Experiemental and numerical developments for the kinematic field characterizations to predict surface integrity during 100 CrMo 7 hardened steel cutting

Développements expérimentaux et numériques pour la caractérisation des champs cinématiques de la coupe de l’acier 100 CrMo 7 durci pour la prédiction de l’intégrité de surface

Thomas Baizeau (1)

1 LABOMAP - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés

Nowadays, digital image correlation (DIC) methods are widely employed to the mechanical testing characterization and their temporal monitoring. However in the machining field, to study the cutting process at the tool edge, these methods are not commonly applied due to the poor accessibility, the size of the observed area and the large strain occurring herein. In this study, the kinematic fields induced in the material by the cutting process are characterized and analyzed at industrial cutting conditions. In order to take and treat the pictures of the cut, experimental and numerical techniques have been first established. Then, the experimental setup performances and the uncertainties of the DIC were quantified. Different images selection strategies for the DIC and numerical post-processing algorithm for measuring the characteristics of the cut were proposed. Furthermore, a DIC integrated approach based on an analytical model was developed to record dynamics cutting forces. Trials in orthogonal configuration were performed and analyzed to validate the developed procedures first in an aluminium alloy, then in a 100~CrMo~7 hardened steel. The kinematics fields and the macroscopic data of the cut were successfully measured thanks to these tools. Finally, they were used for the prediction of the surface integrity induced by a 3D cutting edge in the hard material.

Aujourd'hui, les méthodes de corrélation d'images sont largement utilisées pour la caractérisation et le suivi temporel des essais mécaniques. Cependant dans le domaine de l'usinage, ces méthodes sont très peu employées pour l'étude en pointe d'outil de la coupe par manque d'accessibilité, de la faible taille de la zone observée et des fortes déformations dans la zone de coupe. Dans cette thèse, nous mettons en application la technique de corrélation d'images pour l'étude et la caractérisation des champs cinématiques induits dans la matière usinée, durant des essais de coupe conduits avec des conditions opératoires représentatives des opérations industrielles. Ces conditions nous ont permis de développer, en premier lieu, des outils expérimentaux et numériques. Puis, les performances du dispositif expérimental ainsi que les incertitudes de corrélation ont été quantifiées. Différentes stratégies d'exploitation des images ainsi que des outils numériques pour la mesure des caractéristiques de la coupe sont proposés. Ensuite, nous avons développé un outil de corrélation d'images intégrée pour la mesure des efforts dynamiques grâce à un modèle analytique. Pour valider l'ensemble des méthodes, des essais de rabotage, d'abord dans un alliage d'aluminium, puis dans un acier 100~CrMo~7 traité thermiquement, ont été conduits. Ils ont permis de quantifier les champs cinématiques ainsi que les caractéristiques de la coupe. Enfin ces outils ont été appliqués pour la prédiction de l'intégrité de surface engendrée par une géométrie 3D d'outil de coupe dans le matériau dur.

Mots clés: Surface Integrity; High-Speed imaging; Kinematic fields; Digital image correlation; Hard machining; Orthogonal cutting

Mots clés: Corrélation d'images; Champs cinématiques; Imagerie rapide; Intégrité de surface; Coupe orthogonale; Usinage dur

Domaines: Génie mécanique [physics.class-ph]

Thomas Baizeau. Développements expérimentaux et numériques pour la caractérisation des champs cinématiques de la coupe de l’acier 100 CrMo 7 durci pour la prédiction de l’intégrité de surface. Génie mécanique [physics.class-ph]. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2016. Français. ⟨NNT : 2016ENAM0054⟩. ⟨tel-01562866⟩