Une enquête systématique sur l'optimisation des paramètres du procédé RUM et leur influence sur les caractéristiques des pièces de nickel 718

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1716 (2023) Citer cet article

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Cette recherche s'est concentrée sur le perçage de superalliages à base de nickel avec une carotteuse diamantée métallique et a identifié les paramètres significatifs de l'usinage rotatif par ultrasons qui optimisent la vitesse d'usinage (MR) et la qualité de surface. Quatre paramètres généraux : matériau de la pièce, épaisseur de la pièce, matériau de l'outil et taille de l'outil ; et quatre paramètres RUM : la rotation de l'outil, la vitesse d'avance, la puissance nominale des ultrasons et la taille du grain abrasif de l'outil ont été testés par rapport à la qualité de surface de la coupe. Les résultats ont indiqué que la valeur maximale de MR de 0,8931 mm3/sec est acquise à un niveau plus élevé de rotation de l'outil, de vitesse d'avance, de puissance ultrasonore et de niveau modéré de taille de grain abrasif de diamant. La rugosité de surface minimale (Ra) 0,554 µm est observée à un niveau de rotation de rotation plus élevé, une valeur modérée de la vitesse d'alimentation, de la puissance ultrasonore et de la taille du grain abrasif diamanté. De plus, pour les fonctions à objectif unique et à objectifs multiples, l'approche d'optimisation par essaim de particules (PSO) est utilisée pour trouver les valeurs optimales des paramètres de processus. En outre, un microscope électronique à balayage est également utilisé pour vérifier la surface usinée après RUM. On en conclut que des microfissures sont observées sur la surface usinée.

Avec le développement de la technologie des moteurs d'avions, les matériaux composites et difficiles à découper sont de plus en plus utilisés dans les nouveaux moteurs. Cette découverte montre qu'il existe un plus grand besoin de techniques de traitement et de capacités de composants pour l'usinage de matériaux difficiles.

Les superalliages à base de nickel sont une classe unique de matériaux métalliques avec une combinaison remarquable de résistance à température élevée, de ténacité et de résistance à la détérioration dans des conditions corrosives ou oxydantes1.

La figure 1 montre l'avancement de la capacité de température du superalliage à base de nickel qui a augmenté d'année en année en raison du traitement avancé, du développement de l'alliage, de l'utilisation des revêtements de barrière thermique, des schémas de refroidissement innovants et efficaces2. Les composants du moteur d'avion, tels que le carter, les disques de compresseur, la bague de roulement, les aubes, le disque de turbine et d'autres pièces fonctionnant à haute température, sont fabriqués avec des superalliages à base de nickel en raison de leur haute résistance, de leur forte résistance à la corrosion, de leurs excellentes propriétés de fatigue thermique et de leur stabilité thermique3. Les nombreux superalliages à base de nickel utilisés dans les moteurs à réaction sont répertoriés sur la figure 2.

Le développement de la capacité de température de rupture en fluage des superalliages à base de nickel sous 1100 ℃—137 MPa3.

Utilisé pour les superalliages à base de nickel, qui représentent généralement environ 50 % du poids d'un moteur à réaction.

Cinquante pour cent des pièces du moteur à réaction sont fabriquées en Inconel 718. L'Inconel est un alliage Ni–Fe–Cr4. Cependant, la résistance à la traction Inconel 718 peut atteindre 1393 MPa à température ambiante. L'usinage de la pièce devient dur du fait de son usinabilité. Il n'a une usinabilité que de 8 à 20% de l'acier, ce qui conduit à un traitement inefficace.

De plus, l'usinage des superalliages à base de nickel entraîne une augmentation de l'usure par oxydation de l'outil, de l'usure adhésive, de l'usure mécanique et par diffusion, ce qui réduit la durée de vie de l'outil. Par exemple, le perçage grossier et fin d'une lame en superalliage à base de nickel avec une longueur de perçage moyenne nécessite plus de temps. Pour l'usinage des superalliages, une usure fréquente de l'outil est considérée comme le facteur direct qui limite l'efficacité du traitement, tandis que la forte élévation de température causée par la surface fortement écrouie en cours d'usinage est un facteur clé pour accélérer l'usure de l'outil5.

