Usinage à haute vitesse et à sec des alliages d'alluminium : aspects écologiques, thermomécaniques et dynamiques

Zaghbani, Imed (2009). Usinage à haute vitesse et à sec des alliages d'alluminium : aspects écologiques, thermomécaniques et dynamiques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'usinage à grande vitesse (UGV) à sec est une technologie prometteuse pour une industrie du futur qui encourage les procédés écologiques. L'UGV à sec est un procédé d'usinage plus écologique et moins coûteux que l'usinage avec lubrifiant. Les défis majeurs rencontrés lors de l'UGV à sec incluent la détermination des conditions et des stratégies de coupe stable, la limitation de réchauffement excessif de l'outil et de la pièce et la minimisation de l'émission des particules fines et ultrafines. La majeure partie de ces particules, générées au cours de l'usinage, est nocive à la santé des opérateurs. Cette dernière n'est pas toujours prise en considération lors de la sélection de conditions de coupe. Une approche originale a été proposée dans la présente thèse pour inclure la santé de l'opérateur comme facteur déterminant pour le choix de conditions de coupe en UGV à sec. Afin d'appliquer une telle approche, les défis rencontrés étaient traités sous trois angles différents mais inter reliés : l'aspect environnemental, l'aspect thermomécanique et l'aspect dynamique. En utilisant une approche énergétique, il était possible de prédire le pourcentage de la masse du copeau qui va se transformer en particules. Les mesures de validation expérimentale du modèle propo.sé ont été faites au cours de l'usinage à sec et lubrifié en utilisant deux spectromètres : Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer et Aerodynamic Particle Sizer spectrometer Le modèle permet de prédire les émissions de poussière pour des conditions de coupe données et de confirmer que la majorité de particules générées est causée par les déformations plastiques dans la zone primaire. Le pourcentage des particules générées est significativement influencé par les niveaux de déformation dans la zone de formation du copeau. Il a été démontré que les grandes vitesses de coupe permettent de réduire le pourcentage de particules générées. Cependant au cours de l'UGV à sec, réchauffement excessif peut causer des distorsions de la pièce et abréger la durée de vie de l'outil. Pour surmonter ces inconvénients, il est nécessaire de choisir les conditions de coupe qui minimisent réchauffement et les forces de coupe. Pour ce faire, un nouveau modèle thermomécanique a été développé pour prédire les forces et la température au cours de l'usinage pour des conditions données. Ce modèle permet la prédiction instantanée des forces de coupe et de la température. 11 inclut une équation constitutive de type Needleman-Lemonds. Les résultats du modèle sont comparés aux résultats de modèle d'Altintas et aux résultats expérimentaux. De bonnes corrélations sont observées. L'une des hypothèses adoptées pour construire le modèle de coupe était la stabilité de conditions de coupe. Pour vérifier cette hypothèse, la stabilité dynamique de procédé UGV a été abordée. Une nouvelle méthode a été proposée pour construire des lobes de stabilité 'dynamique' au cours de l'usinage. La technique d'analyse modale opérationnelle était appliquée avec succès pour extraire les paramètres dynamiques d'une machine-outil lors de l'usinage. Les résultats ont été utilisés pour construire des lobes de stabilité dynamiques. Ces lobes dynamiques tiennent compte du changement de la dynamique de machine-outil au cours de l'usinage.

Titre traduit

Dry high speed machining of aluminium alloys: ecological thermo-mechanical and dynamic aspects

Résumé traduit

Dry High Speed Machining (HSM) is a promising technology for future industry encouraging clean machining processes. Dry High Speed Machining is an environment friendly process and less expensive than wet machining. The challenging problems for dry HSM include the dynamic stability, the excessive heating of the tool-workpiece System and the generation of fine and ultrafine particles. The majority of these particles, generated during machining process, is hazardous to the operator's health . Generally, the latter is not considered during the selection of cutting conditions. In the present thesis a new approach was introduced where the operator's health is considered as a determinant factor for choosing the cutting conditions. Using an energetic approach it was possible to predict the percentage of the chip mass that transforms into dust. The validation measurements of the model were conducted using a Scanning Mobility Particle Sizer spectrometer and an Aerodynamic Particle Sizer spectrometer. These instruments were used to characterize particles in the micrometer and the nano-meter size ranges. Good agreement was observed between the model and the experimental measurements for the investigated conditions. It was found that high cutting speeds could reduce the percentage of the generated particles during the milling. However, during dry HSM, excessive heating of the tool-work piece System can cause the work-piece distortion and shorten the tool life. To overcome these disadvantages, it is necessary to choose the cutting conditions that preserve the tool and minimize the excessive heating. To do this, a predictive model for the cutting forces and temperature during dry HSM operations was developed. It includes a constitutive equation described by Needleman-Lemonds model, to consider the coupled thermo-mechanical aspects of dry High Speed Machining. The physical quantifies necessary for assessing the cutting forces and temperature during the machining process are evaluated using selected equations available in the literature. Good correlations were observed between the model predictions and both of the experimental and Altintas's model. One of the important work hypotheses adopted to develop the thermo-mechanical model is the stability of the machining operation. To validate this hypothesis in the present thesis, a new method was proposed to build dynamic stability lobes. The technique of Operational Modal Analysis was applied successfully to extract machine dynamic parameters that were used to build the dynamic stability lobes. These lobes take into account the change of the machine dynamic parameters during the machining operation.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par article[s] présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie mécanique." Bibliogr : f. [140]-145.
Mots-clés libres:	Usinage à très grande vitesse. Aluminium Alliages. Usinage à très grande vitesse Aspect de l'environnement. Aluminium Alliages Aspect de l'environnement. aspect, dynamique, sec, thermomecanique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 août 2010 13:02
Dernière modification:	18 janv. 2017 00:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/90

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