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Arts et Métiers ParisTech - Centre de Cluny Laboratoire Bourguignon des Matéria

Arts et Métiers ParisTech - Centre de Cluny Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés 2017-ENAM-0038 École doctorale n° 432 : Science des Métiers de l’Ingénieur M. Olivier CAHUC Professeur des Universités, I2M, Université de Bordeaux Président M. René LEROY Maitre de Conférences, HDR, CEROC, Université de Tours Rapporteur M. Gilles DESSEIN Professeur des Universités, LGP ENIT, Université de Toulouse Rapporteur M. Gérard POULACHON Professeur des Universités, LaBoMaP, Arts et Métiers ParisTech Examinateur M. Joël RECH Professeur des Universités, LTDS, ENI Saint Etienne Examinateur M. José OUTEIRO Maitre de Conférences, HDR, LaBoMaP, Arts et Métiers ParisTech Examinateur M. Guénaël GERMAIN Maitre de Conférences, HDR, LAMPA, Arts et Métiers ParisTech Invité M. François LAFORCE Ingénieur, CETIM Invité présentée et soutenue publiquement par Pierre LEQUIEN le 07 Décembre 2017 Etude fondamentale de l’assistance cryogénique pour application au fraisage du Ti6Al4V Doctorat ParisTech THÈSE pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Génie Mécanique – Procédés de fabrication ” Directeur de thèse : Gérard POULACHON Co-encadrement de la thèse : Joël RECH Co-encadrement de la thèse : José OUTEIRO T H È S E Remerciements Je saisis l’opportunité de ces premières lignes du mémoire de thèse pour exprimer mes plus sincères remerciements à tous ceux qui m’ont accompagné et soutenu dans la démarche de ces longues études. Les occasions de transmettre de la reconnaissance à mon entourage, professionnel et familial ont été trop rares pour ne pas leur dédier ce travail et leur transmettre ma gratitude. Dans un premier temps, mes remerciements s’adressent aux membres du jury : A Olivier CAHUC, pour la présidence de ce jury de thèse. A Gilles DESSEIN et René LEROY pour leur travail de rapporteur. A Guénaël GERMAIN, pour sa participation au jury de thèse et sa collaboration. Je souhaite ensuite remercier l’ensemble de l’équipe qui m’a accompagné, guidé et fait progresser : A Gérard POULACHON pour avoir assuré la direction de cette thèse. Ses conseils et décisions ont été une aide précieuse, dans les moments stratégiques et difficiles. Merci pour ses enseignements et l’efficacité de son soutien. A Joël RECH, pour avoir assuré un encadrement proche. Ses idées et interventions ont été précieuses. Le suivi du doctorant a été d’une grande qualité. A José OUTEIRO pour ses conseils et son soutien. A Chawki TAHRI pour son sérieux et la qualité de son travail au cours de son stage de Master 2. Cette expérience d’encadrement a été enrichissante et m’a fait découvrir un nouvel aspect de la recherche. Ce travail est le fruit d’une belle collaboration entre le Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés (LaBoMaP) de l’Ecole Nationale Supérieure des Arts et Métiers (ENSAM) de Cluny, le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) de l’Ecole Nationale Supérieure de Saint-Etienne (ENISE), le Centre Technique pour l’Innovation dans l’Industrie (CETIM ; CETIM-CTDEC), l’Association de la Mécanique Industrielle et des Constructions Spéciales (AMICS) et le F2I (Fonds pour l’Innovation dans l’Industrie). Je tiens à remercier tous les collaborateurs de cette thèse réunis sous l’entité du consortium Intercut Network pour leur soutien financier et technologique. Je pense aux collègues de l’industrie : Stéphane THIERRY, Ugo MASCIANTONIO, François LAFORCE, Aurélien POLLET-VILLARD et Fabrice CHEVALEYRE. Leur aide m’a fait progresser et ils m’ont transmis un soutien industriel conséquent, favorable à la réussite de cette thèse. J’adresse ensuite mes remerciements aux collègues que j’ai côtoyés et appréciés au cours de ces trois dernières années : L’ensemble du personnel technique de l’équipe UGV : Gilles DELHOMME, Gilles DETROYAT, et Éric POLSINELLI pour votre sympathie, vos nombreux conseils, et la qualité de votre savoir-faire. J’adresse également mes remerciements aux collègues de l’ENISE : Patrick POLLY et Hervé SEUX. Merci à l’ensemble du personnel du campus Arts et Métiers ParisTech de Cluny ayant pris part de près ou de loin à ce projet. Je pense notamment à Frédéric DELMAS, Évelyne DARGAUD, Christophe DELORME, Pascal FILIPEK, Loïc GUILLOT, Patrice HONORÉ, Romaric MASSET, Christian NECTOUX, Lucas PUTIGNY, Mickaël POTILLON, Christophe PRIOLET-LEFEBRE, Emmanuel TRUJILLO, ainsi qu’à l’équipe d’AMValor : Isabelle BORDONNET, Serge BORECKI, Guillaume FALCO, Denis LAGADRILLIERE, Pierre NAISSON et Rémy PORCHERAY. Ce fut un réel plaisir de travailler avec vous. Je remercie également l’ensemble des doctorants, post-doctorants et docteurs pour