Les travaux présentés dans ce mémoire ont pour objectif de disposer d’un logiciel de prédiction des contraintes résiduelles en tournage finition du 316L. Cette étude s’inscrit dans une démarche de compréhension des phénomènes induisant les contraintes résiduelles afin de les relier aux conditions d’usinage utilisées. En effet, l’intégrité des surfaces générées par tournage est en grande partie conditionnée par ces effets et se répercute sur la fiabilité des pièces en fonctionnement.
Après avoir décrit le contexte de l’étude et approfondit la notion d’intégrité de surface, les diverses affectations engendrées par les procédés d’usinage ont été montrées. Ensuite les mécanismes de génération de contraintes résiduelles d’origine mécanique, thermique et métallurgique ont été présentés.
Le projet portant sur le tournage finition de l’inox 316L quelques rappels concernant le tournage ont été faits et les mécanismes d’enlèvement de matière décrits. Ces étapes préliminaires ont conduit à étudier les diverses approches utilisées pour lier les états de contraintes résiduelles aux paramètres utilisés par l’opération de tournage.
Il en ressort les avantages et inconvénients des trois approches principales. En effet les travaux purement expérimentaux ont l’avantage d’être à priori les plus proches de la réalité mais ne permettent pas d’accéder aux phénomènes locaux présents durant la coupe. Les méthodes analytiques permettent de modéliser certains phénomènes
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Cet état de l’art a permis d’orienter l’étude vers un modèle numérique simple, ne simulant pas la séparation de la matière et la formation du copeau. Il utilise des formulations analytiques pour la forme des divers chargements thermomécaniques et s’appuie sur des valeurs expérimentales au niveau des données d’entrée.
Ces travaux ont été l’occasion de développer un modèle de frottement dédié à l’usinage à sec de l’inox 316L par un outil en carbure de tungstène revêtu de nitrure de titane.
Les résultats obtenus avec le modèle 2D sont intéressants puisqu’ils montrent clairement une influence des paramètres d’usinage sur les profils de contraintes résiduelles calculés.
La vitesse de coupe conditionne principalement la valeur maximale de la contrainte en peau alors que l’avance joue plus sur la profondeur affectée par les contraintes. Il ressort aussi de cette étude un comportement inchangé de l’inox lorsque des rayons d’arête variables sont testés ce qui peut s’expliquer par un écoulement difficile de cet acier autour de l’arête de coupe qui conduit à une zone de stagnation de la matière recréant en quelque sorte un rayon d’arête rapporté.
Le modèle 3D, quant à lui, illustre les capacités de l’approche employée. En effet, il permet de simuler plusieurs tours d’usinage ce qui n’est pas le cas des autres modèles, notamment les modèles A.L.E. Cette faculté met en évidence l’influence d’un tour sur l’autre lorsque les niveaux de contrainte sont suffisants. Il apparait ainsi une augmentation de la contrainte en peau entre le tour 1 et le tour 2 puis une diminution de la contrainte en peau du tour 2 par le tour 3. Ces premiers résultats bien que qualitatifs et basés sur un modèle simple rendent quasiment indispensables la simulation de plusieurs tours afin d’obtenir des résultats précis.
Afin d’améliorer les modèles, notamment le 3D, il est nécessaire d’affiner la répartition des chargements. Ce travail peut être fait en modifiant la nature de la loi de répartition des chargements dans la direction d’avance en utilisant des répartitions paraboliques ou
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discontinues. D’un point de vue expérimentale, une campagne d’essais visant à renseigner cette loi de répartition pourrait être lancée. En effet, l’approche présentée dans ce manuscrit est basée sur l’évolution de la section enlevée par l’outil à chaque passages.
L’influence de cette section sur le chargement pourrait donc être mise en évidence en réalisant des essais avec des épaisseurs non déformées de copeau variables censées représenter les différentes sections de matière enlevées calculées grâce à l’épure tracée au chapitre 6.
Un autre point clé de ces simulations repose sur la modélisation du comportement mécanique des aciers sous fortes contraintes, à hautes températures et à hautes vitesses de déformation. Les travaux portant sur la recristallisation dynamique sont au cœur de cette problématique [Lurdos2008]. De plus, la loi de comportement utilisée pour les deux modèles est de type élasto-visco-plastique avec une dépendance à la température. Ces données sont tabulées et l’influence de la vitesse de déformation est obtenue grâce au modèle de Johnson et Cook utilisant un jeux de paramètres le plus adapté possible à la simulation de la coupe. Cette loi de comportement peut encore être améliorée en ayant recoure à des méthodes inverses d’identification de jeux de paramètres basées sur des simulations de coupe et des essais expérimentaux.
Le modèle de frottement quant à lui va bénéficier du nouveau tribomètre développé au sein du laboratoire pour améliorer la caractérisation du frottement aux basses vitesses de glissement et inclure l’influence de la pression et de la rugosité. En effet, dans les deux types de modèles présentés dans ce mémoire, les vitesses de glissement et les pressions de contact sont supposées constantes au niveau de la face de coupe et de la zone de contact en dépouille. Cette hypothèse est une hypothèse forte et, en se basant sur des modèle A.L.E, il est possible d’extraire les vitesses de glissements locales et les pressions dans ces deux zones. Ces résultats montrent qu’il est importants de faire intervenir ces deux paramètres car ils sont loin d’être constants.
L’apport de la thermographie infrarouge dans la quantification des chargements thermiques à appliquer est à améliorer. En effet, la méthode mise au point pour caractériser les gradients de températures dans la pièce et remonter au flux de chaleur qui les induits doit être perfectionnée.
Les mesures de gradients de contraintes résiduelles réalisées sur les éprouvettes grâce à la technique de diffraction des rayons X permettent d’observer la pertinence des simulations en ce qui concerne les résultats de type mésoscopiques tels que les profondeurs affectées et l’allure de la courbe de contrainte résiduelles dans la profondeur. La valeur de la contrainte en surface est quant à elle largement supérieure dans le cas des mesures ce qui peut s’expliquer par des tailles de grains importantes qui perturbent la mesure et vont à
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