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Contributions to understanding the high speed machining effects on aeronautic part surface integrity

Jomaa, Walid (2015). Contributions to understanding the high speed machining effects on aeronautic part surface integrity. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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To remain competitive, the aeronautic industry has increasing requirements for mechanical components and parts with high functional performance and longer in-service life. The improvement of the in-service life of components can be achieved by mastering and optimizing the surface integrity of the manufactured parts. Thus, the present study attempted to investigate, experimentally and theoretically, the tool/work material interactions on part surface integrity during the machining of aluminium alloys and hardened materials (low alloy steels) using orthogonal machining tests data. The studied materials are two aluminum alloys (6061-T6 and 7075-T651) and AISI 4340 steel. The AISI 4340 steel was machined after been induction heat treated to 58-60 HRC. These materials were selected in an attempt to provide a comprehensive study for the machining of metals with different behaviours (ductile and hard material).

The proposed approach is built on three steps. First, we proposed a design of experiment (DOE) to analyse, experimentally, the chip formation and the resulting surface integrity during the high speed machining under dry condition. The orthogonal cutting mode, adopted in these experiments, allowed to explore, theoretically, the effects of technological (cutting speed and feed) and physical (cutting forces, temperature, shear angle, friction angle, and length Contact tool/chip) parameters on the chip formation mechanisms and the machined surface characteristics (residual stress, plastic deformation, phase transformation, etc.). The cutting conditions were chosen while maintaining a central composite design (CCD) with two factors (cutting speed and feed per revolution).

For the aluminum 7075-T651, the results showed that the formation of BUE and the interaction between the tool edge and the iron-rich intermetallic particles are the main causes of the machined surface damage. The BUE formation increases with the cutting feed while the increase of the cutting speed reduces it and promotes the BUL formation on the rake face of the cutting tool. We demonstrated also that by controlling the cutting speed and feed, it is possible to generate a benchmark residual stress state and good surface finish which can improve the in-service life of structural parts made of AA7075-T651aluminum alloys. In this context, correlations have been established between the stress state and the cutting parameters such as cutting forces, shear angle and friction angle.

We also investigated the effects of cutting conditions on surface integrity of induction hardened AISI 4340 steel (58-60 HRC) using mixed ceramic inserts. This investigation was motivated by the fact that excessive induction hardening treatment resulted in deep hardened layers (2 mm) with related low compressive residual stresses which may affect the performance of the induction heat treated parts. A judicious selection of the finishing process that eventually follows the surface treatment may overcome this inconvenient. The results showed that the machining process induces significant compressive residual stresses at and below the machined surface. The residual stress distribution is affected by the cutting feed and the cutting speed. On one hand, surface residual stress tends to become tensile when the cutting speed is increased. On the other hand, an increase in cutting feed accentuates surface damage whilst it increases compressive surface residual stress. Microstructural analysis shows the formation of a thin white layer less than 2 μm and severe plastic déformations beneath the machined surface. These results attest that the dry hard machining using ceramic tools may be an alternative to grinding, considered expensive and time consuming, since an enhanced surface integrity in terms of residual stresses and microstructure conditions can be achieved.

