A contribution towards the optimisation of Laser Assisted Machining
Contribution à l'optimisation du procédé d'usinage assisté laser
Résumé
Laser assisted machining (LAM) is a machining process that consists of heating the workpiece via a laser beam, upstream of the cutting tool. The mechanical properties of the workpiece, in the locally heated zone, are greatly reduced, which translates as an increased machinability. This work investigates the influence of laser assistance on the machiniability and the surface integrity of several materials: 42CrMo4 steel, 100Cr6 steel (heat treated to 57 HRc), and titanium alloy Ti6Al4V. The measurement of the cutting force is used to quantify the increase in machinability of the materials, as a function of the laser power and the cutting parameters. In certain configurations, the cutting force is decreased by 50 % for 100Cr6 and up to 40 % for the Ti6Al4V. The surface roughness is relatively insensitive to the laser power. However, the residual stresses tend towards positive values (tension) with the increase of the surface temperature. This modification of the residual stresses causes, for example, a decrease of 30MPa in the push-pull fatigue limit of the titanium alloy. At the same time the fatigue limit changes with the heat treatment caused by the laser at the cut surface during LAM. For the titanium alloy, the laser heat treatment creates a needle-shaped microstructure which is catastrophic in terms of fatigue. On the other hand, for the 100Cr6 steel, a thin layer of martensite(with strong compressive residual stresses) is created on the surface which increases the fatigue limit by approximately 70MPa. Numerical simulations of LAM and conventional machining have been undertaken in order to understand the role of the laser heat input on chip formation. The results show a decrease in the cutting force as laser power is increased. This is in agreement with the experimental work. The results obtained permit the optimization of the cutting parameters and to determine the mechanical and thermal loads on the cutting tool.
L'Usinage Assisté Laser (UAL) est un procédé d'usinage qui consiste à chauffer la pièce à l'aide d'un faisceau laser en amont de l'outil de coupe. La pièce ainsi chauffée voit ses caractéristiques mécaniques chuter, ce qui augmente son usinabilité. Les travaux réalisés ont porté sur l'influence de l'assistance laser sur l'usinabilité et l'intégrité de surface, de plusieurs matériaux: l'acier 42CrMo4, l'acier 100Cr6 traité (57 HRc) et l'alliage de titane Ti6Al4V. La mesure de l'effort de coupe a permis de quantifier l'amélioration de l'usinabilité des matériaux en fonction de la puissance du faisceau d'assistance et des paramètres de coupe. Dans certaines configurations, l'effort de coupe diminue jusqu'à 50 % sur le 100Cr6 et jusqu'à 40 % sur le Ti6Al4V. L'état de surface est peu sensible à la puissance laser. En revanche, les contraintes résiduelles tendent vers la traction avec l'augmentation de la température de surface. Cette modification des contraintes résiduelles provoque, par exemple, une diminution de la limite de fatigue en traction-compression (-30 MPa) des pièces en Ti6Al4V. Parallèlement, la limite de fatigue évolue avec les traitements thermiques de la surface effectués par le laser pendant l'UAL. Sur l'alliage de titane, le traitement thermique laser crée une microstructure aiguillée qui est catastrophique pour la tenue en fatigue. En revanche, sur l'acier 100Cr6, une couche martensitique (en forte compression) est créée en surface ce qui augmente la limite de fatigue d'environ 70 MPa. Des simulations numériques de l'UAL et de l'usinage conventionnel ont été réalisées pour comprendre le rôle du chauffage laser sur la formation du copeau. Les résultats numériques montrent une diminution de l'effort de coupe avec la puissance laser en accord avec les essais expérimentaux. De plus, ils permettent d'optimiser les paramètres de coupe et de connaître les sollicitations mécaniques et thermiques sur l'outil.