l’entraide et la bonne ambiance studieuse : Anna-Carla ARAUJO, Rabiae ARIF, Thomas BAIZEAU, Sébastien CAMPOCASSO, Iheb CHERRIF, Rémi CURTI, Lamice DENGUIR, Théo DORLIN, Younes FAYDI, Daniel ILLESCU, Bertrand MARCON, Tristan RÉGNIER et Ahcene SIAD. La contribution de chacun à la résolution des problèmes quotidiens et votre sympathie m’ont beaucoup apporté. Je vous en remercie particulièrement. Je souhaite enfin conclure ces remerciements avec ma famille, mes amis et tous mes proches. A mon grand-père Lucien CARRERES à qui je dédie ce mémoire. La transmission de tes connaissances, ton goût pour l’apprentissage et ta culture sont un héritage qui m’est très cher. Depuis mon plus jeune âge tu as su me passionner pour l’envie d’apprendre. MERCI. A mes parents et ma sœur, Olga, Pascal et Marie LEQUIEN pour leur soutien sans faille et l’amour qu’ils me portent. L’engagement et la concentration investis dans ce projet n’auraient pas été possible sans une famille aussi soudée et encourageante. A ma compagne, Marie-Hanna PATIN, pour son amour et le bonheur qu’elle m’apporte au quotidien. Je souhaite terminer ces remerciements par un mot particulier aux professeurs, anciens collègues et camarades qui m’ont guidé dans ces longues études avec un soutien constituant une grande part de mon chemin personnel. Cluny, le 07/12/2017 Pierre L. Tables des matières Remerciements ................................................................................................................ 3 Tables des matières ......................................................................................................... 5 Notations et glossaire ...................................................................................................... 9 Introduction générale .....................................................................................................12 Contexte de l’étude .................................................................................................... 12 Objectifs de l’étude .................................................................................................... 13 Plan du mémoire ........................................................................................................ 14 Chapitre 1 : Etat de l’art : Assistance cryogénique en usinage ......................................15 1.1 Enjeux de l’assistance cryogénique .................................................................. 16 1.1.1 Définition et origine du procédé ............................................................... 16 1.1.2 Champs d’application .............................................................................. 18 1.2 Utilisation des fluides de coupe en usinage ..................................................... 19 1.2.1 Comparaison des méthodes de refroidissement et lubrification en usinage ........................................................................................... 19 1.2.2 Le choix de l’azote liquide pour l’assistance à l’usinage ........................... 21 1.3 L’azote liquide pour l’assistance à l’usinage .................................................... 24 1.3.1 Effet Leidenfrost ...................................................................................... 24 1.3.2 Aspect thermique associé à la projection de LN2 ..................................... 29 1.4 Nouvelle technologie et résultats contradictoires............................................. 31 1.4.1 Usinage d’alliage réfractaire : le Ti6Al4V ................................................ 31 1.4.2 La cryogénie sur les propriétés des matériaux.......................................... 34 1.4.2.1 Matériaux usinant : carbure et acier rapide ......................................... 34 1.4.2.2 Matériau usiné : l’alliage de Ti6Al4V ................................................... 35 1.4.3 Assistance cryogénique à l’interface outil/copeaux et outil/surface usinée ................................................................................................. 36 1.4.3.1 Impact de la température ..................................................................... 37 1.4.3.2 Comportement des outils en usure ....................................................... 38 1.4.3.3 Comportement tribologique : contraintes résiduelles et intégrité de surface 40 1.4.3.4 Impact sur les efforts de coupe ............................................................. 42 1.4.3.5 Impact de l’assistance cryogénique sur la morphologie du copeau ....... 43 1.4.3.6 Coefficient convectif de transfert thermique......................................... 43 1.5 Conclusion ....................................................................................................... 