, alliages de titane). Influence de la géométrie d’outil sur les efforts de coupe. Optimisation du procédé (outils, conditions de coupes, trajectoires)

Thème 3-2 : Usinage par Jet d’Eau Abrasif

Optimisation du pilotage du procédé d’Usinage par Jet d’Eau Abrasif :

  • – Usinage de forme simples (poches) et de surfaces gauches à profondeur variable
  • – Maîtrise des paramètres opératoires et développement de stratégies d’usinage

Thème 3-3 : Fabrication Additive

Optimisation de la qualité des pièces en superalliage base nickel (In718 LC) obtenues par la technologie de fusion laser de poudres métalliques. Campagne d’essais par définition d’éprouvettes élémentaires, technologiques et d’un démonstrateur pour maitriser la qualité et la productivité

Thème 3-4 : Mise en forme à mi-chaud (400 °C – 500 °C) de tôles en Ti6Al4V

Le développement des procédés de mise en forme de tôles métalliques pour structures automobiles ou aéronautiques à des températures intermédiaires entre celle ambiante et les hautes températures, requiert la prise en compte de comportements complexes des matériaux (comportement élasto-viscoplastique anisotrope) afin d’apporter des informations géométriques (retour élastique, distorsion) et des états de contraintes post-opératoires permettant d’étudier l’influence des paramètres procédés. C’est notamment le cas du formage à mi-chaud d’alliage de titane Ti-6Al-4V à des températures de 400 – 500 °C. Dans cette gamme de température, le comportement plastique anisotrope de l’alliage Ti6Al4V est caractéristique des mécanismes de déformations présents à température ambiante et se combinent à l’amélioration des capacités de formabilité apportée par l’augmentation de température. L’utilisation d’un modèle plastique à écrouissage anisotrope et évolution cinématique améliore la prévision des états de contraintes et du retour élastique post-formage.

Thème 4 : SIMULATION NUMERIQUE MULTI-PHYSIQUES ET MULTI-MATERIAUX DES PROCEDES

Thème 4-1 : Mise en forme à chaud

Il s’agit de prendre en compte les effets de couplage (thermique-mécanique) dans le comportement du matériau de tôle et de l’outillage ainsi que dans celui des interfaces tôle/outils sur une large gamme de température et de déformations dans les opérations de mise en forme. Un premier exemple concerne le cas du cisaillage à chaud (550 °C – 900 °C) de tôle d’acier trempant 22MnB5 par des lames en acier X70CrMOV5-61 HRc. Les travaux ont permis d’établir des premiers modèles 2D-DP de l’opération de cisaillage en prenant en compte le couplage thermo-mécanique dans la tôle et les outils. Ils permettent ainsi de proposer une première analyse thermique et mécanique des sollicitations locales au cours de l’opération et d’évaluer l’influence de l’effet thermique sur la sollicitation mécanique des lames. On observe le lien entre le niveau élevé de contraintes et les hautes valeurs de température en phase de création du bombé de la tôle, puis à moindre mesure le déplacement du maximum de contraintes autour de l’arête de coupe. Ces résultats sont en accord avec l’étude expérimentale développée sur le module de cisaillage à chaud de l’équipement MEFISTO de l’ICA.

Contours de contraintes équivalentes de Von Mises et de températures (b) au cours d’une opération de cisaillage à chaud (22MnB5, T0 = 550 °C, jeu = 15 %).

Thème 4-2 : Coupe élémentaire représentative

La mise en place d’expérimentations instrumentées aux petites échelles s’est développée ces dernières années dans une perspective de validation des simulations numériques des phénomènes de coupe. En effet, la complexité des chargements thermomécaniques mis en jeu (vitesses, et températures élevées) a nécessité de mesurer de plus en plus finement les champs cinématiques et thermiques en pointe d’outil. Les travaux se sont donc focalisés sur la mesure simultanée de ces grandeurs dans un contexte submillimétrique et à des vitesses de déformation de l’ordre de 103s-1, à l’aide d’un dispositif de coupe spécifique (banc DEXTER) et d’un dispositif de vision/caractérisation couplé (VISIR)

Champs de déformation, de vitesse de déformation, de température et de de dissipation thermique à 5 instants successifs de la formation d’un copeau de TA6V en coupe orthogonale (outil visible à gauche).

Thème 5 : Intégrité de surface

Afin d’étudier l’influence de l’usinage et des procédés sur la tenue en fatigue de pièces, les descripteurs de l’intégrité de “surface” (géométrique, mécanique et microstructural) sont largement analysés, et des travaux spécifiques portent sur la définition de descripteurs pertinents, et leur mesure/évaluation. Il s’agît d’établir les relations entre les conditions de mise en œuvre des procédés et ces descripteurs pertinents d’une part, puis entre ces descripteurs et la tenue en fatigue. La topologie 3D de l’état de surface et les contraintes résiduelles sont particulièrement étudiés.

Thème 6 : Learning games

Outre les activités de recherche sur les procédés, l’équipe porte également une attention particulière à la transmission des savoirs en lien avec la formation des futurs techniciens et ingénieurs du domaine génie mécanique. De cette volonté constante est née un outil de formation innovant dans le domaine de l’usinage CN : MECAGENIUS. C’est un compagnon virtuel d’apprentissage par l’action qui permet de découvrir un atelier de fabrication, d’apprendre à usiner des pièces sur CN et de gérer un projet de fabrication dans un atelier virtuel. Le jeu est disponible en ligne ici.

Animateur : Yann Landon
Co-animateur : Patrick Gilles