Prise en compte de l'intégrité de surface pour la prévision de la tenue en fatigue de pièces usinées en fraisage, Surface integrity and fatigue life prediction of components manufactured by milling

Nicolas Guillemot

Description

Sous la direction de Claire Lartigue, René Billardon
Thèse soutenue le 13 décembre 2010: École normale supérieure de Cachan
Cette étude est dédiée à l’influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface – microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage – est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l’outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l’intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l’enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d’entaille au fond des creux générés par l'outil.
-Usinage à Grande Vitesse
-Outil hémisphérique
-Microgéométrie
-Contraintes résiduelles
-Écrouissage
-Acier à haute limite d'élasticité
-Micro-fissuration
-Micro-plasticité
This study is dedicated to the influence of ball-end tool finishing milling on surface integrity and fatigue life of components made of high-strength bainitic steels. Surface integrity, defined in terms of microgeometry, residual stresses and hardening, was experimentally characterized for different values of the machining parameters, including the tool inclination. Fluctuations of the residual stresses field – measured by X-ray diffraction – perpendicular to the grooves generated by the tool were exhibited at different depths beneath the surface. Fatigue bending tests performed on machined or polished flat specimens, submitted or not to a heat treatment to relax the residual stresses, exhibited the influence of the surface integrity on fatigue life. Fatigue tension tests and self-heating measurements exhibited a competition between micro-plasticity and micro-cracking mechanisms. A hybrid approach is proposed to predict the mechanical state induced by the milling process. This approach consists in simulating – without modelling the removal of the material- the effect of a thermo-mechanical loading equivalent to the cutting process. This thermo-mechanical loading should be derived from temperature and cutting forces measurements preformed during cutting tests. A probabilistic approach is proposed to predict the influence of surface integrity on fatigue life. This approach was validated for cases when micro-cracking mechanism is predominant. The approach is then based on fracture mechanics and takes account of the micro-geometry via the micro-cracks size population measured in the valleys of the grooves generated by the tool.
-High Speed Machining
-Ball-end tool
-Micro-geometry
-Residual stresses
-Hardening
-Highstrength steel
-Micro-cracking
-Micro-plasticity
Source: http://www.theses.fr/2010DENS0052/document

Sujets

• Usinage à grande vitesse
• Écrouissage

Informations

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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 14 Mo

Extrait

ENSC-(2010/265)



THESE DE DOCTORAT
DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN


Présentée par

Monsieur Nicolas GUILLEMOT

pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN

Domaine :
MECANIQUE – GENIE MECANIQUE – GENIE CIVIL

Titre de la thèse :
Prise en compte de l’intégrité de surface
pour la prévision de la tenue en fatigue de pièces usinées
en fraisage

Thèse soutenue à Cachan le 13 décembre 2010 devant le jury composé de :

J.Y. HASCOET Professeur, Ecole Centrale Nantes Président
S. CALLOCH Professeur, ENSIETA Brest Rapporteur
G. POULACHON Professeur, Arts et Métiers ParisTech Centre Cluny
J.-L. LEBRUN Maître de conférences, Directeur Recherche ESTP Examinateur
P. DAGUIER Docteur ingénieur, ASCOMETAL Invité
B. MAWUSSI nférences HDR, Université Paris 13 Co-encadrant
R. BILLARDON Professeur, Université Pierre et Marie Curie Directeur de thèse
C. LARTIGUE Professeur, Université Paris-Sud 11


Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée
ENS de Cachan / EA 1385 / Université Paris-Sud 11

Laboratoire de Mécanique et Technologie
ENS de Cachan / CNRS / UMR 8535 / UPMC

61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN Cedex (France)
tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011






















A mes parents,
ma famille,
mes amis

tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011
tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011Remerciements

Ces travaux de thèse ont été réalisés au LURPA (Laboratoire Universitaire de Recherche en
Production Automatisée) et au LMT-Cachan (Laboratoire de Mécanique et Technologie) en
collaboration avec la société ASCOMETAL. Je remercie respectivement M. Luc Mathieu et
M. Ahmed Benallal pour m’avoir accueilli dans ces laboratoires au sein de l’équipe GEO3D
pour le LURPA et l’UTR multi-physiques du secteur matériau pour le LMT.
Je remercie particulièrement le jury d’avoir accepté de participer à l’évaluation de ce travail.
Merci à M. Jean-Yves Hascoët de m’avoir fait l’honneur de présider ce jury même si, comme
il le dit si bien, je suis un garçon « embêtant » à vouloir usiner en inclinant l’outil en arrière.
Un grand merci de même à M. Sylvain Calloch et M. Gérard Poulachon pour l’intérêt qu’ils
ont porté à ce travail en acceptant d’être rapporteurs.
Je remercie tout autant M. Pascal Daguier et M. Hervé Michaud d’ASCOMETAL CREAS de
m’avoir accueilli plusieurs fois à Hagondange et m’avoir soutenu techniquement tout au long
de cette thèse. Un grand merci à Fred pour sa dextérité sur le Vibrophore. Un énorme merci à
Laurent Flacelière, anciennement ASCOMETAL, sans qui le bon déroulement de cette thèse
aurait été très sérieusement compromis.
Je remercie vivement Jean-Lou Lebrun pour ses nombreux conseils avisés, notamment sur les
contraintes résiduelles. Merci aussi à Etienne et à toute l’équipe d’Angers auprès de qui j’ai
pu beaucoup apprendre sur la fatigue.
Merci aussi à M. Wilfried Seiler pour m’avoir accueilli plusieurs fois au sein du PIMM à
l’ENSAM de Paris pour mesurer mes largeurs de corde récalcitrantes…

