Sujet de thèse

Expérimentation et modélisation de la surchauffe d’alliages aéronautiques en fraisage

Résumé

L’usinage de finition joue un rôle déterminant dans la qualité des pièces mécaniques, en particulier dans le secteur aéronautique où les exigences en termes de tenue en service sont élevées. Au-delà de la simple mise en forme géométrique, ces opérations modifient les propriétés mécaniques et microstructurales des surfaces usinées. Ces altérations, regroupées sous le terme d’intégrité de surface, conditionnent directement les propriétés fonctionnelles des composants, notamment leur résistance en fatigue. Parmi les défauts potentiels, les phénomènes de surchauffe, caractéristiques d’une surexposition thermique, constituent un enjeu critique en raison de leur influence particulièrement délétère sur le comportement en service.

Dans ce contexte, la maîtrise et la prédiction de l’intégrité de surface restent aujourd’hui limitées par la complexité des phénomènes en jeu et par le caractère empirique des approches industrielles. Cette thèse propose de répondre à cette problématique en s’appuyant sur une approche causale déterministe, visant à établir des liens robustes entre conditions opératoires, chargements thermomécaniques, état interne du matériau et propriétés finales de surface.

Dans un premier temps, une analyse bibliographique a permis d’identifier les mécanismes dominants gouvernant l’intégrité de surface et de mettre en évidence le rôle prépondérant des contraintes résiduelles et des évolutions microstructurales. Les cas de surchauffe étudiés ont montré des dégradations contrastées selon les matériaux, avec formation de couches durcies et fragiles pour le Ti-6Al-4V, et des phénomènes de sur-vieillissement pour les alliages d’aluminium de la série 7xxx.

Une première contribution de ces travaux réside dans le développement d’une loi de coupe permettant de décomposer les efforts en contributions associées à la formation du copeau et au labourage. Cette approche introduit des paramètres intermédiaires caractéristiques du couple arête/matière, facilitant l’analyse de l’influence des micro-géométries d’outil. Une méthodologie expérimentale basée sur des essais à épaisseur de copeau variable a également été proposée, permettant une identification robuste des paramètres avec un nombre réduit d’essais.

Sur cette base, une modélisation analytique des chargements thermomécaniques locaux a été mise en place, permettant d’estimer les pressions et les flux thermiques dans les zones de cisaillement. Les résultats ont mis en évidence l’influence importante des micro-géométries d’arête sur l’amplitude des flux thermiques. Par ailleurs, un concept original de cyclage thermique a été introduit afin de quantifier les effets d’accumulation thermique dans les opérations d’usinage, où la température finale de la surface résulte de multiples passages de dents. Son application à des cas expérimentaux a permis d’investiguer les configurations cinématiques propices aux surchauffes.

Enfin, une approche de modélisation hybride a été mise en œuvre pour prédire l’évolution de l’état interne du matériau à partir des chargements thermomécaniques identifiés. Les simulations ont permis de reproduire de manière satisfaisante les champs thermiques et mécaniques sous la surface usinée. Des corrélations quantitatives entre l’histoire thermique et les propriétés du matériau, telles que la dureté et la conductivité électrique, ont été établies, permettant de caractériser et de prédire les effets de surchauffe dans des configurations de fraisage hélicoïdal.

L’ensemble de ces travaux démontre la pertinence d’une approche causale pour la compréhension et la prédiction de l’intégrité de surface en usinage. Ils ouvrent des perspectives pour le développement d’outils prédictifs robustes, intégrant à la fois des modèles physiques et des données expérimentales, en vue d’un contrôle maîtrisé des procédés de fabrication.


Mots Clés

Fraisage, Coupe orthogonale, Micro-géométrie, Intégrité de surface, Surchauffe, Modélisation.

Encadrants

• Gérard POULACHON - Directeur,
• RITOU Mathieu,
• Frédéric ROSSI
• BIREMBAUX Hélène.

Partenaires

• Airbus
• LS2N

Projet

N/A

Financement

• CIFRE

Période

3 avril 2023 au 18 mai 2026