The first step of this study (experimental study) showed that the surface integrity is closely related to the mechanisms of chip formation. These mechanisms, which are the origin of thermo-mechanical loads, can be quantified by two main parameters: the cutting forces and temperatures generated during machining. Therefore, any attempt to predict the characteristics of the machined surface integrity (residual stresses, transformation phase, etc.), should be, necessarily, involve the prediction of cutting forces and temperature generated during the machining. In this study, we opt out to develop a model for predicting cutting forces and temperatures based on a constitutive equation of the work material that takes into account the effect of strain, strain rate, and temperature. Therefore, the second step of this approach has focused on the identification of the Marusich constitutive equation in order to model the behavior of the materials in high-speed machining. To do so, we proposed an original methodology for identifying the coefficients of Marusich’s constitutive equation (MCE) which demonstrated a good capability for the simulation of the material behaviour in high speed machining. The proposed approach, which is based on an analytical inverse method together with dynamic tests, was applied to aluminums 6061-T6 and 7075-T651, and induction hardened AISI 4340 steel (60HRC). The analytical method consists of determining the material constants inversely using machining tests combined with the response surface models established in the part one of the present thesis. In this section, we investigated the sensitivity of the material constants to the selected temperature models used in the inverse method. Two sets of material coefficients, for each work material, were determined using two different temperature models (Oxley and Loewen-Shaw). The obtained constitutive equations were validated using dynamic tests and finite element (FE) simulation of high speed machining. A sensitivity analysis revealed that the selected temperature model used in the analytical inverse method affected significantly the identified material constants and thereafter predicted dynamic response and machining modeling. In general, material constants obtained using Oxley temperature model gave satisfactory results, compared to Loewen and Shaw model, in predicting the dynamic behaviour and also in predicting the cutting forces during the finite element simulation of the high speed machining of the tested materials.

Finally, the material models which were identified in the previous step were thereafter implemented in a developed analytical model for predicting cutting forces and températures (the third step of the approach). We tested only the coefficients obtained by the Oxley temperature model, due to their better performance in predicting the cutting forces in FEM compared to those obtained by model Loewen and Shaw ones. This part of the study aimed to verify the coefficients determined for materials and also to generalize the Oxley machining theory for high speed machining of aluminum and hard steel alloy using semi-sharp and honed cutting tool edges. The predicted results were compared with experimental data from the present study and from the literature, covering a large range of cutting conditions (speed, feed, and rake angle). An encouraging good agreement has been found between predicted and measured cutting forces for all tested materials. The strain rate constants in the primary and secondary shear zone were found to be sensitive to the cutting conditions and their effects on the predicted data were discussed in detail. Thanks to the Marusich’s constitutive equation, the Oxley’s machining theory was extended to the high speed machining of aeronautic aluminum alloys and induction hardened steels. The proposed predictive model can be extended also to the prediction of the residual stresses whose their prediction using finite element method is complex and time consuming.

Through this experimental and theoretical study, we were able to emphasize the physical mechanisms that govern the chip formation and their effects on the machined surface integrity of two classes of metals (ductile and hard). The proposed approaches can be used in the optimization of the cutting conditions in order to control the surface integrity on the machined parts. Furthermore, the results of this study have been validated for feed rates (10 to 50 μm) comparable to the cutting edge radius (5 and 25 μm) used in the experiments. Thus, the developed models (analytical and finite element) can be extended for studying and modeling the conventional machining processes (turning, milling, and drilling) and nonconventional ones such as the micro-machining process.

Titre traduit

Contribution à la compréhension des effets de l'usinage à haute vitesse sur l'intégrité de surface des pièces aéronautiques

Résumé traduit

Pour assurer sa compétitivité, l’industrie aéronautique a de plus en plus besoin de composants et pièces mécaniques de haute performance fonctionnelle et de durée de vie en service plus longue. L’amélioration de la durée de vie en service des pièces usinées passe essentiellement par la maitrise et le contrôle de l’intégrité de surface. Ainsi, la présente étude a pour objectif d’investiguer, expérimentalement et théoriquement, les interactions outil/matière et leurs effets sur l’intégrité de surface lors de la coupe orthogonale à grande vitesse des alliages d’aluminium et des aciers durs utilisés dans la fabrication des pièces structurales en industrie aéronautique. Les matériaux d’étude sont deux alliages d'aluminium (6061-T6 et 7075-T651) et un acier faiblement allié (AISI 4340). L'acier AISI 4340 a été usiné à l’état traité par induction (58-60 HRC) (usinage dur). Ces matériaux ont été choisis dans le but de développer une approche globale pour prédire le comportement, en usinage à grande vitesse, de deux classes de métaux de caractéristiques mécaniques différentes (ductile et dur).

