Development of a predictive force model integrating the contact on the clearance face : application to superfinish turning of copper Cu-c2
Développement d'un modèle d'efforts de coupe intégrant le contact en dépouille : application au tournage de superfinition du cuivre Cu-c2
Résumé
The aim of this work is the modelling of cutting forces in superfinish machining of copper Cu-OFHC through the Tool-Edge-Pair method. The cutting force prediction allows to adapt machining conditions and tool geometries to improve their performance. This method is based on edge segmentation and elemental forces functions of cutting parameters applied on each segment. The link between the edge geometry and the cutting parameters is made by the force model. The sum of these elemental forces leads to the main forces acting on the tool. This study aims to compute these forces from three models. The first two models are based on phenomenological relations dependant on cutting parameters as chip thickness, tool geometry and edge quality. The third model is analytical and based on the three zones scheme assumed in chip formation mechanics. The primary shear zone is characterised by a Norton-Hoff constitutive law. The second and third zones, respectively at the tool-chip interface and on the clearance face are characterised by a stress distribution. The performances of these models are compared using the Tool-Edge-Pair method. The experimental data are obtained from images taken during the machining process and from force measurements. Orthogonal cutting tests were conducted on disc and tube samples to isolate the effect of the workpiece diameter on the contact along the clearance face of the tool.
L'objectif de ces travaux est la modélisation des efforts de coupe dans le cas de la superfinition à l'outil coupant du cuivre Cu-c2 par le biais de la démarche Couple-Arête-Matière. La prédiction des efforts permet d'adapter les conditions de coupe pour une opération d'usinage où de définir les spécifications des outils lors de leur conception. Le Couple-Arête-Matière repose sur la discrétisation d'arête et la mise en place sur chaque élément d'arête des efforts élémentaires fonctions de la géométrie et des conditions de coupe locales. Cette dépendance de la géométrie et de ces conditions de coupe est introduite par la mise en place d'un modèle d'efforts. Par sommation sur la longueur d'arête en prise, il est possible de déterminer les efforts globaux dans les repères liés à l'outil ou à la pièce. Cette étude vise le calcul de ces efforts au travers de trois modèles. Les deux premiers modèles développés sont de type phénoménologique et calculent les efforts à partir des paramètres opératoires courants tels que l'épaisseur coupée, la géométrie de l'outil et la qualité de l'arête. Le troisième modèle est analytique et basé sur les mécanismes de formation du copeau. Les efforts sont déterminés à partir des contributions des trois zones communément identifiées ; la zone de cisaillement primaire est caractérisée par une loi de comportement de type Norton-Hoff, les deuxième et troisième zones, respectivement en contact avec le copeau et la face en dépouille sont caractérisées par une distribution de contraintes. Les performances de ces trois modèles sont comparées via le Couple-Arête-Matière. Les données expérimentales sont obtenues à partir d'images réalisées en cours d'usinage par une caméra à haute résolution ainsi que par des mesures d'efforts en coupe orthogonale sur des disques et des tubes, permettant la mise en évidence de l'effet du diamètre de la pièce usinée sur la zone de contact en dépouille.
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