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امجلهورية اجلزائرية ادلميقراطية الشعبية وزارة التعلمي العايل و البحث العلمي جام

امجلهورية اجلزائرية ادلميقراطية الشعبية وزارة التعلمي العايل و البحث العلمي جامعة وهران للعلوم و التكنولوجيا محمد بوضياف Présenté par : GUEMMOUR Mohamed Boutkhil Intitulé Approche numérique de l’interaction arête coupante pièce au cours du perçage Année Universitaire : 2016/2017 Membres de Jury Grade Qualité Domiciliation YOUCEFI Abdelkader Pr. Président USTO MB SAHLI Ahmed Pr. Encadrant Université de Tiaret KEBDANI Said MCA Co-Encadrant USTO MB BOUALEM Nourdine Pr. Examinateurs USTO MB AID Abdelkrim Pr. Université de Mascara ABED Belkacem MCA Université dTiaret - - Invité(e) - Devant le Jury Composé de : Faculté : Génie Mécanique Département : Génie Mécanique Spécialité : Génie Mécanique Option : Génie Mécanique I Je tiens avant tout à remercier chaleureusement Monsieur SAHLI Ahmed, Professeur à l’université Ibn-Khaldoun de Tiaret de m'avoir confié ce sujet de thèse et encadré mon travail. En me faisant confiance depuis le début de mes travaux, il a su diriger ce travail tout en me laissant une complète autonomie. Je le remercie non seulement pour la qualité scientifique de son encadrement mais également pour l’inestimable qualité humaine dont il a toujours fait preuve au cours de ces années. J’adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur KEBDANI Saïd, Maître de conférences à l'université Mohamed Boudiaf d'Oran, pour l'honneur qu'il m'a fait de co-encadrer ce travail. Je remercie tout autant Monsieur YOUCEFI Abdelkader, Professeur à l'université Mohamed Boudiaf d'Oran pour avoir accepté de rapporter et présider le jury de ma thèse. C’est un honneur et un encouragement fort à poursuivre mon activité d'enseignant chercheur. Mes sincères remerciements vont également à Monsieur BOUALEM Nouredine, Professeur à l'université Mohamed Boudiaf d'Oran, à Monsieur AID Abdelkrim, Professeur à l'université Mustapha Stambouli de Mascara et Monsieur ABED Belkacem, Maître de conférences à l’université Ibn-Khaldoun de Tiaret qui m’ont fait l’honneur d’être rapporteurs de ma thèse, et qui ont consacré de leur précieux temps à l'examen et à l’évaluation de mon travail. Je les remercie vivement pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail afin de l'expertiser avec une grande efficacité et une grande rapidité, ainsi que pour la patience et la pertinence dont ils ont fait preuve à la lecture de ce document. Enfin, je tiens à remercier ma mère et ma femme dont les encouragements ont été indispensables pour que je puisse achever cette thèse de Doctorat. R E M E R C I E M E N T S II Je dédie ce travail à mon défunt et regretté frère Merouan. D É D I C A C E S S O M M A I R E III Introduction générale ..................................................................................................................... 1 CHAPITRE 01: Modélisation de l'usinage................................................................................... 4 1.1. Usinage conventionnel des métaux......................................................................................... 5 1.2. Configuration en coupe des métaux ....................................................................................... 6 1.3. Orientations industrielles pour l'usinage............................................................................... 7 1.4. Orientations académiques pour l'usinage.............................................................................. 9 1.5. La modélisation en usinage des métaux ................................................................................. 9 1.5.1. La modélisation prédictive.............................................................................................. 9 1.5.2. Variables du processus d'usinage.................................................................................... 10 1.5.2.1. Variables indépendantes d'entrée................................................................................. 12 1.5.2.2. Variables dépendantes de sortie................................................................................... 12 1.5.3. Echelles d'étude en usinage des métaux.......................................................................... 13 1.5.3.1. Echelle microscopique................................................................................................. 14 1.5.3.2. Echelle mésoscopique.................................................................................................. 15 1.5.3.3 Echelle macroscopique ................................................................................................. 15 1.5.4. Voies de solutions et méthodes de modélisation ............................................................ 16 1.5.4.1. Voie expérimentale ...................................................................................................... 16 1.5.4.2. Voie analytique ............................................................................................................ 17 1.5.4.3 Voie numérique............................................................................................................. 18 1.5.5. Choix d'une stratégie de modélisation ............................................................................ 19 1.6. Approche mésoscopique en coupe des métaux...................................................................... 21 1.6.1. Interface outil-pièce-copeau............................................................................................ 21 1.6.1.1. Ligne de coupe............................................................................................................. 21 1.6.1.2. Processus physiques mis en jeu ................................................................................... 21 1.6.1.3. Zones de coupe............................................................................................................. 23 1.6.2. Formation du copeau....................................................................................................... 29 1.6.2.1. Mécanisme de formation du copeau ............................................................................ 29 1.6.2.2. Processus de cisaillement impliqué dans la formation du copeau ............................... 30 1.6.3. Morphologie du copeau .................................................................................................. 31 1.6.3.1. Copeau fragmenté ........................................................................................................ 32 1.6.3.2. Copeau discontinu........................................................................................................ 32 1.6.3.3. Copeau continu ............................................................................................................ 34 1.6.4. Aspects de la modélisation mésoscopique...................................................................... 38 S O M M A I R E IV CHAPITRE 02: Procédé de perçage des métaux......................................................................... 41 2.1. Procédé de perçage................................................................................................................... 