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Modélisation des émissions de particules microniques et nanométriques en usinage

Khettabi, Riad (2009). Modélisation des émissions de particules microniques et nanométriques en usinage. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'usinage occupe une place privilégiée dans les procédés de mise en forme par sa nécessité et son large domaine d'application, mais il présente aussi un danger potentiel pour la santé et l'environnement à cause des aérosols qu'il génère. Ces aérosols peuvent êtres liquides (provenant des fluides de coupe) ou solides (particules métalliques émises lors de la coupe). Par conséquent, la réduction de la génération des particules devrait contribuer à protéger l'envirormement et améliorer la qualité de l'air dans les ateliers d'usinage. Dans notre étude, on s'est concentré sur l'usinage à sec pour des raisons économiques (coût des lubrifiants et de traitement des copeaux) et écologiques (toxicité des lubrifiants et des particules).

L'objectif de ce travail est d'étudier et modéliser les émissions de particules métalliques lors de l'usinage en vue de les prédire et de les réduire à la source. L'approche retenue repose sur une analyse qui est faite conjointement de manière expérimentale et théorique, aux deux échelles microscopique et macroscopique à l'aide d'observations et de lois rhéologiques. Des essais ont été réalisés afin de déterminer l'influence des matériaux, géométrie de l'outil, et paramètres de coupe sur les émissions de fines et ultrafines particules en usinage. Ceci a fait l'objet des deux articles dont le premier a été déjà publié en avril 2007 {Material processing technology) et le deuxième soumis en juin 2008 {Materials engineering and performance).

Pour limiter la génération des particules ou pour la prédire, il est essentiel de connaître sous quelles conditions elles sont formées. Dans un troisième soumis en Aoiàt 2008 {Materials engineering and performance), les mécanismes à la base de la formation des particules ont été identifiés et un modèle de prédiction est proposé. Ce modèle inclut la géométrie de l'outil, les propriétés des matériaux, les conditions de coupe et la segmentation des copeaux. Ce modèle est basé sur une nouvelle théorie hybride qui intègre les approches énergétiques et tribologiques (microfriction) et la déformation plastique pour quantifier la poussière générée. Ce modèle a été validé en utilisant des résultats expérimentaux de tournage orthogonal conduits sur l'alliage d'aluminium 6061-T6, des aciers AISI 1018 et AISI 4140, et la fonte grise. Un nouveau facteur caractérisant les émissions (aptitude d'un matériau ou d'un procédé à émettre des particules) par rapport à la masse de copeaux débité, nommé "Dust unit ou DM" a été introduit pour pouvoir comparer l'émissivité de différentes opérations.

Titre traduit

Nano and micro particle emission modeling during machining

Résumé traduit

Machining is very favourable among metal working processes because of its needs and broad field of application, but it also represents of potential hazard both for health and environment because it generates aerosols. These aerosols are either liquid (from the cutting fluid) or solid (metallic particles generated during the cutting process). Therefore, the reduction of the particles produced should contribute to protect the environment and to improve the air quality in the machining shops. In our study, dry machining is adopted for economical (costs of the cutting fluids and chip treatment prior to recycling) and ecological reasons (toxicity of the lubricant and the metallic particles).

The main objective of this research work is to study and modeling of metallic particle emission during machining for prediction and reduction at the source purposes. The research approach used is based on qualitative and quantitative analysis data obtained from both experimental and theoretical works at two levels: microscopic and macroscopic with the assistance of observations and rheological laws. Experiments were carried out to determine the influence of materials, tool geometry and cutting parameters on particles émission during machining. Two scientific papers were written from this work. The first was published in April 2007 {journal of Material processing technology) and the second was submitted in Jun 2008 (journal of Materials engineering and performance).

In order to limit the dust emission, there is a need to understand at which conditions it is formed and to be able to predict it. In the third article submitted in August 2008 {Materials engineering and performance), the mechanisms of dust emission are identified and a dust emission model is proposed. The model includes the tool geometry, the material properties, the cutting conditions and the chip segmentation. The proposed model is based on the energy approach combined with the microfriction and the plastic deformation of materials. The model is validated using experimental results carried on 6061-T6 aluminum alloy, AISI 1018, AISI 4140 steels and grey cast iron during orthogonal tuming process. A new factor characterizing the emission of particles comparatively to the quantity of chip generated, named "Dust imit Du' was introduced to be able to compare the emissivity of various operations.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr : f. 128-132.
Mots-clés libres: Usinage. Usinage Modèles mathématiques. emission, metallique, micronique, nanometrique, particule
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Songmene, Victor
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Masounave, Jacques
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 18 août 2010 13:17
Dernière modification: 06 janv. 2017 02:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/59

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