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Chapitre 3. Étude numérique du procédé de galetage orbital

3.1. Introduction à l’étude numérique

Loi de comportement matériau ... 85

Loi de contact outil-pièce ... 89

3.3. Description du Modèle Éléments Finis ... 93

Géométrie et conditions aux limites ... 93

Maillage ... 97

Etude de la scalabilité du modèle ... 102

3.4. Étude du niveau de galetage et de l’influence des conditions de galetage ... 104

Étude du niveau de galetage orbital ... 104

Influence de la configuration de galetage ... 108

Influence de la vitesse de rotation outil ... 110

Influence de la remontée de l’outil ... 112

Synthèse ... 114

3.5. Validation expérimentale du modèle éléments finis ... 115

Efforts de galetage ... 117

Évaluation des contraintes résiduelles par DRX en bord de plaque ... 117

Taux d’écrouissage et microdureté ... 118

Synthèse ... 120

3.6. Conclusion de l’étude numérique ... 120

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3.1. Introduction à l’étude numérique

L’un des objectifs fondamentaux du projet RODEO en général et de ces travaux de thèse

en particulier demeure la génération et l’optimisation des contraintes résiduelles compressives au

sein des alésages réalisés par perçage orbital. Comme il a été présenté au 1

er

chapitre, il existe divers

traitements mécaniques qui permettent d’introduire des contraintes résiduelles dans les couches

superficielles d’un matériau métallique. Au vu de la cinématique intéressante du perçage orbital

ainsi que des avantages indéniables du galetage (cf. chapitre 1), le choix a été naturellement porté

sur le procédé innovant qu’est le galetage orbital. Celui-ci est réalisé immédiatement à la suite de

l’opération de perçage orbital, grâce à un outil de galetage orbital

1

directement intégré à l’outil de

coupe (Figure 3.1). Le dégagement entre le galeteur et les dents de la fraise permet d’effectuer les

deux opérations indépendamment.

Figure 3.1 : Outil de perçage orbital + galetage orbital

Les principaux objectifs sous-jacents à présent sont :

 La détermination du niveau de galetage nécessaire pour avoir un impact sur la

surface du trou usiné ;

 La caractérisation des champs de contraintes résiduelles générés aux bords des

trous par le procédé de galetage orbital, notamment leurs distributions et leurs

intensités ;

 L’observation des déformations résiduelles et de la forme globale de l’alésage.

Les résultats issus de cette caractérisation permettraient d’apporter des informations sur

l’efficacité apparente d’un tel procédé, sur les méthodologies d’optimisations et d’améliorer, si

besoin, sa forme initiale. La méthode des éléments finis fournit généralement des résultats

qualitatifs et quantitatifs très intéressants, dès lors que les stratégies de modélisation associées sont

adaptées et que les lois de comportement matériaux et de contact sont bien identifiées. Ces étapes

d’identifications sont donc très cruciales et font l’objet de la première partie de ce chapitre. La

particularité même du problème mécanique du galetage orbital (déformations de faibles ampleurs

vis-à-vis des dimensions de la pièce, localisation des surfaces de contact du galeteur) implique un

nombre important d’éléments, ce qui engendre des temps de calculs considérables. Dès lors, il

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paraît intéressant de chercher à réduire ce problème, de façon à alléger le modèle numérique de

galetage orbital et ainsi faciliter l’emploi d’un tel outil dans un contexte industriel. Le choix des

géométries et des conditions aux limites, l’étude de la convergence du maillage et de la scalabilité

du modèle constituent ainsi l’essentiel de la deuxième partie. La construction du modèle numérique

de galetage orbital étant ainsi achevée, la troisième partie présente l’étude de l’influence des

conditions de galetage. Enfin, la validation de ces modèles est effectuée dans la dernière partie.

La modélisation a été mise en place en utilisant le logiciel éléments-finis ABAQUS 6.16.

Ce logiciel possède deux solveurs complémentaires (Abaqus Analysis User’s Guide (2016)) :

 Un solveur implicite adapté pour la résolution des problèmes de statique, de dynamique

linéaire, ou encore de dynamique non linéaire de faibles vitesses. Elle offre l’avantage de

pouvoir travailler avec un pas de temps assez grand mais nécessite à chaque pas de temps

une résolution itérative couteuse en temps de calculs.

 Un solveur explicite plutôt orienté résolution de problèmes de dynamique rapide, là où

un petit pas de temps est nécessaire pour prendre en compte les phénomènes physiques

de hautes fréquences. Il nécessite un pas de temps très petit pour être stable. La résolution

est directe et non itérative ce qui facilite la gestion des contacts et donc des frottements.

Notre choix s’est porté sur une résolution explicite pour différentes raisons. La première

est la présence des non-linéarités des contacts mécaniques au cours du galetage orbital, bien que

les niveaux de déformations soient faibles. La méthode explicite offre des algorithmes de gestion

du contact plus robustes dans ce cas de figure. Un deuxième argument concerne les grandes vitesses

imposées à l’outil qui impliquent l’utilisation d’un incrément de temps très faible, afin de prendre

en compte tous les phénomènes physiques liés à ce procédé et éviter ainsi d’éventuelles difficultés

de convergence. Une étude comparative avec une méthode implicite conduirait pour cette même

étude à un temps de calcul plus conséquent (principalement à cause des itérations de convergence

nécessaires à chaque incrément de temps). Enfin, anticipant des modèles tridimensionnels

volumineux, nous nous sommes intéressés aux possibilités de parallélisation de nos modèles. La

résolution explicite, associée à une décomposition en domaines, entraîne généralement de meilleurs

résultats en termes de speedup.

La simulation d’un procédé tel que le galetage orbital est une tâche relativement lourde. La

complexité des modèles développés a nécessité l’utilisation des ressources matérielles de la

plateforme CALMIP dédiée aux calculs intensifs. Il s’agit d’un mésocentre de calculs hautes

performances qui fédère les laboratoires de recherche de l’université Toulouse et sa région

(CALMIP).

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