42 2.1.1. Définition ........................................................................................................................ 42 2.1.2. Génération d’un trou cylindrique.................................................................................... 42 2.1.2.1. Point de vue géométrique............................................................................................. 42 2.1.2.2. Point de vue technologique.......................................................................................... 43 2.1.2.3. Cinématique de l’opération de perçage........................................................................ 43 2.1.3. Typologie des trous cylindriques .................................................................................... 45 2.1.3.1. Perçage des trous cylindriques courts .......................................................................... 43 2.1.3.2. Perçage des trous cylindriques longs ........................................................................... 46 2.2. Outils de coupe pour perçage des métaux ............................................................................. 47 2.2.1. Forets............................................................................................................................... 47 2.2.1.1. Forets cylindrique à goujures hélicoïdales................................................................... 47 2.2.1.2. Forets ¾........................................................................................................................ 48 2.2.2. Têtes de forage................................................................................................................ 49 2.2.3. Techniques de réalisation des trous de perçage .............................................................. 50 2.2.3.1. Perçages sur machines-outils standard......................................................................... 50 2.2.3.2. Forage sur machine spéciale avec lubrification centrale haute pression ..................... 51 2.3. Machines-outils pour perçage des métaux............................................................................. 52 CHAPITRE 03: Modélisation géométrique du foret hélicoïdal.................................................. 55 3.1. Introduction.............................................................................................................................. 56 3.2. Géométrie d’un foret hélicoïdal standard.............................................................................. 58 3.2.1. Terminologie................................................................................................................... 58 3.2.2. Décomposition hiérarchique ........................................................................................... 59 3.2.3. Paramètres géométriques ................................................................................................ 61 3.3. Modélisation du corps du foret............................................................................................... 63 3.3.1. Modélisation du profil des goujures................................................................................ 65 3.3.1.1. Modélisation par équation paramétrique polaire ......................................................... 65 3.3.1.2. Modélisation par NURBS ............................................................................................ 67 3.3.2. Modélisation du corps de foret........................................................................................ 69 3.4. Modélisation géométrique de la pointe du foret.................................................................... 71 3.4.1. Principe de génération..................................................................................................... 71 3.4.2. Modèle mathématique du flanc de la pointe................................................................... 72 S O M M A I R E V 3.5. Modélisation de l’arête principale.......................................................................................... 73 3.5.1. Définition ........................................................................................................................ 73 3.5.2. Longueur de l’arête principale ........................................................................................ 74 3.5.3. Plans et vecteurs de base................................................................................................. 75 3.5.3.1. Plans de base................................................................................................................ 75 3.5.3.2. Vecteurs de base........................................................................................................... 76 3.5.4. Angles caractéristiques de base....................................................................................... 77 3.5.4.1. Angle de l'âme du foret................................................................................................ 77 3.5.4.2. Angle d'hélice plein matière......................................................................................... 77 3.5.4.3. Angle d'obliquité de l'arête........................................................................................... 77 3.5.4.4. Angle de coupe normal ................................................................................................ 78 3.5.4.5. Angle de dépouille normal........................................................................................... 81 3.5.4.6. Profondeur de coupe .................................................................................................... 83 CHAPITRE 04: Modélisation des efforts en perçage des métaux.............................................. 84 4.1. Introduction.............................................................................................................................. 85 4.2. Approche macroscopique........................................................................................................ 86 4.2.1. Paramètres de réglage ..................................................................................................... 86 4.2.2. Paramètres de coupe........................................................................................................ 87 4.2.3. Calcul relatif à une opération de perçage........................................................................ 88 4.2.3.1. Pression spécifique de coupe ....................................................................................... 88 4.2.3.2. Actions mécaniques de coupe...................................................................................... 89 4.3. Approche mésoscopique .......................................................................................................... 92 4.3.1. Localisation de la coupe en perçage des métaux ............................................................ 92 4.3.2. Phénomènes associés ...................................................................................................... 93 4.3.3. Problèmes liés au perçage des métaux............................................................................ 97 4.4. Efforts de coupe sur l’arête principale................................................................................... 