Contribution à l'étude de l'intégrité de surface de l'acier au carbone AISI 1060 après fraisage

Abstract

في هذا العمل، تم إجراء دراسة تجريبية للتحقيق في تأثير شروط القطع والتي تشمل سرعة القطع (Vc)، التغذية لكل سن (fz)، وعمق القطع (ap) على ثلاث جوانب من خصائص التصنيع عن طريق نزع المادة، تتضمن درجة حرارة القطع (Qc)، خشونة السطح (Ra)، والصلادة الدقيقة (H) عند تفريز فولاذ من نوع AISI 1060. وتم استخدام منهجية سطح الاستجابة (RSM) لتقييم والتنبؤ بتأثير شروط القطع المعتبرة على مؤشرات خصائص التصنيع المحددة. وأظهرت النتائج أن معدلات الخطأ لقيم النماذج المطورة مقارنة بالقيم بالتجريبية وكانت على النحو التالي: 3.19 % لدرجة حرارة القطع، 5.32 % لخشونة السطح، 1.63 % للصلادة الدقيقة. معدلات الخطأ هذه تؤكد على اعتمادية وموثوقية النماذج المطورة في التنبؤ بدقة بخصائص التصنيع المعنية. علاوة على ذلك، يبرز بحثنا في نهجه من خلال استغلال النماذج المطورة تجريبيًا كقيود ضمن إطار الاستمثال، مما يوفر نهجًا أكثر دقة وتخصيصًا مقارنةً بالاعتماد على النماذج التجريبية العامة الموجودة عادة في كتيبات التصنيع. لهذا السبب، تم إجراء استمثال متعدد الأهداف باستخدام خوارزمية الجينات لتقليل كل من وقت الإنتاج وتكلفة الإنتاج لكل وحدة عن طريق تعريف المشكلة بثلاث شروط قطع رئيسية واستخدام نماذج منهجية سطح الاستجابة المشتقة تجريبيًا كقيود. على سبيل المثال، خدمت نماذج منهجية سطح الاستجابة المبنية على الخشونة والصلادة الدقيقة كقيود لضمان قيم خشونة السطح و الصلادة الدقيقة أقل من عتبة محددة مع تلبية قيود تصنيع أخرى (عمر الأداة، قوة القطع، استهلاك الطاقة). و نتيجة لذلك، تم تحقيق مجموعة من الحلول المثالية لمجموعات من شروط القطع لتقليل وقت الإنتاج و تكلفة الإنتاج في آن واحد. أخيرًا تم استخدام إمكانات المحاكاة المتقدمة لبرنامج ANSYS لمقارنة التشوه الكلي الإجهاد المرن المكافئ، والإجهاد المكافئ (Von-Mises) لقطعة عمل مفترض انها مصنعة عن طريق التفريز بدون شق ومع وجود شق على سطحها. هدفت هذه التحليلات إلى توضيح تأثير سلامة السطح على عمر التعب للقطع المصنعة. وكشفت النتائج أن وجود شق أثر بشكل كبير على أداء قطعة العمل تحت ضغط.

In this work an experimental study was carried out to investigate the influence of the cutting parameters namely cutting speed (Vc), feed per tooth (fz) and depth of cut (ap) on three machining performance aspects, including cutting temperature (Qc), surface roughness (Ra) and microhardness (H) when milling of AISI 1060 steel. Response surface methodology (RSM) was used for evaluating and predicting the impact of the considered cutting parameters on the selected machining characteristic indices. The results reveled that the error rates of the developed models’ values compared to experimental ones were found to be as follows: 3.19 % for Qc, 5.32 % for Ra, 1.63 % for H, these error rates underscore the robustness and reliability of the developed models in accurately predicting the respective machining characteristics. Moreover, our study stands out in its approach by leveraging the experimentally developed RSM models as constraints within the optimization framework, providing a more precise and tailored approach compared to relying on generalized empirical models commonly found in industry handbooks. This is why a multi-objective optimization using genetic algorithm (GA) was performed to minimize both the production time and the production cost per unit by defining the problem with three key cutting parameters and utilizing the experimentally derived Response Surface Methodology (RSM) models as constraints. For instance, the Ra and H-based RSM models served as constraints ensuring a surface roughness and microhardness values below a specified threshold while satisfying other machining constraints (tool life, cutting force and cutting power). As a result, a set of optimal solutions of combinations of cutting parameters is achieved for simultaneously minimum production time and production cost per unit. Finally, the advanced simulation capabilities of ANSYS were used to compare the total deformation, equivalent elastic strain, and equivalent (von-Mises) stress between a presumed milled workpiece without a crack and with a crack present on its surface. This analysis aimed to elucidate the influence of surface integrity on fatigue life of the machined workpieces. The findings revealed that the presence of a crack significantly affected the performance of the machined workpiece under pressure loading.

Dans ce travail, une étude expérimentale a été réalisée pour enquêter sur l'influence des paramètres de coupe, à savoir la vitesse de coupe (Vc), l'avance par dent (fz) et la profondeur de passe (ap), sur trois aspects de la performance d'usinage, incluant la température de coupe (Qc), la rugosité de surface (Ra) et la microdureté (H) lors du fraisage de l'acier AISI 1060. La méthodologie de surface de réponse (RSM) a été utilisée pour évaluer et prédire l'impact des paramètres de coupe considérés sur les indices caractéristiques de l'usinage sélectionnés. Les résultats ont révélé que les taux d'erreur des modèles développés par rapport aux valeurs expérimentales étaient comme suit : 3.19 % pour Qc, 5.32 % pour Ra et 1.63 % pour H. Ces taux d'erreur soulignent la robustesse et la fiabilité des modèles développés dans la prédiction précise des caractéristiques d'usinage respectives. De plus, notre étude se distingue par son approche en tirant parti des modèles RSM développés expérimentalement comme contraintes au sein du cadre d'optimisation, offrant une approche plus précise et sur mesure par rapport à celle qui repose sur des modèles empiriques généralisés couramment trouvés dans les manuels industriels. C'est pourquoi une optimisation multi-objectifs utilisant l'algorithme génétique (GA) a été effectuée pour minimiser à la fois le temps de production et le coût de production par unité en définissant le problème avec trois paramètres de coupe clés et en utilisant les modèles RSM dérivés expérimentalement comme contraintes. Par exemple, le modèle RSM basé sur Ra et H a servi de contraintes garantissant des valeurs de rugosité de surface et de microdureté inférieures à un seuil spécifié tout en satisfaisant d'autres contraintes d'usinage (durée de vie de l'outil, force de coupe, puissance de coupe). En conséquence, un ensemble de solutions optimales de combinaisons de paramètres de coupe est obtenu pour minimiser simultanément le temps de production et le coût par unité. Finalement, les capacités avancées de simulation d'ANSYS ont été utilisées pour comparer la déformation totale, la contrainte élastique équivalente et la contrainte équivalente (de von Mises) entre une pièce supposée usinée sans fissure et avec une fissure présente à sa surface. Cette analyse visait à élucider l'influence de l'intégrité de surface sur la durée de vie en fatigue des pièces usinées. Les résultats ont révélé que la présence d'une fissure affectait significativement les performances de la pièce usinée sous l’effet d’une pression appliquée.