L'approche proposée se base sur trois étapes. Premièrement, nous avons établi un plan d’expérience afin de mener une investigation expérimentale sur les effets des conditions de coupe sur l’intégrité de surface et la formation de copeaux en usinage grande vitesse à sec. La configuration de la coupe orthogonale adoptée dans cette étude nous a permis d’explorer, théoriquement, les effets des paramètres technologiques (vitesse de coupe et avance) et physiques (efforts de coupe, température, angle de cisaillement, angle de frottement, et longueur de contact outil/copeau) sur les mécanismes de formation de copeaux et les caractéristiques de l’intégrité de surfaces usinées (contraintes résiduelles, déformation plastique, transformation de phase, etc.). Les conditions de coupe ont été choisies tout en respectant un plan d’expérience composite central (CCD) à deux facteurs (vitesse de coupe et avance par tour).

Dans le cas de l’usinage de l’aluminium 7075-T651, les résultats ont montré que la formation de l’arête rapportée (BUE) et l’interaction entre l’arête de coupe et les particules intermétalliques riches en fer sont les principales causes de la dégradation de la qualité de surfaces usinées. La formation de l’arête rapportée s’est intensifiée pour les avances élevées. Cependant, l’augmentation de la vitesse de coupe l’a réduit et a intensifié le collage de l’aluminium sur la face de coupe. L’étude a montré, également, qu’avec un choix judicieux de la vitesse de coupe et l’avance, il est possible de générer un état de contrainte de compression favorable à une meilleure durée de vie en fatigue des pièces en aluminium 7075-T651. Dans cette analyse, des corrélations ont été établi entre l’état de contrainte et les paramètres de coupe, tels que les efforts de coupe, angle de cisaillement, et angle de frottement.

D’autre part, nous avons étudié l’effet des conditions de coupe sur l’intégrité de surface en usinage dur de l’acier AISI 4340 durcis superficiellement par induction (58-60 HRC). Cette investigation a été motivée par le fait qu’une trempe par induction excessive a souvent engendré une couche durcie épaisse (2 mm) avec des contraintes résiduelles de compression faibles. Alors, notre objectif était de savoir si la finition par usinage dur, post-traitement d’induction, pourrait remédier à ce défaut. Les résultats ont montré que l’usinage dur à sec a permis d’améliorer l’état de contrainte résiduelle initial (après trempe par induction) en introduisant d’avantage des contraintes résiduelles de compression. Cependant, l’augmentation de la vitesse de coupe a induit des contraintes résiduelles de traction en surface. D’autre part, l’augmentation de l’avance a engendrée des contraintes résiduelles de compression et a accentuée l’endommagement de la surface usinée. L’analyse microstructurale au microscope électronique à balayage a révélé la formation de la couche blanche (épaisseur inférieur à 2 μm) en surface et des déformations plastiques sévères en sous-couches. Ces résultats ont démontré que l’usinage dur à sec avec un outil céramique est capable de produire des surfaces intègres qui peuvent concurrencer celles obtenues par rectification souvent jugée lente et très couteuse comparée à l’usinage dur.

