4.1.
Difficultés rencontrées et alternatives
Bien que nous ayons réussi à valider notre modélisation de coupe orthogonale de l’AA 7175-T74 et d’en tirer des conclusions pertinentes, nous avons été confrontés à certaines difficultés qui nous ont obligé à trouver de nouvelles alternatives.
La plus grande limitation rencontrée dans ce projet est le manque d’information sur l’alliage d’aluminium 7175-T74. Par conséquent, nous avons choisi d’effectuer des essais expérimentaux d’usinage sur ce même matériau afin de déterminer les paramètres de la loi de comportement de Johnson-Cook via une méthode d’identification inverse basée sur un modèle analytique. Cependant pour les paramètres d’endommagement de Johnson-Cook de l’AA 7175-T74, nous nous sommes trouvés dans l’impossibilité d’effectuer les essais nécessaires pour la caractérisation de l’endommagement car les montages pour de tels essais n’existent pas à l’université et par manque de flexibilité administrative reliée à un probléme de confidentialité; nous avons donc été contraint d’utiliser ceux de l’AA 7075-T651, un alliage proche mais toutefois différent.
4.2.
Conclusion et perspectives
L’objectif de ce mémoire de maîtrise consistait à développer une méthodologie astucieuse de la modélisation de l’usinage des alliages d’aluminium à haute résistance en se basant sur la configuration de coupe orthogonale. Cette configuration est certes peu fréquente dans l’industrie mais elle offre néanmoins l’avantage de restituer les tendances majeures observées lors de la coupe tout en simplifiant la modélisation et l’accès aux paramètres clés (efforts de coupe, température au contact outil-pièce, …). En utilisant le logiciel ABAQUS/Explicit V6.13, un modèle élément finis 2D de coupe
81
orthogonale en formulation Lagrangienne avec contrôle de distorsion, assurant un couplage thermomécanique, a été développé.
La première partie de ce mémoire a mis en évidence la nécessité de la modélisation numérique des opérations d’usinage, qui se présente aujourd’hui comme une alternative très économique permettant d’étudier la coupe et tous ses paramètres dans un temps réduit. De plus la modélisation numérique donne accès à des grandeurs inaccessibles par l’expérience et difficiles à déterminer analytiquement, comme la distribution de la température, la vitesse de déformation ou les contraintes dans la pièce usinée et dans l’outil. Des généralités sur l’usinage ont été aussi présentées en décrivant, en premier lieu, les procédés de coupe en général et la coupe orthogonale en particulier, et en second lieu le processus de formation du copeau, la physique de la coupe et l’usinabilité des alliages d’aluminium ont été explicités. Cette partie introductive a permis également de positionner nos travaux de recherche durant ce projet par rapport aux travaux antérieurs qu’on peut trouver dans la littérature, qui ont traité la modélisation de l’usinage sous différentes formulations (Eulérienne, Lagrangienne, ALE, SPH…).
Au niveau de la deuxième partie nous nous sommes concentrés à la théorie de modélisation de l’usinage. Ainsi, nous avons établi d’abord les équations du modèle élasto-viscoplastique avec endommagement en tenant compte du couplage thermomécanique, ce dernier étant capable d’exprimer les principaux phénomènes (grandes déformations à hautes températures) mis en jeu lors de l’usinage. Ensuite, au niveau numérique, une formulation variationnelle classique à deux champs (déplacement et température) a été utilisée. Après discrétisation par éléments finis de deux fonctionnelles, on a abouti à un système algébrique thermomécanique couplé semi-discret. Sa résolution a été effectuée selon le schéma dynamique explicite en utilisant l’algorithme de résolution de Newton-Raphson (ABAQUS/Explicit).
La troisième partie de l’étude a été consacrée à la mise en œuvre et à la validation du modèle EF de coupe orthogonale. Ce modèle a été appliqué dans un premier temps à un alliage d’aluminium usuel 7075-T651, permettant ainsi de choisir convenablement les lois de comportement et d’endommagement des matériaux et les
82
lois de frottement caractérisant le contact outil-matière, régis par la physique de la coupe. Aussi, nous avons procédé à la calibration des différents paramètres physiques et numériques impliqués lors de la coupe et qui sont difficiles à déterminer par les méthodes classiques (analytiques et expérimentales) ; et ceci a été réalisé en ayant recours à des résultats expérimentaux regroupés de la littérature et en procédant à l’optimisation de l’erreur (numérique vs expérimentale). Dans un deuxième temps et après calibration, le modèle a été appliqué à l’alliage d’aluminium aéronautique 7175- T74. Les résultats numériques obtenus semblent être en bon accord avec les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce mémoire. On a pu alors conclure, que nous avons élaboré un modèle prédictif de l’usinage à grande vitesse des alliages d’aluminium à haute résistance donnant lieu à la formation d’un copeau segmenté.
Au niveau de la simulation, il reste encore du travail à faire notamment au niveau de l’analyse des aspects thermiques surtout dans la zone de contact outil/pièce. Cependant, l’ensemble des analyses menées au cours de notre étude a permis de modéliser la coupe orthogonale de l’AA 7175-T74 et les paramètres ayant une influence significative sur les résultats de simulation ont été cernés et identifiés.
Comme l’extraction des contraintes résiduelles au niveau de la surface usinée de la pièce est l’objectif ultime de ce projet, une extension de notre modèle EF est alors requise afin d’y inclure les autres étapes comme le dégagement de l’outil, le refroidissement de la pièce et la relaxation des contraintes et de procéder à leurs simulations.
De façon globale, nous avons présenté un modèle complet de simulation de l’usinage des alliages d’aluminium à haute résistance en tenant compte des différents aspects physiques, thermomécaniques et tribologiques. Une fois complété, ce dernier permettra un meilleur contrôle des procédés d’usinage. Ainsi, grâce à un meilleur contrôle, il sera possible d’estimer les contraintes résiduelles après usinage de finition et donc d’optimiser au niveau des conditions des opérations d’usinage (vitesse de coupe, avance et géométrie de l’outil) et de réduire les coûts tout en améliorant la qualité des pièces usinées.
83
84