Characterization of the CBN wheel wear and modelling of its effect in NGV grinding - Université Polytechnique des Hauts-de-France Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Characterization of the CBN wheel wear and modelling of its effect in NGV grinding

Caractérisation de l'usure de meules CBN et modélisation de son effet sur la certification de pièces aéronautiques NGC

Marc Vervel

Résumé

This thesis is focused on improving a paramount grinding process used in the aeronauticindustry. The process is one of the last manufacturing steps of the nozzle guide vanes, whichform the stator of the exhaust of aeroengines. The enhanced physical properties of thematerials which these components are made of, result in adverse conditions during thegrinding process in terms of thermal and mechanical loads. Besides, the short cycle timeneeded for accomplishing the high productivity of this sector promotes the appearance ofissues related with these loads, such as thermal damage and vibration marks.That being said, the scrapping of the nozzle guide vanes at this late state of theirmanufacturing process involves significant economical loses because of the accumulated workcarried out with expensive advanced technologies. The methodology of this thesis has beenestablished in order to understand the influence of the affecting parameters and thus, improvethe productivity while the good quality of the parts is ensured.The wear suffered by the wheels is considered as one of the most influential aspects on thegrinding performance. Therefore, at first, a topographic analysis of the grinding wheel surfacewas conducted on different moments of the grinding wheel life. In this way, the wear typesand their evolution could be detected and measured from a brand-new wheel to a totally wornwheel.Secondly, the process was studied in detail through experiments. Due to the complexity of theindustrial process, a test bench was specially designed for reproducing the grinding conditionsin a controlled manner. In order to enhance the consistency with the industrial process, thesame superabrasive material and workpiece alloy were used. In addition, the value of the inputparameter was calculated taking the industrial process as a reference. In this way, not only theinput, but also the outputs could be controlled and measured. Thus, the forces and the surfacequality were measured in order to understand the influence of the input parameters such asthe grinding speed and contact depth.Finally, the information gathered in the previous two steps was used for developing anumerical model based on the finite element method. The model reproduced the contactbetween a multigrain surface and the workpiece material. Both of them were defined with thephysical properties of the materials used in the industrial process. In addition, the modeladdressed accurately the geometry of the grinding wheel since the real topography wasimported into the model through a procedure specially developed for this study.The results obtained from this study revealed that there was a coherency between theexperiments and the model that can be explained through mechanical and thermal principlesmentioned previously by other authors. Thus, the results obtained from this study allows tounderstand the influence of the input parameters on the process. On this basis, themethodology developed in this thesis present a useful scenario for the study of grindingprocesses by means of experiments and numerical models that comprises some aspects thathave not been comprised previously in bibliography.
Cette thèse est axée sur l'amélioration d'un procédé de rectification primordial utilisé dans l'industrie aéronautique. Ce procédé est l'une des dernières étapes de fabrication des aubes directrices des tuyères, qui forment le stator de l'échappement des moteurs d'avion.L'amélioration des propriétés physiques des matériaux qui composent ces composants entraîne des conditions défavorables en termes de charges thermiques et mécaniques pendant le processus de rectification. De plus, le temps de cycle court nécessaire pour atteindre la productivité élevée de ce secteur favorise l'apparition de problèmes liés à ces charges, tels que les dommages thermiques et les marques de vibration.Cela dit, la mise au rebut des aubes directrices de buses à ce stade tardif de leur processus de fabrication entraîne d'importantes pertes économiques en raison du travail accumulé effectué avec des technologies avancées coûteuses. La méthodologie de cette thèse a été établie afin de comprendre l'influence des paramètres affectés et ainsi améliorer la productivité tout en assurant la bonne qualité des pièces.L'usure des meules est considérée comme l'un des aspects les plus influents sur les performances de rectification. C'est pourquoi, dans un premier temps, une analyse topographique de la surface de la meule a été effectuée à différents moments de la vie de la meule. De cette façon, les types d'usure et leur évolution ont pu être détectés et mesurés d'une roue neuve à une roue totalement usée.Deuxièmement, le processus a été étudié en détail par le biais d'expériences. En raison de la complexité du processus industriel, un banc d'essai a été spécialement conçu pour reproduire de manière contrôlée les conditions de rectification. Afin d'améliorer la cohérence avec le processus industriel, le même matériau super abrasif et le même alliage de pièce ont été utilisés. De plus, la valeur du paramètre d'entrée a été calculée en prenant le procédé industriel comme référence. De cette façon, non seulement les paramètres d'entrée, mais aussi de sorties peuvent être contrôlées et mesurées. Ainsi, les efforts et l’état de surface ont été mesurés afin de comprendre l'influence des paramètres d'entrée tels que la vitesse de rectification et la profondeur de contact.Enfin, l'information recueillie au cours des deux étapes précédentes a servi à élaborer un modèle numérique fondé sur la méthode des éléments finis. Le modèle reproduit le contact entre une surface multi grains et le matériau de la pièce. Tous deux ont été définis en fonction des propriétés physiques des matériaux utilisés dans le processus industriel. De plus, le modèle a abordé avec précision la géométrie de la meule puisque la topographie réelle a été importée dans le modèle par une procédure spécialement développée pour cette étude.Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude ont révélé une cohérence entre les expériences et le modèle qui peut s'expliquer par les principes mécaniques et thermiques mentionnés précédemment par d'autres auteurs. Ainsi, les résultats obtenus dans le cadre de cette étude permettent de comprendre l'influence des paramètres d'entrée sur le processus.Sur cette base, la méthodologie développée dans cette thèse présente un scénario utile pour l'étude des processus de rectification au moyen d'expériences et de modèles numériques qui tiennent compte de certains aspects qui n'ont pas été vus auparavant en bibliographie.
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  • HAL Id : tel-04235429 , version 1

Citer

Marc Vervel. Characterization of the CBN wheel wear and modelling of its effect in NGV grinding: dramatization challenges in emerging police fiction. Mechanics [physics.med-ph]. Université Polytechnique Hauts-de-France; Universidad del País Vasco, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPHF0006⟩. ⟨tel-04235429⟩
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