L’étude expérimentale décrite ci-dessus et qui constitue la première étape de la présente thèse, nous a révélé que l’intégrité de surface est intimement liée aux mécanismes de formation de copeaux. Ces mécanismes, qui sont à l’origine des chargements thermomécaniques, peuvent être quantifiés par deux principaux paramètres : les efforts de coupe et la température générés lors de l’usinage. La quantification des efforts de coupe et température est indispensable dans la prédiction des caractéristiques de l’intégrité de surface(contraintes résiduelles, transformation de phase, etc.). D’où l’importance des modèles de prédiction des efforts de coupe et température. Dans la présente étude, nous avons choisi de développer un modèle de prédiction des efforts de coupe se basant sur une loi constitutive de comportement du matériau qui tient compte de l’effet de la déformation, vitesse de déformation, et la température. Par conséquent, la deuxième étape de cette étude a portée sur l’identification des coefficients de la loi de comportement de Marusich afin de simuler le comportement des matériaux étudiés en usinage à grande vitesse. Pour ce faire, nous avons proposé une méthode originale pour identifier les coefficients de la loi constitutive. Cette nouvelle approche, qui consiste à utiliser des tests dynamiques combinés à la méthode analytique inverse, a été appliquée aux alliages AA6061-T6, AA7075-T651, et AISI4340 (60 HRC). La méthode analytique consiste à déterminer, inversement, les coefficients matériaux à partir des essais d’usinages combinés aux modèles de surface de réponse établis dans la première partie de cette étude. Dans cette étape, nous avons étudié la sensibilité des coefficients matériaux aux modèles de températures utilisés dans la méthode inverse. Deux modèles matériau, pour chaque matériau testé, ont été déterminés à l’aide de deux différents modèles de température (model d’Oxley et de Loewen-Shaw). Les équations constitutives ainsi obtenues ont été validés à l'aide de résultats de tests dynamiques et aussi par un modèle éléments finis (EF) de l’usinage à grande vitesse. Une analyse de sensibilité a révélé que le choix du modèle de température influence significativement les coefficients matériaux et par la suite la prédiction de la contrainte d’écoulement et les paramètres de coupe (températures, forces, etc.). En général, les coefficients matériaux issues du modèle de température d’Oxley ont donné des résultats satisfaisants dans la prédiction du comportement dynamiques et aussi dans la prédiction des efforts dans le cas de la modélisation par éléments finis de l’usinage à haute vitesse des matériaux testés.

Finalement, les modèles matériaux ainsi établies dans la deuxième étape, ont été, par la suite, implémenté dans le modèle analytique prédictive des efforts de coupe et de la température (troisième étape de l’approche). Nous avons testé seulement les coefficients obtenues par le modèle de température d’Oxley, vu leur meilleure performance comparée à ceux obtenus par le modèle de température de Loewen et Shaw. Cette partie de l’étude a pour objectifs de vérifier les coefficients matériaux déterminé et aussi de généraliser le modèle prédictive d’Oxley pour l’usinage à grande vitesse des alliages d’aluminium et aciers durs avec outils de coupe à arête semi-vif et ronde. Les résultats prédits (efforts de coupe, épaisseur du copeau, longueur de contact outil/copeau) ont été comparé avec les données expérimentales obtenues dans la présente étude et de la littérature, couvrant un large éventail de conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, et angle de coupe). Un bon accord a été observé entre les forces de coupe prédites et mesurées pour tous les matériaux testés. Les constantes de vitesse de déformation dans la zone de cisaillement primaire et secondaire se sont révélées être sensibles aux conditions de coupe et leurs effets sur les données prédites ont été examinés en détail. Grace à la loi de comportement de Marusich, le modèle prédictif de coupe d’Oxley a été généralisé, a l’usinage à grande vitesse des alliages d’aluminium aéronautiques et acier durci par trempe à induction, avec succès. Le modèle de forces de coupe proposé pourrait être utilisé dans la prédiction analytique des contraintes résiduelles dont la prédiction par élément finis est souvent jugée délicate et lente.

A travers cette étude expérimentale et théorique, nous avons pu mettre en évidence les différents mécanismes physiques qui gouvernent la formation de copeaux et leurs effets sur l’intégrité de surface finie de deux classes de métaux (ductiles et durs). Cette approche permettra d’optimiser le choix des conditions de coupe afin de mieux maîtriser l’intégrité de surface. D’autre part, les résultats de cette étude ont été validés pour des faibles avances (10-30μm), comparables au rayon de l’arête de coupe utilisé (25 μm). Ainsi, les modèles de la coupe orthogonale développés dans cette étude (analytique et par éléments finies) peuvent être généralisés pour la prédiction et modélisation des procédés conventionnels (tournage, fraisage, et perçage) et non-conventionnels comme le micro-usinage.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 225-240.
Mots-clés libres: Usinage à très grande vitesse. Surfaces (Technologie) Analyse. Métaux Coupe Élimination des copeaux. Aluminium Alliages. Aciers alliés. Aéronautique Appareils et matériel. intégrité de surface, modélisation, équation constitutive, acier dur
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Songmene, Victor
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 avr. 2015 18:10
Dernière modification: 14 mars 2017 20:16

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