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On the characterization of Johnson-Cook constants : numerical and experimantal study of high speed machining aerospace alloys

Daoud, Monzer (2016). On the characterization of Johnson-Cook constants : numerical and experimantal study of high speed machining aerospace alloys. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The aerospace industry would eventually replace chemical machining by mechanical machining which is more accurate, more predictable and more ecological. In fact, the discharges in the case of chemical machining contain especially carbon dioxide and solvents that are difficult to degrade in groundwater. The mechanical machining also avoids an important quantity of hazardous substances and provides better chips recycling. However, the control of mechanical machined parts quality goes through the prediction and the optimization of the metal cutting processes. The most attractive computational tool to predict and optimize metal cutting processes is the finite element modeling (FEM). The success and the reliability of any FEM depend strongly on the constitutive laws which describe the thermo-mechanical behavior of the machined materials. The most commonly used one is that of Johnson and Cook (JC) which combines the effect of strains, strain rates, and temperatures. The determination of the material constants of JC under high strains, strain rates, and temperatures during machining conditions has long been a major challenge but a necessity for those who apply finite element modeling techniques in machining processes at the chip formation scale.

This study aims at treating this subject in order to better understand the effect of the JC constitutive law on the prediction of cutting parameters (cutting forces, residual stresses, etc.) for aluminum alloys. In addition, in order to meet the interests of aerospace industry, three aluminum alloys (Al2024-T3, Al6061-T6 and Al7075-T6) commonly used in aircraft applications have been selected.

This research work is divided into three consecutive steps.

Firstly, a new approach to identify the material constants of JC for metal cutting is proposed. The approach is based on the inverse method (orthogonal machining tests) and the response surface methodology which allows generating a large number of cutting conditions within fixed ranges of cutting speed, feed rate, and rake angle. Based on this approach, the sensitivity of the material constants of JC to the rake angle for the three alloys was analysed. It was found that, for these three alloys, one set of the material constants obtained from the proposed approach predicts more accurate values of flow stresses as compared to those reported in the literature. Moreover, a 2D FEM investigation of the orthogonal cutting also showed a good agreement between the predicted cutting parameters (cutting forces and chip thickness) and experimental ones when using the material constants obtained by the proposed approach.

Secondly, a specific focus was put on the influence of the rake angle on the material constants of JC and hence on the predicted cutting parameters (cutting forces, chip morphology, and tool-chip contact length). To achieve this goal, different sets of JC constants obtained at different rake angles (-8°, -5°, 0°, +5°, and +8°) were used in conjunction with a 2D finite element model to simulate the machining behavior of Al2024-T3 alloy. It was found that the material constants set obtained with 0° rake angle gives overall more accurate predictions of the cutting parameters as compared to other studied sets.

Finally, the last step of this study is devoted to the prediction of induced residual stresses within the machined workpiece (Al2024-T3) and the temperature of the cutting tool(uncoated carbide). Three sets of JC based on the results obtained from the previous step with rake angles of -8°, 0°, and +8° were considered. Two finite element models were used; a 2D thermo-mechanical simulation to simulate chip formation and a 3D pure thermal analysis to obtain the temperature distribution. The results show that a better prediction of the residual stresses is obtained with JC at 0° while the other sets of JC at -8° and +8° tend to overestimate or underestimate the measured residual stresses, respectively. As far as the temperature of the cutting tool is concerned, the average values of the predicted températures of the cutting tool for each studied set of JC was considered in order to evaluate the best prediction. Based on these average values, the effect of the three sets of JC was not significant since the difference between the measured temperatures and the predicted average ones are less than 5.5% with the three cutting conditions.

Résumé traduit

L’industrie aéronautique souhaiterait à terme remplacer l’usinage chimique par l’usinage mécanique lequel est plus précis, plus prévisible et surtout plus écologique. En effet, les rejets issus de l’usinage chimique contiennent notamment du dioxyde de carbone et des solvants qui se dégradent difficilement dans les eaux souterraines. L’usinage mécanique permet aussi d’éviter une disposition importante de matières dangereuses et offre un meilleur recyclage des copeaux. Cependant, la maîtrise de la qualité des pièces produites par usinage mécanique, passe par la prédiction et l’optimisation du processus de coupe du métal. L’outil de simulation le plus utilisé est la modélisation par éléments finis (MÉF). La réussite et la fiabilité des modèles simulés dépendent fortement des lois décrivant le comportement thermomécanique des matériaux usinés. Parmi elles, la plus utilisée est celle de Johnson-Cook (JC), qui combine l'effet de la déformation, de la vitesse de déformation, et de la température. La détermination des paramètres constitutifs de JC pour des conditions d’usinage extrêmes (grande déformation, vitesse de déformation élevée, haute température) a longtemps été un défi majeur, mais une nécessité pour ceux qui appliquent la méthode des éléments finis pour modéliser la coupe à l’échelle de la formation des copeaux.