44 Chapitre 2 : Etude phénoménologique de la projection d’azote liquide pour l’assistance à l’usinage ......................................................................................................................46 2.1 Objectifs de la compréhension phénoménologique ........................................... 47 2.1.1 Aspects phénoménologiques déterminants ............................................... 48 2.1.1.1 Caractéristiques thermodynamiques du LN2 ........................................ 48 2.1.1.2 Calcul analytique du coefficient convectif de transfert de chaleur h .... 51 2.1.1.3 Régime d’écoulement du fluide ............................................................. 60 2.1.2 Etude de l’écoulement d’azote liquide en conditions simplifiées .............. 64 2.1.2.1 Modélisation analytique de l’écoulement de LN2 dans un cas simplifié 65 2.1.2.2 Modélisation CFD d’azote liquide dans des conduites simples ............. 68 2.2 Développement d’une méthode inverse en vue d’une caractérisation du coefficient convectif de transfert thermique................................................................ 73 2.2.1 Méthodes et moyens ................................................................................ 73 2.2.2 Projection d’azote sur une surface plane .................................................. 76 2.2.2.1 Alliage de titane Ti6Al4V .................................................................... 77 2.2.2.2 Carbure de tungstène (WC-Co) ........................................................... 80 2.3 Simulation numérique ..................................................................................... 81 2.3.1 Choix du type de modélisation CFD/DNS .............................................. 81 2.3.2 Implémentation du modèle CFD .............................................................. 85 2.3.3 Description du modèle ............................................................................. 87 2.3.4 Résultats et interprétations ..................................................................... 91 2.4 Modèle mathématique ................................................................................... 100 2.4.1 Définition du modèle mathématique ...................................................... 100 2.4.1.1 Objectifs de la construction d’un modèle mathématique .................... 100 2.4.1.2 Méthode et démarche du modèle mathématique ................................ 101 2.4.2 Résultats et discussions .......................................................................... 104 2.4.2.1 Détermination du coefficient de transfert thermique convectif .......... 104 2.4.2.2 Transfert industriel ............................................................................ 106 2.5 Conclusion ..................................................................................................... 107 Chapitre 3 : Approche expérimentale de l’assistance cryogénique en tournage discontinu ................................................................................................. 109 3.1 Objectifs et compréhension de l’assistance cryogénique en tournage discontinu 110 3.1.1 Compréhension de l’assistance cryogénique ........................................... 110 3.1.2 Objectif de l’étude.................................................................................. 111 3.2 Mise en place d’essais instrumentés............................................................... 112 3.2.1 Conception d’un outil de coupe instrumenté ......................................... 112 3.2.2 Séparation des phases ............................................................................ 113 3.3 Etude de l’assistance cryogénique en tournage .............................................. 115 3.3.1 Identification des paramètres de coupe optimaux .................................. 115 3.3.1.1 Méthodes et moyens ........................................................................... 115 3.3.1.2 Résultats et discussions ...................................................................... 119 3.4 Etude instrumentée sur éprouvette discontinue ............................................ 124 3.4.1 Méthodes et moyens de l’expérimentation ............................................. 125 3.4.2 Plan d’expériences .................................................................................. 129 3.4.3 Résultats et discussion ........................................................................... 130 3.5 Conclusion ..................................................................................................... 144 Chapitre 4 : Fraisage d’un alliage de Ti6Al4V avec assistance cryogénique ................ 146 uploads/Geographie/ lequien.pdf