Selon Habeeb et al.6, la fissuration induite par la chaleur était la principale raison de la défaillance de l'outil à des vitesses de coupe élevées. Cela se produit lorsque les bords sont soumis à une quantité importante de chocs thermiques en raison de la température élevée provoquée par des vitesses de coupe rapides et des changements de température importants7. Le perçage conventionnel est généralement confronté à certaines difficultés dues à la localisation de la chaleur dans la zone de coupe résultant de l'encastrement du foret dans la pièce à usiner. La température de coupe affecte directement la précision dimensionnelle du trou percé, la qualité de la surface et la durée de vie de l'outil. Lofti et al. a utilisé le forage assisté par ultrasons en présence d'une lubrification en quantité minimale de nano-fluide pour l'acier 1045 et a constaté qu'en raison de la réduction du coefficient de frottement causée par l'application de vibrations ultrasonores, le mode d'usure de la surface percée passe du type adhésif au type abrasif et la formation de bord rapporté est limitée, ce qui se traduit par une meilleure finition de surface8,9. Lofti et al. a développé un modèle mécaniste de déviation de la pièce pour l'aluminium 7075. Avec et sans assistance par ultrasons, un perçage a été effectué sur la pièce. Il a été constaté que dans les approches expérimentales et théoriques, l'augmentation de la vitesse d'avance entraîne une augmentation de la déflexion de la pièce. Cela est dû à l'augmentation des valeurs de force de poussée qui a été considérablement influencée par le mouvement d'avance10. Bien que les outils de coupe super durs comme le CBN et le PCBN jouent certains rôles dans l'amélioration de l'efficacité du traitement des superalliages à base de nickel, les outils de coupe en céramique comme la matrice d'alumine et le Si3N4 jouent toujours un rôle important. Il s'avère que l'outil CBN est capable d'usiner l'Inconel 718 par rapport à l'outil en carbure. Dans le scénario actuel, l'usinage rotatif par ultrasons (RUM) peut être utilisé pour l'usinage de matériaux de structure complexes et résistants tels que la céramique, le titane, le verre, etc.11 La figure 3 indique la méthode de traitement du RUM. Une carotteuse rotative avec des abrasifs diamantés à liant métallique est mise en vibration par ultrasons et acheminée vers la pièce à usiner à une vitesse d'alimentation constante ou à une force (pression) constante. Le liquide de refroidissement pompé à travers le noyau du foret élimine les copeaux, empêche le blocage du foret et le maintient au frais. Il existe deux mécanismes pour le processus RUM : premièrement, par le processus de vibration ultrasonique, l'enlèvement de matière est effectué ; d'autre part par le processus traditionnel de meulage abrasif au diamant. Il comprend le processus de martelage, d'abrasion et d'extraction pour l'usinage sur RUM.

Processus principal de RUM.

