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L'usinage des matériaux métalliques vu par Andrea Bareggi, lauréat du Joseph Whitworth Prize 2015 et enseignant-chercheur à l'ESME Sudria Lyon

  • 22/08/2016

Ph.D. en mécanique, enseignant-chercheur en génie des systèmes et analyse numérique et responsable des projets à l'ESME Sudria Lyon, Andrea Bareggi a été récompensé au mois de juin du Joseph Whitworth Prize 2015, prix d'excellence en recherche académique décerné par le Manufacturing Industries Division Board de l'Institution of Mechanical Engineers (IMechE). Pour l'ESME Sudria, il détaille le pourquoi de ses recherches qui lui ont valu cette distinction et qui se trouvent au coeur de son article scientifique cosigné par Garret O'Donnell du Department of Mechanical & Manufacturing Engineering au Trinity College Dublin : « Thermal and mechanical effects of high-speed impinging jet in orthogonal machining operations : Experimental, finite elements and analytical investigations » (publication à télécharger ici).

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Andrea Bareggi (à droite), aux côtés de Clive Hickman, chief executive de The Manufacturing Technology Centre, lors de la cérémonie de remise du Joseph Whitworth Prize organisée dans l'enceinte du prestigieux Marble Hall à Londres

« Dans le contexte de l'industrie 4.0, introduction de la technologie du numérique dans la production industrielle, l'usinage des matériaux métalliques nécessite de se renouveler pour regagner l'importance qu'elle avait aux XIXe et XXe siècles. En effet, si la production de masse utilise les matériaux plastiques, une majorité de production dans l'ingénierie des transports et de l'ingénierie civile est basée sur les technologies d'usinage.

Un des problèmes fondamentaux de l'usinage des matériaux métalliques, en particulier les matériaux difficile à usiner comme les alliages de titane tels que le Ti6Al4v et l'Inconel (matériaux très utilisés dans l'industrie aérospatiale), est l'évacuation de la chaleur pendant l'usinage et la lubrification pour diminuer les forces pendant le processus (voir ci-dessous).

retour_laureat_Joseph_Whitworth_Prize_2015_andrea_bareggi_esme_sudria_lyon_ingenieur_prix_excellence_imeche_mecanique_recherche_scientifique_article_2016_02.jpgFig.1 - L'utilisation traditionnelle du fluide d'usinage pour lubrifier et écouler la chaleur dans la zone d'usinage

Si la chaleur n'est pas évacuée immédiatement, l'outil coupant (ou insert) risque la fracture par choc thermique et le morceau usiné risque d'avoir des imperfections superficielles à cause du fort gradient de température. La solution traditionnelle pour l'évacuation est l'utilisation d'huile minérale envoyée directement entre la pièce à usiner et l'outil. Il s'agit d'une solution qui inquiète les écologistes parce que l'huile minérale est particulièrement polluante, mais les dangers pour la santé ne sont pas moins inquiétants puisque l'huile de coupe est toxique pour la peau et particulièrement dangereuse si inhalée. Pour utiliser moins d'huile minérale, une des solutions les plus utilisées est la lubrification minimale, soit le Minimum Quantity Lubrication (MQL) en anglais. Le MQL est aujourd'hui la solution la plus utilisée pour les matériaux difficiles à usiner. Toutefois le MQL augmente le risque d'inhalation de la part de l'opérateur, car les particules d'huile sont vaporisées dans un flux d'air à hautes pression et vitesse. Différentes solutions sont en cours de développement, mais la tendance est le dry machining (usinage à sec, c'est-à-dire en absence d'huile minérale) pour l'usinage traditionnel et le near dry machining pour les matériaux difficiles à usiner.

La recherche que j'ai conduite dans les dernières années au Trinity College Dublin et à l'ESME Sudria a eu comme contexte l'usinage à sec. Comme la chaleur doit être évacuée, j'ai proposé l'utilisation d'un jet d'air à haute pression opportunément dirigé pour refroidir la zone usinée. Pour réaliser ce projet de recherche industrielle j'ai utilisé des techniques expérimentales pour mesurer la température dans la zone de coupe, en plaçant un thermocouple dans l'
insert (procédure particulièrement difficile, en considérant les dimensions réduites et la dureté de l'insert, constitué par un substrat de carbure de tungstène et plusieurs couches de protection en nitrure de titane et carbure de titane). Les forces de coupe étaient analysées par un dynamomètre placé sur la tour d'usinage (voir le visuel ci-dessous). Ces données ont été utilisées pour élaborer un modèle de coupe orthogonale - le plus simple type de coupe qu'on peut réaliser - afin de fixer les idées sur les paramètres d'usinage (vitesse et pas). L'idée est de maximiser la quantité de matériel usiné (le principal index de productivité est le Material Removal Rate, MMR), toute en minimisant la température et les forces de coupe en utilisant opportunément le jet d'air.

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Fig.2 - Le montage expérimental avec le thermocouple et le dynamomètre

La modélisation à éléments finis (en anglais Finite Element Modelling, FEM) est une technique de calcul née dans les années 1960 ayant évolué dans le temps pour devenir la méthode d'intégration des différentielles qui gèrent les phénomènes dynamiques. La formulation adoptée pour décrire le problème de l'usinage est appelée Arbitrary Lagrangian-Eulerian. Couplée à un maillage dynamique (adaptive remeshing), l'approche à éléments finis nous permet de prendre en compte les paramètres d'usinage et de visualiser la distribution de l'effective stress, strain et strain rate à l'intérieur du matériel usiné (voir le visuel ci-dessous).

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Fig.3 - Le FEM permet de prévoir des paramètres d'usinage autrement très difficiles à obtenir

La nouveauté de ce travail de recherche est la découverte d'un effet mécanique du jet d'air sur le copeau en formation sur la face de l'insert. Selon la direction du jet d'air, l'effet mécanique peut augmenter ou réduire l'énergie nécessaire à l'usinage de l'ordre de 8 % pour les aciers à basse tenure de carbone. En particulier, cet effet est indépendant de la température, comme montré par l'analyse à éléments finis : (dans le visuel ci-dessous) on peut observer le positionnement du jet d'air d'un point de vue qualitatif et les coefficients d'échange thermique évalués pour une pression de 7 bar.

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Fig. 4 - Les deux positionnements du jet d'air pendant les tests et la modélisation mécanique et thermique par éléments finis

Les tests et le modèle ont montré que la position pour un usinage plus efficace en termes d'énergie nécessaire à l'usinage est la position perpendiculaire à la face de l'insert (overhead position), contrairement à la position traditionnelle des techniques telles que la Minimum Quantity Lubrication. Cette découverte ouvre des nouvelles perspectives en termes d'utilisation des techniques pour réduire l'énergie nécessaire à l'usinage. Les prochains travaux de recherche à ce sujet de recherche mènent à une meilleure connaissance du champ de vitesse du fluide autour de la zone d'usinage, pour une utilisation plus efficace de l'écoulement par jet d'air. Également, une analyse des coûts de compression de l'air est nécessaire pour tous développements commerciaux de cette nouvelle technique. Ces développements sont actuellement en cours au sein du Centre de Modélisation et Calcul Numérique de l'ESME Sudria Lyon. »

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