Numerical modelling and mechanical analysis of the machining of large aeronautical parts

241 Pages·2016·24.58 MB·English

by  Xavier Cerutti

Numerical modelling and mechanical analysis of the
machining of large aeronautical parts: Machining
quality improvement
Xavier Cerutti
To cite this version:
Xavier Cerutti. Numerical modelling and mechanical analysis of the machining of large aeronautical
parts: Machining quality improvement. Mechanics of materials [physics.class-ph]. Ecole Nationale
Supérieure des Mines de Paris, 2014. English. ￿NNT: 2014ENMP0029￿. ￿tel-01132857v2￿
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abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
Écoledoctoraleno364: SciencesFondamentalesetAppliquées
Doctorat ParisTech
THÈSE
pourobtenirlegradededocteurdélivrépar
l’École Nationale Supérieure des Mines de Paris
Spécialité“MécaniqueNumérique”
présentéeetsoutenuepubliquementpar
Xavier CERUTTI
le04décembre2014
Modélisation numérique et analyse mécanique de l’usinage de
grandes pièces aéronautiques: Amélioration de la qualité d’usinage
-
Numerical modelling and mechanical analysis of the machining
of large aeronautical parts: Machining quality improvement
Directricedethèse:KatiaMOCELLIN
Jury
M.PhilippeLORONG,Professeurdesuniversités,ArtsetMétiersParisTech,PIMM Président
M.Pedro-JoséARRAZOLAARRIOLA,Professeurdesuniversités,UniversitédeMondragon Rapporteur
M.Jean-MichelBERGHEAU,Professeurdesuniversités,ENISE,LTDS Rapporteur
M.EmmanuelDUC,Professeurdesuniversités,IFMA,InstitutPascal Examinateur
Mme.KatiaMOCELLIN,HDR,MaîtredeRecherche,MINESParisTech,CEMEF Examinateur
T
Mme.MyriamBOUET-GRIFFON,ChefdeprojetR&D,ConstelliumTechnologyCenter Invité
H
E
S
MINESParisTech
CEMEF-UMRCNRS7635
1RueClaudeDaunesse,06904SophiaAntipolis,France E

Remerciements
Pourcommencer,jesouhaiteraisremerciertousceuxquim’ontformé,aidéetsuivietquiont
donccontribuéàlaréussitedeceprojet.
Premièrementjetiensàremercierl’ensembledeladirectionduCEMEFpourm’avoirdonné
lapossibilitéetdonnélesmoyensderéalisercetravail.
Jetienségalementàremerciermadirectricedethèse,KatiaMOCELLIN,poursonencadrement
remarquable,sadisponibilitéainsiquesabonnehumeur!Nosdiscussionsfurentpourmoi
unegrandesourcedemotivationetcefutvraimentungrandplaisirdetravailleravecelle
durantcestroisannées.J’aibeaucoupappris.Merci!
Jetiensensuiteàremerciertouslesmembresdemonjury.Pedro-JoséARRAZOLAARRIOLA
et Jean-Michel BERGHEAU pour avoir accepté et eu la patience de lire avec attention ce
manuscritainsiquePhilippeLORONGpouravoiracceptédeprésidercejury.Cefutunplaisir
devousrencontreretdepouvoirdiscuteravecvous.MerciégalementàEmmanuelDUCet
MyriamBOUET-GRIFFONpouravoirpuvousrendreprésentscejour.
CestravauxontétéréalisésdanslecadreduProjetOFELIA.Jetiensdoncégalementàexprimer
magratitudeàtouslesacteursdeceprojetayantcontribuéàsaréussite: MyriamBOUET-
GRIFFONetSylvieARSENE(ConstelliumCRV),LudovicBOURGEONetArnaudBLANCKAERT
(Aubert&DuvalIssoire),AbelKHAMALLAH(ConstelliumIssoire),ArnaudBOIVIN(Rexiaa)
ainsiqueEmmanuelDUCetSamiHASSINI(IFMA).Jetiensàremerciercedernierpouravoir
partagésesconnaissancesdel’usinage,deslogicielsFAOetsansquiiln’auraitpasétépossible
d’obtenirlesmesuresexpérimentalesnécessairespourlavalidationdel’outilnumérique.
Jetienségalementàremerciertouteslespersonnesayantfaitdecestroisansdethèseau
CEMEFunmomentagréableetenrichissant:FrançoisBAY,YannickTILLIER,PierreOlivier
BOUCHARD,Marie-FrançoiseGUENEGAN,PatrickCOELSettouslesautres. Jetiensbien
évidemmentàremercierégalementtousmescollèguesdoctorantsetpost-doctorantspour
touteslesdiscussionssurnosthèsesettravauxetpourtouslesbonsmomentspassés:Olivier,
Ali,Dorian,Antoine,Sabrina,Romain(s),Victor,Simon,Colinettouslesautres.
Enfin,jetiensàremerciertoutparticulièrementmesproches,pourtoutletempsavoirété
présentsainsiquepourm’avoirsoutenuetencouragéetsansquiriendetoutcelan’auraitété
possible.Mercipourtout!
iii

