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2015 MEMOIRE présenté à L’UNIVERSITE D’ARTOIS (Ecole Doctorale Sciences pour l’

2015 MEMOIRE présenté à L’UNIVERSITE D’ARTOIS (Ecole Doctorale Sciences pour l’Ingénieur, PRES Lille Nord de France) Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université Spécialité : sciences pour l’ingénieur, option : Génie Mécanique Par Nicolas DELAHAYE Professeur Agrégé CONTRIBUTION A L’EVALUATION DES EFFORTS DE COUPE AVEC APPLICATIONS AU FRAISAGE DE FINITION Soutenu le 21 mai 2015 devant le jury composé de : P. BUSSY, Professeur, Université de Picardie. Rapporteur E. CICALA, Maître de conférences HDR, Université de Bourgogne. Rapporteur F. BREABAN, Professeur, Université d’Artois. Directeur de thèse P. DEPREZ, Professeur, Université d’Artois. Co-directeur de thèse R. DEBUCHY, Maître de conférences, Université d’Artois. Invité P. VANTOMME, Professeur, Université de Picardie. Président de jury - 1 - - 2 - Résumé : L’usinage tient une place considérable dans l’industrie, c’est un des procédés les plus répandu. A ce titre, la maitrise du procédé de fraisage, notamment lors d’une opération de finition, est devenu un enjeu majeur dans le secteur industriel. La compréhension des phénomènes physiques présents lors d’un usinage de finition est un facteur important pour l’optimisation d’un procédé de fabrication par enlèvement de matière. Afin de déterminer les paramètres influents lors d’un usinage de finition, notamment lors d’un fraisage de profil, une nouvelle méthodologie expérimentale sera développée. Ces travaux vont s’articuler autour de trois activités principales : - La mise en place d’une instrumentation capable de recueillir une image des efforts de coupe. Ce dispositif expérimental devra être équipé de capteurs et d’une chaine d’acquisition pour acquérir les composantes des efforts selon les directions x et y. - Le développement d’un nouveau dispositif passe par une étape qualification dans laquelle une série de tests permettra d’établir la capabilité du montage. - Cette étude expérimentale s’accompagne d’une campagne d’essais permettant de définir les paramètres les plus influents lors d’un fraisage de profil de finition. Mots clés : Fraisage de profil, mesure d’efforts de coupe, essais de caractérisation, montage expérimental. - 3 - Abstract : Machining holds an important place in the industry, this is one the most common process. As thus, mastering the milling process, especially during a finishing operation, has become a major issue in the insdustrial sector. Understanding the physical phenomena present in a finishing machining is an important factor for the optimization of a manufacturing process by removing material. In order to determine the most important factors during a finishing machining, in particular during a profile milling, a new experimental methodology will be developed. This work will focus on three main activities : - The introduction of instrumentation capable of collecting an image cutting forces. This experimental device must be equipped with sensors and an acquisition channel to acquire the components of the forces in the x and y directions. - The development of a new device going through a stage qualification in which a series of tests will establish the capability of experimental device. - This experimental study is accompanied by a series of tests to define the most important parameters in a finishing profile milling Key words : Contour machining, cutting forces measurement, characterization tests, experimental design. - 4 - Remerciements : Ces travaux de thèse ont été réalisés simultanément au département Génie Mécanique et Productique de l’IUT de Béthune ainsi qu’à la Faculté des Sciences Appliquées de Béthune et au sein du LGCgE (Laboratoire Génie Civil et géo-Environnement). Je tiens tout d’abords à remercier M. DEFER Didier, directeur de LGCgE pour m’avoir permis d’effectuer cette thèse au sein du LGCgE. Je témoigne ma reconnaissance à M. BREABAN Florin, directeur de cette thèse, pour ses précieux conseils lors des différentes phases expérimentales ainsi que pour sa disponibilité. J’exprime toute ma gratitude à M. DEPREZ Pascal, codirecteur de cette thèse pour ses aides précieuses ainsi que le temps qu’il m’a accordé pour ce travail. Je remercie tout particulièrement, M. BUSSY Pascal et M. CICALA Eugen pour avoir accepté d’examiner mon travail. Je remercie également M. VANTOMME Pascal, professeur à l’université de Picardie d’avoir bien voulu être membre de ce jury. J’adresse également mes remerciements à M. DEBUCHY Roger, chef du département Génie Mécanique et Productique de Béthune pour l’accueil qu’il m’a offert au sein du département. Je tiens à remercier tout particulièrement M. COUTOULY Jean-François, Maître de Conférences, pour sa contribution à la valorisation des travaux présentés dans ce mémoire. Je remercie bien entendu, M. DEPRET Dominique, ingénieur