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Simulation du grenaillage ultrason pour des pièces à
géométries complexes
Jawad Badreddine, Matthieu Micoulaut, Sébastien Remy, Emmanuelle
Rouhaud, Vincent Desfontaines, Pierre Renaud
To cite this version:
Jawad Badreddine, Matthieu Micoulaut, Sébastien Remy, Emmanuelle Rouhaud, Vincent Des-fontaines, et al.. Simulation du grenaillage ultrason pour des pièces à géométries complexes. 11e colloque national en calcul des structures, CSMA, May 2013, Giens, France. �hal-01722096�
CSMA 2013
11e Colloque National en Calcul des Structures13-17 Mai 2013
Simulation du grenaillage ultrason pour des pièces à géométries
complexes
Jawad BADREDDINE1,*, Matthieu MICOULAUT2, Sébastien REMY3, Emmanuelle ROUHAUD4, Vincent DESFONTAINES5, Pierre RENAUD6
1 SONATS, Groupe Europe Technologies, j.badreddine@sonats-et.com 2 LPTMC, Université Pierre et Marie Curie, mmi@lptl.jussieu fr 3 LASMIS, Université de Technologie de Troyes, sebastien remi@utt fr 4 LASMIS, Université de Technologie de Troyes, emmanuelle rouhaud@utt fr 5 SONATS, Groupe Europe Technologies, v.desfontaine@groupe-et.com 6 SNECMA Evry-Corbeil, Groupe SAFRAN, pierre renaud@snecma fr * Auteur correspondant
Résumé — Le présent manuscrit présente un outil de simulation dédié au grenaillage ultrason pour
des géométries complexes. Les hypothèses générales, les données d’entrée et de sortie du modèle sont présentées, ainsi que son algorithme. Le grenaillage d’un engrenage à denture droite est ensuite considéré. Une première campagne de validation montre une forte corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux. Une des contributions majeures du modèle est de fournir, aux différents modèles de prédiction des contraintes résiduelles, des données réalistes et consistantes sur le taux de recouvrement de la pièce, la distribution spatiale et statistique des vitesses et angles d’impact. De telles données sont très difficiles à déterminer expérimentalement à l’heure actuelle.
Mots clés — simulation, procédé, grenaillage ultrason, géométrie complexe, maillage, gaz granulaire
1. Introduction
Le grenaillage ultrason (GUS), développé par SONATS (technologie STRESSONIC® [1]), est un procédé de traitement de surface mécanique, qui consiste à projeter des billes sphériques à la surface d’un composant métallique (Figure 1.a). Les billes sont contenues dans une enceinte de traitement spécialement conçue pour la pièce à traiter. Celles-ci sont propulsées à des vitesses allant jusqu’à 20 m.s-1 à l’aide d’une sonotrode qui vibre à une fréquence ultrasonore (généralement 20 kHz). La multitude d’impacts génère des contraintes résiduelles superficielles de compression, améliorant ainsi les propriétés mécaniques et la durée de vie en fatigue de la pièce [2–4].
Les contraintes résiduelles introduites dépendent de grandeurs physiques, comme le recouvrement de la pièce [5,6], les vitesses et angles d’impact des billes [3], voir même la microstructure [7]. Ces grandeurs sont influencées en grande partie par la dynamique des billes dans l’enceinte. Cette dynamique découle directement du choix des paramètres procédé (facilement ajustables) comme la quantité et le diamètre des billes, la fréquence et l’amplitude de vibration de la sonotrode, ainsi que la durée du traitement. Mais elle dépend également des géométries et matériaux de l’enceinte de grenaillage et de la pièce [7,8]. De par la complexité de la dynamique des billes dans l’enceinte, très peu de choses sont connues sur l’influence des paramètres procédés sur les grandeurs physiques listées ci-dessus.
Pour cette raison, un modèle de la dynamique des billes a été développé [7,9,10]. Celui-ci permet de simuler le GUS sur des pièces dites « complexes » en condition industrielle. En traquant la trajectoire de chaque bille, il est possible de simuler plusieurs dizaines de secondes de traitement, i.e. des milliers d’impacts à la surface de la pièce. Une des contributions majeures du modèle est de
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2. M
2.1. H
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générales
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2.2. Données d’entrée et de sortie
L’objectif principal du présent modèle est de simuler une opération de GUS la plus réaliste possible. Ceci implique donc :
1. Une prise en compte de l’ensemble des valeurs prises par les paramètres procédé du GUS,
i.e. la quantité, le diamètre et le matériau des billes, l’amplitude, la fréquence et la direction de
vibration de la sonotrode, ainsi que la durée du traitement.
2. Une représentation géométrique fidèle du dispositif industriel de GUS, à l’aide du modèle
CAO1 de ses différents composants (sonotrode, enceinte et pièce). La discrétisation de chacun
des trois composants en un maillage « éléments finis », composé d’éléments triangulaires (Tri3). Ceci permet l’utilisation d’algorithmes performants de détection de collisions et de découpage de l’espace (Collision Tree) [17]. La librairie OPCODE [18], codée en C++, a été utilisée à ces fins.
3. La définition des paramètres matériaux utiles pour la simulation, i.e. les coefficients de restitution tangentiels et normaux, ainsi que les coefficients du frottement de Coulomb.
4. La possibilité de mettre en rotation la pièce à grenailler pendant le traitement, lorsque cela est nécessaire.
En fin de simulation, les données relatives à chaque impact, répertorié sur la pièce, sont sauvegardées dans un fichier, et correspondent à :
1. L’instant de l’impact
2. Coordonnées 3D du lieu d’impact 3. La vitesse d’incidence de la bille 4. La vitesse de rebond de la bille
Ces données sont par la suite analysées afin d’obtenir une évaluation qualitative et quantitative du recouvrement et de son taux, des distributions statistiques et spatiales des vitesses et des angles d’impact, ainsi que de l’énergie cinétique dissipée. L’idée est que ces résultats servent de données d’entrée à des modèles de prédiction des contraintes résiduelles existants [19–22].
2.3. Algorithme
L’algorithme du modèle repose sur un schéma de résolution à pas de temps imposé. Dans le cas présent, le pas de temps est recalculé à chaque incrément de temps. Sa valeur dépend du diamètre des billes et de la plus grande vitesse de billes à un incrément donné. La structure du modèle est détaillée dans la Figure 2. Les lettres B et M signifient respectivement bille et maillage.
3. C
3.1. M
Le c aluminiu visibilit dans un (numér d’impac l’engre procédé Figure 2 : Algoas d’étude
ontage expé
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5. C
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onclusions
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second temps, un interfaçage avec CATIA v5, logiciel de CAO, permettra une meilleure intégration du GUS dans le processus de conception des enceintes de traitement et du choix des paramètres procédé.
À plus long terme, ceci devrait permettre :
• Une liaison avec des modèles de prédiction des contraintes résiduelles induites. Ceci présentera un premier pas vers la prise en compte du procédé lors de la conception des pièces grenaillées.
• Une optimisation de la géométrie des enceintes de grenaillage ultrason, basée sur des critères tels que le profil des contraintes résiduelles souhaité dans la pièce et son recouvrement.
Remerciements
Nos plus grands remerciements vont à Snecma (SAFRAN Group), SONATS (Groupe Europe Technologies) et l’ANRT pour le financement de la thèse CIFRE, dans laquelle s’inscrivent les présents travaux.
Références
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