Contents
Introduction 1
Aeronautics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Aluminium-LithiumAlloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
TheOFELIAProject:Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
PresentationoftheOFELIAProject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
InvolvementofthisWorkintheProject:Problematic . . . . . . . . . . . . . . . . 7
ResearchObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
OrganisationoftheDissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1 ReviewofLiterature 13
1.1 ResidualStresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.1 ResidualStressesinMetals:DefinitionandOrigins . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.2 ResidualStressInfluences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.1.3 TheAluminiumAlloyAerospacePartManufacturing:
ResidualStressGenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.4 DiscussionontheResidualStresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 MachiningProcesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1 MachiningProcessPlan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2 DiscussionontheMachiningProcesses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
1.3 SimulationoftheMillingProcessatPartScale:
PredictionoftheMachiningQuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.1 NumericalMethodsforMaterialRemoval . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.3.2 TheFEModelsforthePredictionoftheMachiningDistortion . . . . . . 47
1.3.3 DiscussiononthePredictionoftheMachiningQuality . . . . . . . . . . 48
1.4 EstablishmentoftheAssumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
v
Contents
1.6 RésuméenFrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2 FORGEOFELIA 55
�
2.1 TheFiniteElementSoftwareFORGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1.1 TheMechanicalProblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.1.2 FiniteElementFormulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.1.3 ContactAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1.4 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1.5 AutomaticRemeshingandFieldTransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.2 FORGEOFELIA[124] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.1 NumericalApproachforMachining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.2.2 ParallelizationoftheCode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2.3 AutomatedMeshRefinement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.3 TheDifferentLevelsofModelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.4 NumericalComparisonwithaDifferentModellingApproach . . . . . . . . . . . 88
2.4.1 CaseStudied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.4.2 TheModel:Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.6 RésuméenFrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
�
3 TheAIRWARE 2050AlloyResidualStressDistribution 97
3.1 TheLayerRemovalMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.1.1 ExperimentalResults:AIRWARE�2050AlloyResidualStressProfiles . . 99
3.1.2 AnalysisoftheResidualStressProfiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 SimulationoftheLayerRemovalMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.1 PolynomialApproximationoftheResidualStressProfiles . . . . . . . . . 106
3.2.2 TheNumericalApproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.3 SimulationResults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.3 Post-MachiningDistortionPrediction:ValidationTests . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.1 Machiningofan"OpenPockets"Case[124] . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.3.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4 MachiningPartQualityAnalysis:
InitialResidualStressesandMachiningSequenceInfluence. . . . . . . . . . . . 118
vi
Contents
3.4.1 DefinitionoftheCaseStudy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4.2 ReferenceMachiningCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.4.3 MachiningPartQualityImprovements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.6 RésuméenFrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4 MachiningProcessPlanOptimisation 137
4.1 InfluenceoftheParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.1.1 MachiningProcessPlanParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.1.2 MachiningQualityEvaluation:Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.1.3 MachiningProcessPlanswitha70mmThickRolledPlate:
MinimalUseofMaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.1.4 MachiningProcessPlanswitha90mmThickRolledPlate . . . . . . . . . 150
4.1.5 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.2 MethodologytoImprovetheMachiningQuality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
InfluenceoftheParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2.1 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2.2 MachiningProcessPlanDefinition:Guidelines . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.2.3 ApplicationoftheMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.4 RésuméenFrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5 SimulationofLargeAerospaceParts 171
5.1 MachiningofRolledPlate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.1.1 TheGeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.1.2 IndustrialMachiningProcessPlan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.1.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2 MachiningofaForgedPart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.1 PresentationoftheCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2.2 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
vii
Contents
5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.4 RésuméenFrançais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
ConclusionandPerspectives 193
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Bibliography 201
A OFELIAProject 213
B TheLayerRemovalMethod:ResidualStressRedistribution 217
C Machiningofa"ClosedPockets"Case 221
D ResultsPresentedinChapter4 225
�
D.1 70mmThickAIRWARE 2050-T84AlloyRolledPlate:
ThicknessVariations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
�
D.2 90mmThickAIRWARE 2050-T84AlloyRolledPlate . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D.2.1 Post-MachiningDistortions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
D.2.2 ThicknessVariations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
viii
Introduction
Contents
Aeronautics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Aluminium-LithiumAlloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
TheOFELIAProject:Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
PresentationoftheOFELIAProject. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
InvolvementofthisWorkintheProject:Problematic . . . . . . . . . . . . . . . 7
ResearchObjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
OrganisationoftheDissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10