d’études, M. DELOBEL André pour la préparation des échantillons, ainsi que toute l’équipe du Département Génie Mécanique et Productique pour l’accueil qu’ils m’ont offert. - 5 - SOMMAIRE Introduction générale 12 Première partie : la thermographie infrarouge 15 I. Introduction 16 II. Origine de la thermographie Infrarouge 17 1. Nature du rayonnement infrarouge 18 2. Le spectre infrarouge 18 3. L’émissivité 20 III. La technique de mesure par thermographie infrarouge 22 1. La chaîne de mesures 23 2. La thermographie infrarouge passive / active 25 3. La thermographie infrarouge appliquée au domaine de l’usinage 28 Deuxième partie : le contexte expérimental 33 I. Introduction 34 II. Objectifs de l’étude 37 1. Domaines d’étude envisagés 38 2. Origines et effets des contraintes résiduelles 40 3. Caractérisation des contraintes dynamiques 43 - 6 - III. Montage expérimental développé au Laboratoire de Génie Civil et 45 géo-Environnement. 1. Principe 45 a) Les efforts de coupe 45 b) Descriptif du montage 49 2. Alliage étudié 50 3. Capabilité du montage expérimental 52 4. Etalonnage statique des capteurs 57 5. Conditions expérimentales 60 Troisième partie : Résultats et analyses (plan d’expériences) 67 I. Procédure expérimentale 68 II. Etude des efforts de coupe 70 1. Etude de l’influence des facteurs étudiés sur Fx trac. 70 2. Etude de l’influence des facteurs étudiés sur Fx comp. 72 3. Etude de l’influence des facteurs étudiés sur Fy trac. 74 4. Etude de l’influence des facteurs étudiés sur Fy comp. 76 5. Etude de l’influence des facteurs étudiés sur l’usure Vb de l’outil. 80 6. La formation du copeau. 84 7. Couplage efforts de coupe tangentiel / phénomènes thermiques 86 a) Détermination de la composante tangentielle de 86 l’effort de coupe b) Détermination de l’énergie spécifique de coupe 88 Quatrième partie : Conclusion et perspectives 90 - 7 - Annexes 94 Bibliographie 100 - 8 - Table des figures : Fig. 1. Evolution des instruments de mesure de température, schéma inspiré de: 16 « On The Measurement of Temperature in Material Removal Processes » [DAV 07]. Fig. 2. Schéma des bandes spectrales en thermographie et thermographie infrarouge. 19 Fig. 3. Variation de l’émissivité ε avec l’angle d’observation φ. 20 Fig. 4. La chaîne de mesure en Thermographie Infrarouge, de l’émetteur 24 (objet rayonnant) au récepteur (radiomètre). Fig. 5. Configuration expérimentale pour l’inspection en thermographie infrarouge 26 passive [IBA 08]. Fig. 6. Configuration expérimentale pour l’inspection en thermographie infrarouge 27 active [IBA 08]. Fig. 7. Influence des effets thermiques et mécaniques à l’interface 32 pièce / outil / copeau (coupe orthogonale) [ZEM 07]. Fig. 8. Schématisation des paramètres issus du Couple Outil/Matière (COM) 35 et à identifier pour établir le modèle. Fig. 9. Modèle de segmentation proposé par Kline et De Vor [KLI 82]. 39 Fig. 10. Illustration des effets thermiques et déformations plastiques combinés 41 sur les contraintes résiduelles. Fig. 11a. Répartition des flux de température dans la zone de coupe [BAT 01]. 42 Fig. 11b. Energie calorifique produite (cercle rouge) et évacuée (encadrement 42 bleu) [BIE 09]. Fig. 12. Méthodes d’analyses associées aux trois approches pour la modélisation 43 des efforts de coupe [CHE 03a]. Fig.13. Schéma de principe de la coupe orthogonale (à gauche) 46 et la coupe oblique (à droite). - 9 - Fig.14 Schéma des efforts de coupe du modèle d’Oxley. 48 Fig. 15. Modèle volumique d’une glissière intégrée dans le montage expérimental. 49 Fig. 16. Photographie du dispositif expérimental. 50 Fig. 17. Plan des échantillons. 51 Fig. 18. Dispositif de sollicitation en compression du capteur Fx. 52 Fig. 19. Schématisation du dispositif de réglage. 54 Fig. 20. Influence de la position sur la tension U1 en Volts du capteur Fx. 55 Fig. 21. Influence de la position sur la tension U2 en Volts du capteur Fy. 55 Fig. 22. Réponses du capteur Fx pour différentes sollicitations de compression.. 58 Fig. 23. Réponses du capteur Fy pour différentes sollicitations de compression.. 58 Fig. 24. Vérification de la symétrie des réponses du capteur Fx. 60 Fig.25. Influence des paramètres de coupe sur les contraintes résiduelles 61 pour un alliage de titane [MANTLE, 2001]. Fig. 26. Synoptique du déroulement des essais. 63 Fig. 27. Section coupée par une dent d’outil en opération de fraisage latéral. 64 Fig. 28. Discrétisation des arêtes de coupes lors d’une opération de fraisage de profil. 65 Fig. 29. Graphe des effets des paramètres étudiés sur Fxtrac.. 71 Fig. 30. Graphe des interactions de niveau 2 entre les paramètres étudiés sur Fxtrac.. 71 Fig. 31. Graphe des effets des paramètres étudiés sur Fxcomp. 73 Fig. 32. Graphe des interactions de niveau 2 entre les paramètres étudiés sur Fxcomp. 73 Fig. 33. Graphe des effets des paramètres étudiés sur Fytrac. 75 Fig. 34. Graphe uploads/Ingenierie_Lourd/ delahaye-nicolas.pdf