Selon les travaux rapportés à ce jour, Pei et al.11 sont les premiers à avoir commencé la recherche sur le RUM du matériau céramique. Le procédé RUM peut être utilisé pour diverses opérations telles que le perçage, le meulage et le surfaçage de céramiques à différents paramètres de procédé. Après cela, il est accéléré par Hu et al.12 pour la céramique de zircone. On constate que le taux d'enlèvement de matière maximal (MRR) est atteint à une puissance nominale de 40 à 70 %. En 2005, Li et al.13 ont utilisé le RUM pour usiner deux composites céramiques différents. Zeng et al.14 ont comparé l'usinage par ultrasons avec le RUM pour les matériaux céramiques. On observe que le RUM a fourni un meilleur MRR que l'usinage par ultrasons. Zhang et al.15 ont utilisé le RUM pour les opérations d'usinage sur le verre K9. On constate que la vitesse de rotation n'a pas d'impact significatif sur la productivité. Lv et al.16 ont utilisé le RUM pour le verre BK7. On observe que les dommages souterrains dans RUM se différencient en meulage, écaillage et fissuration sur le verre. Outre cela, de nombreux travaux de recherche sont également menés sur les alliages de titane en utilisant le RUM17. De plus, peu de travaux de recherche sont menés sur l'utilisation des techniques d'optimisation. Cong et al.18 ont créé une technique de conception expérimentale pour prédire la force de coupe du matériau CFRP dans l'usinage rotatif par ultrasons. Le modèle développé peut prédire la force de coupe en fonction des variables d'entrée, c'est-à-dire l'amplitude de l'outil, la vitesse de rotation de l'outil, la vitesse d'avance, la taille des mailles abrasives et la concentration des particules abrasives. Lui et al.19 ont étudié la micropuce à l'extérieur du trou pendant le processus de forage sur RUM. Les expériences sont conçues selon la méthodologie de surface de réponse en utilisant l'approche de désirabilité. Teimouri et al.20 ont mené les expériences avec une machine à ultrasons sur un alliage de titane de grade I en utilisant deux outils différents ; l'acier à haute teneur en carbone (HSC) d'une dureté de 56 HRC et l'alliage de titane (Ti) d'une dureté de 42 HRC. Avec le modèle de régression, une technique d'optimisation multi-objectifs a été utilisée et compare les données avec d'autres algorithmes. Les résultats ont indiqué que l'ICA surpasse les autres algorithmes dans les deux cas de temps d'exécution et de valeurs de la fonction objectif aux optima globaux. Dans la présente étude, un modèle mécaniste de la déviation de la pièce applicable à la fois à l'UAD conventionnel et à l'UAD a été développé.

Il ressort de la revue de la littérature que les travaux précédemment rapportés se sont concentrés sur le RUM de la céramique, du titane et du verre. il n'y a eu que peu d'études de recherche rapportées sur le RUM de matériaux de superalliages à base de nickel. Les alliages à base de nickel ont une large application dans la fabrication de moteurs à réaction et de structures de réacteurs nucléaires21,22,23. Le paramètre appelé "taille de grain abrasif" de l'outil a été omis dans de nombreuses recherches effectuées dans RUM sur de nombreux matériaux de travail. La variable "puissance ultrasonique" a été étudiée à un niveau très bas (30 à 40%) dans les études de recherche antérieures. Ainsi, il est nécessaire d'exposer l'usinage de l'Inconel 718 à des niveaux de puissance plus élevés. , taille de grain abrasif sur les caractéristiques d'usinage, c'est-à-dire MR et Ra dans RUM d'Inconel 718 en utilisant RSM sous la forme d'une conception composite centrale (CCD). Un outil statistique "analyse de variance" (ANOVA) est également utilisé pour vérifier la viabilité du modèle statistique. Le modèle mathématique développé grâce à cette approche sera utile dans la révélation industrielle. L'optimisation des caractéristiques d'usinage, c'est-à-dire MR et Ra sur surface usinée avec PSO (optimisation de RHUM. L'optimisation simultanée des deux réponses d'usinage rendra encore plus significative l'applicabilité de la méthode tout en résolvant des problèmes industriels réels. L'optimisation multi-réponse a été tentée pour optimiser simultanément MR et Ra en utilisant l'approche MOPSO. L'analyse par microscopie électronique à balayage (MEB) d'échantillons usinés a été analysée et présentée.

Dans cette recherche en cours, le matériau de travail Inconel 718 est sélectionné pour les essais. La dimension de la feuille carrée est de 50 × 50 × 5 mm. Les propriétés du matériau sont décrites dans le tableau 1. Un test EDS est effectué avant l'usinage pour garantir la qualité de la pièce. Les figures 4a et b montrent les résultats du test EDS. Pour le perçage de la pièce à usiner, un outil de forage au diamant à liant métallique est utilisé pour l'Inconel 718. La figure 5 montre la vue illustrée de l'outil de forage au diamant. Les diamètres extérieur (OD) et intérieur (ID) de la carotteuse diamantée sont respectivement de 8 mm et 6,5 mm.

