Study of deformation mechanisms and metallurgical transformations on the machined surface and within its sub-surface during Ti6Al4V turning with uncoated cemented carbide. Correlations between surface integrity and process monitoring signals with an understanding of tool damages mechanisms

Etude des mécanismes de déformation et de transformations métallurgiques en sous-couche et sur la surface usinée lors du tournage du Ti-6Al-4V avec un outil en carbure cémenté WC-Co non revêtu. Corrélation de l’intégrité matière par la surveillance de l’opération et la compréhension des mécanismes d’endommagement de l’outil.

Mickael Rancic (1)

1 LABOMAP - Laboratoire Bourguignon des Matériaux et Procédés

The scientific works presented in this thesis is taken place within the framework of an European project ACCENT which is the continuity of the ManHIRP European project (2001-2005). The main aim of these studies is the development of an experimental approach allowing of the determination of an acceptable surface integrity within the validity domain according to the cutting parameters by using the recorded monitoring signals during turning operation. The identification and the classification of the geometrical anomalies generated on the machined surface versus the cutting speed and feed rate were especially investigated. At the same time, damage on uncoated cemented carbide and evolution on process monitoring signals have conducted to a better understanding of cutting phenomena. The anomalies generated within the machined sub-surface such as the highly worked layers and “white layers” were studied with fine metallurgical analysis like the use of Castaing microprobe and transmission electron microscopy (TEM). In addition, micro-hardness and residual stresses measurements have completed the previous analysis. The knowledge of the metallurgical and mechanical states within the sub-layer have enabled to deduce the causes of their formation and to define the deformation mechanisms and the metallurgical transformations (phases and grains size) which have occurred during the machining operation. The tracking of the microstructural features related to globular alpha grains by the investigations of the images analysis have led to a better understanding of material flow according to the cutting and feed directions. Also, the dissolution phenomena of globular alpha grains occurring when the thermal loading becomes preponderant before the mechanical one has been highlighted. After these metallurgical analyses, correlations between the surface integrity and the process monitoring signals have been found. The singular evolution of the radial force signal indicates the anomalies appearance. Its amplitude is linked with the depth of the thermo-mechanically affected sub-layer of the machined surface.

Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet européen ACCENT qui fait suite au projet européen ManHIRP (2001-2005). Ces travaux ont pour objectifs principaux de développer une méthodologie expérimentale permettant d'établir une fenêtre de conditions de coupe garantissant une intégrité matière acceptable de la pièce en Ti-6Al-4V usinée, en s'appuyant sur la mesure des signaux des moyens de surveillance en cours d'usinage.Une attention particulière s'est portée sur l'identification et la classification des anomalies géométriques et de celles produites sur la surface usinée en fonction de la vitesse de coupe et de l'avance. Parallèlement aux investigations sur les anomalies géométriques et de surface, une étude du mode d'endommagement de l'outil en carbure cémenté WC-Co non revêtu et de celle de l'évolution des signaux de surveillance ont conduit à une bien meilleure compréhension des phénomènes liés à la coupe.Les anomalies générées en sous-couche de la surface usinée, telles que les couches à grains déformés et les « couches blanches » ont été étudiées par l'intermédiaire d'analyses métallurgiques fines comme la microsonde de Castaing et par des observations et des analyses au microscope électronique à transmission (MET). Des mesures de microdureté et de contraintes résiduelles ont complété ces analyses chimiques et microstructurales. Aussi, la connaissance de l'état métallurgique et mécanique de ces anomalies a permis de déduire leur genèse et les mécanismes de déformation et de transformations métallurgiques (phases et taille de grains) qui ont opéré en sous-couche du Ti-6Al-4V. Le suivi par la technique de l'analyse d'images des paramètres microstructuraux attachés aux grains globulaires alpha a conduit à mieux comprendre l'écoulement de la matière selon les directions de coupe et d'avance ainsi que les mécanismes de dissolution de ces phases globulaires alpha lorsque l'effet thermique prend le pas sur l'effet mécanique pendant l'usinage. A l'issue de ces caractérisations métallurgiques, des corrélations ont été entreprises entre les anomalies générées et les signaux des moyens de surveillance. Celles-ci s'appuient principalement sur les efforts radiaux dont l'évolution singulière au cours du temps indique l'apparition de défauts. L'amplitude de cet effort radial se corrèle avec la profondeur de la couche de Ti-6Al-4V affectée thermomécaniquement.

Mots clés: Ti-6Al-4V; Turning; Surface integrity; Process monitoring

Mots clés: Ti-6Al-4V; Tournage; Integrité matière; Moyens de surveillance

Domaines: Autre

Mickael Rancic. Etude des mécanismes de déformation et de transformations métallurgiques en sous-couche et sur la surface usinée lors du tournage du Ti-6Al-4V avec un outil en carbure cémenté WC-Co non revêtu. Corrélation de l’intégrité matière par la surveillance de l’opération et la compréhension des mécanismes d’endommagement de l’outil.. Autre. Ecole nationale supérieure d'arts et métiers - ENSAM, 2012. Français. ⟨NNT : 2012ENAM0058⟩. ⟨tel-01672311⟩