J’adresse bien sûr ma plus grande reconnaissance à Claire, René et Bernardin pour leur
encadrement, leur disponibilité, leurs conseils et leur incroyable motivation au cours de ces 3
années. Merci à Claire de m’avoir fait comprendre qu’à un moment « le mieux est l’ennemi
du bien » ! De même, j’adresse d’énormes remerciements à Benito et Stall que j’ai eu le
plaisir d’encadrer lors de leurs très bons stages de recherche de M2.

Merci pour la double ambiance de labo : deux fois plus de bars, de café, de blagues, de
conversations rugbystiques mais aussi scientifiques. En mélangeant les labos et le DGM, je
vais essayer de ne pas oublier trop de monde en remerciant Boubou, Frizou, Bibou, Loulou,
genou, hibou, … Yann (pour ses conseils avisés et ses blagues distinguées), Danielle, Panpan,
Tonton, Piwi, Topho, Eric, Xavier, Robin, Moun, Sexo, Julien, Nathalie et ses gâteaux, Dom,
Alain, Patrick, Camille, Op’. Merci aussi à Jean-François, Dominique, Philippe, Francis,
tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011Patrice, Jean et Jean-Paul pour leur aide. Je n’oublie bien sûr pas ceux qui m’ont beaucoup
aidé pour les pré-soutenances : Anne, Manue, Sylvain, François, Martin, PAB, Bruno,
François, pipo et bimbo… Et merci au petit Pedrito et au grand Renaud, mes 2 formidables
ex-co-bureaux.
Un grand merci à mes parents, ma grand-mère, Ben, les copains qui se sont déplacés pour
m’encourager à la soutenance, ceux qui ont participé au pot, et tous ceux qui sont venu
festoyer ensuite au bistrot de l’ovalie ! Merci beaucoup pour les cadeaux et les montages sous
Photoshop… Ils sont vraiment très crédibles…




tel-00610030, version 2 - 31 Aug 2011Table des matières
Table des matières...................................................................................................................... 7
Liste des notations.................................................................................................................... 13
Introduction .............................................................................................................................. 17
CHAPITRE 1: INFLUENCE DE L’USINAGE SUR LA FATIGUE À GRAND
NOMBRE DE CYCLES............................................................................ 21
1. INTÉGRITÉ DE SURFACE ....................................................................................................... 22
1.1. Définition.................................................................................................................. 22
1.2. Ordres de grandeurs associés à l’intégrité des pièces usinées................................... 23
1.3. Origine des contraintes résiduelles en usinage.......................................................... 24
2. DURÉE DE VIE EN FATIGUE................................................................................................... 27
2.1. Courbes contrainte-nombre de cycles à rupture (courbe de Wöhler) ....................... 27
2.1.1. Détermination expérimentale........................................................................27
2.1.2. Modélisation de la courbe S-N ..................................................................... 29
2.2. Étude de l’endurance................................................................................................. 30
2.2.1. Critère basé sur un seuil de non propagation................................................ 30
2.2.2. Critère de Dang-Van..................................................................................... 32
2.2.3. Critère d’endommagement à deux échelles .................................................. 33
3. INFLUENCE DE L’INTÉGRITÉ DE SURFACE SUR LA TENUE EN FATIGUE .................................. 34
3.1. Fatigue influencée par la microgéométrie................................................................. 34
3.1.1. Influence des paramètres de rugosité............................................................ 34
3.1.2. Direction des stries d’usinage ....................................................................... 35
3.1.3. Microgéométrie et concentration de contrainte ............................................ 36
3.1.3.1. Approche empirique 36
3.1.3.2. Simulation par éléments finis......................................................... 38
3.1.4. Concentration de contrainte en fatigue 39
3.1.5. Approches basées sur la mécanique linéaire de la rupture ........................... 40
3.1.5.1. Approche empirique....................................................................... 40
3.1.5.2. Approche basée sur un seuil de non-propagation ......................... 41
3.1.6. Synthèse........................................................................................................45
3.2. Fatigue influencée par l’état mécanique non standard généré en sous-surface ........ 45
3.2.1. Influence des contraintes résiduelles ............................................................ 46
3.2.1.1. Contraintes résiduelles générées en tournage............................... 46
7/258
tel-00610030, version 2 - 31 Aug 20113.2.1.2. Contraintes résiduelles générées par d’autres proc&#