Titre 

Identification inverse du comportement thermomécanique à partir des champs cinématique et thermique mesurés dans la zone de cisaillement primaire en rabotage : application à l'Inconel 718

Membres du jury 

• M. Bertrand WATTRISSE, Professeur des Universités, LMGC, Université de Montpelier, Rapporteur
• M. Frédéric VALIORGUE, Maître de Conférences HDR, LTDS, ENISE, Rapporteur
• M. François HILD, Professeur des Universités, LMPS, ENS Paris-Saclay, Examinateur
• M. Mohammed NOUARI, Professeur des Universités, LEM3, Mines de Nancy, Examinateur
• M. Mickael RANCIC, Docteur, Safran Aircraft Engines, Examinateur
• M. Guillaume FROMENTIN, Professeur des Universités, LaBoMaP, Arts et Métiers Cluny, Examinateur
• M. Bertrand MARCON, Docteur-Ingénieur de Recherche, LaBoMaP, Arts et Métiers Cluny, Examinateur
• M. Frédéric ROSSI, Maître de Conférences, LaBoMaP, Arts et Métiers Cluny, Examinateur
• M. Guénaël GERMAIN, Professeur des Universités, LAMPA, Arts et Métiers Angers, Invité
• M. Théo DORLIN, Docteur, Safran Tech, Invité

Mots-clefs

Identification inverse ; coupe ; Analyse in situ ; Alliage à base de nickel

Résumé

La mise en forme par le procédé d’usinage implique un chargement thermomécanique sévère des pièces, pouvant conduire à des déformations voir des changements locaux des propriétés du matériau usiné. Ces conséquences non souhaitées de la coupe sont très fréquentes sur les alliages à base de nickel, car cette famille de matériaux possède de bonnes propriétés mécaniques à haute températures. A l’heure actuelle, des outils de simulation pourrai permettre de prédire les conséquences d’un usinage sur l’intégrité de la pièce finie, cependant, aucun essai ou méthodologie ne permet de déterminer des lois de comportements de matériaux avec des gradients thermomécaniques représentatif de ceux induits par une opération d’usinage. L’objectif de cette thèse est donc de développer une méthodologie innovante d’identification inverse de lois de comportements et d’endommagement thermomécanique de matériaux en alliage à base de nickel en conditions d’usinage. Dans un premier temps, un travail préparatoire au déploiement de mesures par thermographie infrarouge a été réalisé. Une méthode innovante de calibration insensible aux temps d’intégration pour des capteurs refroidis en antimoniure d’indium a été développée. De plus, afin de pouvoir convertir les températures radiométriques de la scène observée en température absolue, une méthode de mesure directe de l’émissivité basée sur l’emploi d’une caméra multi spectrale a été mise au point. Dans un second temps, une expérimentation de rabotage largement instrumentée permettant l’observation de champs thermomécaniques a été conçue. Une platine dynamométrique permet l’acquisition des efforts de coupe et un système optique basé sur la séparation des faisceaux par longueur d’ondes, permet l’observation simultanée de la coupe par des caméras visible et infrarouge au travers d’un unique objectif. Une analyse des images issues de la caméra visible par corrélation d’images numériques donne accès aux champs cinématiques et un traitement spécifique des images issues de la caméra infrarouge donne accès à une cartographie du champ thermique pendant la coupe. Dans un troisième temps, un modèle numérique simulant le champ thermomécanique induit par une opération de coupe orthogonal a été mis au point. Afin d’optimiser le temps de calcul, une étude de sensibilité de la taille de maille et du nombre de cœurs alloués au calcul ont été réalisées. Pour finir, une étude de sensibilité des paramètres d’entrés de la simulation a permis de mettre en évidence les paramètres matériaux les plus influents sur le champ thermomécanique. Enfin, grâce au comportement thermomécanique expérimental et simulé dans la bande de cisaillement primaire induit par la coupe de la pièce usinée, un algorithme d’identification inverse permettant de déterminer les constantes des lois de comportement de Johnson-Cook plastique et endommagement du matériau usiné en conditions de coupe a été développé. Cet algorithme inclue également des indicateurs sur l’écart entre les résultats expérimentaux et simulés pour chaque mesurande du champ thermomécanique étudiée, ce qui permet de fournir un indicateur de confiance des constantes matériaux identifiées. En conclusion, grâce à une instrumentation fine, le chargement thermomécanique subit par une pièce lors d’une opération de rabotage a pu être observé et quantifié. Ces données expérimentales ont ensuite alimenté un algorithme d’identification inverse permettant de déterminer les constantes matériaux des lois de comportements et d’endommagements de Johnson-Cook en conditions de coupe.