98 4.4.1. Etat de l’art...................................................................................................................... 98 4.4.2. Présentation des efforts de coupe en coordonnées globales ......................................... 101 4.4.3. Présentation des efforts de coupe en coordonnées locales............................................ 103 4.4.4. Rappel sur le modèle de la coupe oblique..................................................................... 104 4.4.4.1. Mise situation............................................................................................................. 104 4.4.4.2. Description de la coupe oblique................................................................................. 105 4.4.4.3. Caractéristiques principales de la coupe oblique....................................................... 106 S O M M A I R E VI CHAPITRE 05: Simulation numérique des efforts et des contraintes .................................... 113 5.1. Introduction............................................................................................................................ 114 5.1.1. Objectifs de la simulation numérique en usinage.......................................................... 114 5.1.2. Rôle de la simulation numérique en usinage................................................................. 114 5.1.3. Composantes de la simulation numérique en usinage................................................... 115 5.2. Prédiction des efforts en perçage.......................................................................................... 115 5.2.1. Hypothèses .................................................................................................................... 115 5.2.2. Algorithme..................................................................................................................... 116 5.2.3. Données pour la simulation........................................................................................... 117 5.2.3.1. Données pour la pièce ................................................................................................ 117 5.2.3.2. Données pour le foret ................................................................................................. 118 5.2.3.3. Données pour les conditions de coupe ....................................................................... 118 5.2.4. Longueur de l'arête principale ....................................................................................... 119 5.2.5. Discrétisation de l'arête principale ................................................................................ 120 5.2.5.1. Nombre d'arêtes élémentaires..................................................................................... 120 5.2.5.2. Largeur d'une arête élémentaire ................................................................................. 121 5.2.6. Rayon de position.......................................................................................................... 121 5.2.7. Angles caractéristiques.................................................................................................. 123 5.2.8. Efforts élémentaires 1 F  , 2 F  et 3 F  au niveau local ................................................ 125 5.2.8.1. Obtention des efforts locaux 1 F  et 2 F  ................................................................. 125 5.2.8.2. Calcul de l'effort élémentaire transversal 3 F  ........................................................... 126 5.2.9. Efforts Tang F , Rad F , axiale F et P C ( z )au niveau global ................................................. 130 5.3. Prédiction des contraintes ..................................................................................................... 136 5.3.1. Modèles mathématiques................................................................................................ 136 5.3.1.1. Méthode des déplacements......................................................................................... 136 5.3.1.2. Méthode des forces..................................................................................................... 137 5.3.2. Formulation des équations intégrales ............................................................................ 137 5.3.2.1. B.I.E pour les déplacements ....................................................................................... 137 5.3.2.2. B.I.E pour les contraintes ........................................................................................... 138 5.3.3. Implémentation numérique............................................................................................ 139 5.3.3.1. Discrétisation géométrique de la frontière ............................................................ 139 5.3.3.2. Approximation numérique.......................................................................................... 141 5.3.3.3. Schémas de l'intégration numérique........................................................................... 143 5.3.3.4. Outil pour l'intégration numérique ............................................................................. 143 S O M M A I R E VII 5.3.4. Application .................................................................................................................... 144 5.3.4.1. Hypothèses ................................................................................................................. 144 5.3.4.2. Données du problème................................................................................................. 144 5.3.4.3. Résultats et discussion................................................................................................ 148 5.4. Conclusion............................................................................................................................... 152 Conclusion générale...................................................................................................................... 154 Références bibliographiques........................................................................................................ 156 Annexes .......................................................................................................................................... 165 Annexe 1 ......................................................................................................................................... 166 Annexe 2 ......................................................................................................................................... 168 Nomenclature et abréviations VIII 1. Symboles latins Symbole Désignation Unité a Profondeur de coupe mm Paramètres A Aire de la surface du plan de cisaillement en coupe oblique 2 mm b Largeur de coupe mm C Coefficient dépendant du matériau dans la relation de s K - CA Course axiale du foret mm p C Couple de perçage Nm Chaleur spécifique J kg. C  D Diamètre nominal du foret mm cop D Débit de copeau 3 mm tr kij D Noyau d'ordre 3 dans la formulation de la BIE des contraintes - d Diamètre du dégagement mm Distance entre l'axe du foret et une section transversale de la uploads/Geographie/ presente-par-guemmour-mohamed-boutkhil-intitule.pdf