Cette étude a pour objectif de traiter cette problématique en tentant de mieux comprendre l'effet de la loi de comportement de JC sur la prédiction des paramètres de coupe (les efforts de coupe, les contraintes résiduelles, etc.) pour des alliages d’aluminium. Aussi dans le but de répondre aux besoins de l’industrie aéronautique, nous avons choisi des alliages d’aluminium (Al2024-T3, Al6061-T6, et Al7075-T6) couramment utilisés par celle-ci.

Ce travail de recherche est divisé en trois étapes successives.

Dans un premier lieu nous proposons une nouvelle approche d’identification des paramètres constitutifs de JC pour la coupe de métal. Celle-ci est basée sur la méthode inverse (tests d’usinage orthogonal) et la méthodologie de surface de réponse ce qui permet de générer un grand nombre de conditions de coupe pour une plage fixe de vitesse de coupe et d’avance, et de l'angle de coupe. Grâce à cette approche, nous avons pu analyser la sensibilité des paramètres constitutifs de JC à différents angles de coupe pour les trois alliages. Il a été constaté que, pour ces trois alliages cités, l’un des ensembles de paramètres constitutifs trouvés permet des prédictions plus précises de la contrainte d’écoulement par rapport à ceux rapportés dans la littérature. De plus, une étude par éléments finis en 2D de la coupe orthogonale a également montré une bonne corrélation entre les paramètres de coupe prédits (efforts de coupe et épaisseur de copeau) et ceux obtenus expérimentalement lors de l’utilisation des paramètres constitutifs de JC identifiés par l’approche proposée.

En second lieu, nous avons prêté une attention particulière sur l’effet de l’angle de coupe sur les paramètres constitutifs de JC et par conséquent sur la prédiction des paramètres de coupe (les efforts de coupe, la morphologie de copeaux, la longueur de contact outil-copeau). Pour cela, différents ensembles de paramètres constitutifs de JC déterminés à différents angles de coupe (-8°, -5°, 0°, +5°, et +8°) ont été utilisés dans un modèle numérique d’éléments finis 2D pour simuler le comportement d’usinage de l’alliage Al2024-T3. Nous avons constaté que l’ensemble de paramètres constitutifs obtenu avec un angle de coupe de 0° donne globalement des prédictions plus précises des paramètres de coupe comparativement aux autres angles de coupe étudiés.

Enfin, la dernière étape de cette thèse est consacrée à la prédiction des contraintes résiduelles générées dans la pièce usinée (Al2024-T3) et des températures dans l’outil de coupe (uncoated carbide). Ainsi cette fois, nous avons décidé de considérer trois ensembles en se basant sur les résultats obtenus lors de l’étape précédente avec les angles de coupe de -8°, 0°, et +8°. Deux modèles numériques basés sur la méthode des éléments finis ont été utilisés: le premier été utilisé pour faire une analyse thermomécanique-2D pour simuler la coupe et le second pour une analyse thermique-3D pour étudier la distribution des températures. Les résultats montrent qu'une meilleure prédiction des contraintes résiduelles est obtenue lors de l'utilisation de JC à 0 ° tandis que les autres ensembles de JC à -8 ° et à + 8 ° ont tendance à respectivement surestimer ou sous-estimer celles-ci. Concernant la température dans l’outil de coupe, afin d’en évaluer la meilleure prédiction nous avons calculé des moyennes de températures simulées dans les outils de coupe de chaque ensemble de JC étudié. Nous avons remarqué que ces moyennes sont très proches des températures mesurées expérimentalement (environ 5,5% de différence) et nous avons déduit que les ensembles de JC n’influent pas sur la prédiction des températures de coupe dans l’outil.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 165-181.
Mots-clés libres: Modèle de Johnson-Cook. Métaux Coupe Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Aluminium Alliages Usinage. Usinage à très grande vitesse. Contraintes résiduelles. Modèles thermomécaniques. Analyse thermique. Aéronautique Appareils et matériel Industrie. usinage mécanique, loi de comportement de Johnson-Cook, MÉF, identification, méthode inverse
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chatelain, Jean François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel-Hakim
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 01 mars 2017 14:47
Dernière modification: 01 mars 2017 14:47
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1815

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