Analyse EDS de l'Inconel 718.

Vue photographique de l'image de la carotteuse diamantée à liant métallique fabriquée.

Dans les travaux de recherche actuels, RUM (Sonic-Mill Series 10-Sonic-Mill, Albuquerque, NM, États-Unis) est utilisé pour les opérations de forage pour Inconel 718. La figure 6 représente la vue photographique de la configuration expérimentale. Pour trouver les résultats optimaux, les différents essais sont exécutés à différents niveaux des paramètres du processus, c'est-à-dire la rotation de l'outil, la vitesse d'avance, la puissance nominale et la taille abrasive du diamant. Le tableau 2 décrit les différentes valeurs des paramètres d'usinage d'entrée pour la présente étude. En plus de cela, les autres paramètres de processus tels que le diamètre de l'outil 8 mm, la fréquence de vibration 21 kHz, l'amplitude de vibration 25,3–25,8 µm et la pression du liquide de refroidissement 300 kPa sont maintenus constants. De plus, un liquide de refroidissement soluble dans l'eau dilué avec de l'huile de coupe (Mobilmet S-122, Mobil Oil Corporation, Fairfax, VA, États-Unis) ayant un rapport huile/eau de 1:20 est utilisé pendant l'opération de coupe afin d'éliminer la chaleur et les débris pendant le processus.

Configuration expérimentale de RUM.

Les expériences sont conçues selon la conception composite centrale (conception rotative). Conformément à la conception, un total de 21 expériences sont réalisées. Le tableau 3 représente la conception des expériences pour les travaux de recherche actuels. Les tests sont effectués avec une double répétition. La valeur moyenne des observations est donnée dans le tableau 4.

Dans l'étude actuelle, la vitesse d'usinage (MR) et la rugosité de surface (Ra) sont considérées comme des paramètres de réponse. La cadence d'usinage est calculée à partir de la méthode de mesure du poids. Dans cette méthode, une balance électronique (± 0,0002 g) est utilisée pour calculer le poids de la pièce avant et après chaque expérience. L'éq. (1) est utilisé pour le calcul du MR. Le volume est calculé en multipliant la densité par la masse. La rugosité de surface de l'échantillon est calculée à l'aide d'un testeur de rugosité (Marque : Surfcom, Flex)

Le tableau 4 présente les résultats de l'étude actuelle. Il représente les valeurs moyennes de MR et Ra de deux expériences pour chaque valeur d'entrée. On observe que le MR maximal est obtenu dans l'expérience 1 alors que la rugosité minimale est obtenue dans l'expérience 12. Trois critères sont utilisés, tels que le test d'inadéquation de l'ajustement, la somme des carrés du modèle séquentiel et les statistiques d'ensemble du modèle. Pour de meilleurs résultats, un processus d'élimination en arrière est utilisé pour éliminer les termes non significatifs dans les modèles. Ce processus d'élimination améliore l'adéquation du modèle en supprimant les termes non significatifs du modèle quadratique pour préserver la hiérarchie du modèle.

Les tableaux 5 et 6 montrent les valeurs des résultats après le processus d'élimination vers l'arrière. Il ressort clairement des tableaux 5 et 6 que tous les paramètres d'entrée sont importants. En plus de cela, les valeurs F et les valeurs P indiquent également l'adéquation du modèle. La valeur de table F de ce modèle est évaluée en divisant la valeur carrée moyenne du modèle en valeurs résiduelles carrées moyennes. La valeur F définit la relation entre la variance du modèle et la variance résiduelle. Si les valeurs de variance sont presque identiques, la fraction est presque égale à 1 et le modèle n'a pas d'impact important sur les performances. La valeur F obtenue du modèle pour MR et Ra est de 472,61 et 47,598, respectivement et pour MR et Ra, la valeur P est inférieure à 0,05. Les tableaux 5 et 6 montrent que le modèle obtenu pour MR et Ra est significatif24.

Le R2 est appelé le coefficient de détermination qui indique le degré de proximité entre la valeur expérimentale et la valeur prédite. Le pourcentage de proximité avec le 1 a montré la bonne valeur expérimentale par rapport à la valeur prédite. Dans le présent travail, la valeur R2 obtenue pour MR et Ra s'est avérée être respectivement de 98,7 % et 96,9 %, comme indiqué dans les tableaux 5 et 6. Certaines autres propriétés telles que R2 ajusté, la précision adéquate prédite de R2 jouent également un bon rôle pour l'adéquation du modèle. Il montre un accord sain entre la valeur expérimentale et la valeur prédite. "Précision adéquate" signifiant le rapport signal sur bruit (S/N). En général, la valeur supérieure à 4 est acceptable25. Dans les deux tableaux ANOVA 5 et 6, non seulement les paramètres individuels, mais aussi de manière interactive, cela influence les paramètres de réponse, c'est-à-dire MR et Ra.

La figure 7 représente la courbe de probabilité résiduelle standard qui montre que les résidus sont à l'intérieur de ± 3 limites et qu'ils sont fixés par les droites MR et Ra. La figure 8 montre que les valeurs estimées du modèle sont fidèles aux valeurs expérimentales MR et Ra. Cela révèle que les résultats du tableau ANOVA sont fiables. Les équations (2) et (3) représentent le modèle de régression pour MR et Ra respectivement.

Graphiques des résidus (a) MR et (b) Ra.

Prédit vs réel (a) MR et (b) Ra.

La figure 9 illustre l'impact des paramètres, c'est-à-dire la vitesse de rotation (tr/min), la vitesse d'alimentation (mm/sec), la puissance nominale des ultrasons (%) et la taille du grain abrasif (maille) sur la vitesse d'usinage. On observe que la vitesse de rotation n'affecte pas significativement le MR comme le montre la figure 9a. Inversement, on observe que le MR est significativement modifié de 0,5512 à 0,8525 mm3/sec avec un changement du taux de pénétration de 0,0125 à 0,0175 mm/sec comme représenté sur la figure 9b. Il est attribué au rainurage profond des particules abrasives à une vitesse d'alimentation plus élevée et a entraîné un MR plus élevé. La figure 9c montre l'impact de la puissance des ultrasons sur la RM. On voit que le MR est passé de 0,6965 à 0,7109 mm3/sec pour une augmentation de puissance de 60 à 65%. Augmentation supplémentaire de la puissance jusqu'à 70%, MR diminue de 0,7109 à 0,6937 mm3/sec. Les résultats obtenus sont cohérents avec l'étude précédente des chercheurs26,27.

Effets des paramètres RUM sur MR (a) vitesse de rotation, (b) vitesse d'alimentation, (c) puissance ultrasonique, (d) taille de grain abrasif.

L'effet de la taille du diamant sur MR est représenté sur la figure 9d. La taille du grain abrasif est inversement proportionnelle à la valeur de maille du grain abrasif. On observe que le MR n'a pas changé de manière significative avec le changement de la taille du grain abrasif. De plus, la courbure est observée en effet de taille de grain abrasif sur MR. C'est une indication de la taille du grain du diamant utilisé dans l'outil collé pour améliorer la vitesse d'usinage. Cela est dû à une indentation plus profonde des particules abrasives dans la pièce28.

La figure 10a illustre les effets d'interaction sur MR. Il est vérifié à partir de l'Eq. (2) que deux interactions sont jugées significatives pour MR. Il est clairement visible que le MR maximum est obtenu dans une région où la vitesse d'avance et la rotation de l'outil sont élevées. Il est attribué à l'augmentation de la longueur de contact des particules abrasives de diamant. Inversement, un MR minimum est observé dans une région où la vitesse d'avance est faible et la vitesse de rotation de l'outil est plus élevée. Cela est dû au point de contact inférieur entre l'outil et la pièce. L'effet d'interaction entre la puissance ultrasonique et la vitesse d'alimentation sur MR est illustré à la Fig. 10b. On observe que la MR est atteinte pour être maximale dans les régions où la vitesse d'alimentation et la puissance ultrasonore sont maximales. Cela se produit en raison de l'augmentation de la vibration avec l'augmentation de la force ultrasonique qui élimine efficacement les copeaux et les débris des surfaces d'usinage. D'autre part, le MR minimum est obtenu à un taux de pénétration et à une puissance ultrasonore inférieurs.

Tracé de contour 3D de l'effet d'interaction (a) vitesse d'avance et rotation de l'outil (b) vitesse d'avance et puissance ultrasonore sur MR.

La figure 11 illustre l'impact des paramètres de processus sur la surface usinée. La figure 11a illustre l'effet de la vitesse de rotation de l'outil sur Ra. On en conclut que le Ra diminue avec l'augmentation de la vitesse de rotation de l'outil. Il est attribué à l'amélioration de l'action de meulage par unité de temps de l'outil avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Une autre raison d'une meilleure rugosité de surface est de réduire le taux de développement de micro-fissures sur la surface29. La figure 11b montre l'effet de la vitesse d'alimentation sur Ra. On observe que le Ra est fortement augmenté de 0,676 à 0,938 µm avec une augmentation du taux de pénétration de 0,0125 à 0,0175 mm/sec. Cette augmentation est due à l'extension des microfissures à la surface de la pièce. L'effet de la puissance ultrasonique sur Ra est illustré à la Fig. 11c. On constate que le Ra diminue avec l'augmentation de la puissance ultrasonore. Ce changement ne se révèle pas significatif. De plus, on observe également que la différence d'amplitude n'a pas d'effet sur le Ra. La figure 11d montre que Ra est diminué de 0,861 à 0,807 µm avec une augmentation de la taille du grain de 100 à 120 mesh. A l'inverse, elle augmente peu de 0,807 à 0,811 µm lorsque la taille des grains passe de 120 à 140 mesh. Cela est dû aux grains abrasifs grossiers qui entraînent une amélioration du taux de fracturation. De plus, pendant le processus RUM, les particules de diamant se déplacent continuellement dans la cavité du trou. La taille accrue du granulat augmente les forces de frottement à l'interface latérale et contribue aux dommages de surface occasionnés par cette usure latérale uniforme30.

Effets des paramètres RUM sur Ra (a) vitesse de rotation de l'outil, (b) vitesse d'avance, (c) puissance ultrasonique, (d) taille du grain abrasif.

La figure 12 illustre l'effet d'interaction sur Ra. Il est vérifié à partir de l'Eq. (3) que trois interactions s'avèrent significatives pour Ra. La figure 12a montre l'effet combiné de la puissance des ultrasons et de la vitesse de rotation de l'outil. La valeur minimale de Ra est obtenue dans une zone où la puissance ultrasonore est minimale et la vitesse de rotation de l'outil est maximale. Ceci est dû à une augmentation du pas de meulage de l'outil qui se traduit par la finesse des surfaces d'usinage. L'effet d'interaction de la vitesse d'alimentation et de la puissance ultrasonore sur Ra est représenté sur la figure 12b. Le Ra minimum de 0,665 µm est obtenu dans une région de faible vitesse d'alimentation et de faible puissance ultrasonore. Cela est dû à la plus faible profondeur d'indentation du diamant abrasif sur la pièce. Le Ra maximum de 0,965 se trouve dans une région où la vitesse d'alimentation est maximale et la puissance ultrasonore est minimale. Cela est dû à une plus grande profondeur d'indentation des particules abrasives sur la surface de la pièce. La figure 12c montre l'effet de la vitesse d'alimentation et de la taille du grain abrasif sur Ra. Il est clairement visible sur la figure 12c que la valeur minimale de Ra, c'est-à-dire 0,762 µm, est obtenue pour une faible vitesse d'alimentation et une taille de grain fine (140 mesh). Il est attribué à une profondeur d'indentation plus faible des particules de diamant sur la surface de la pièce. La valeur de Ra est maximale à une vitesse d'avance plus élevée pour toutes les tailles de grains abrasifs. Cela est dû à un changement de la taille du grain de grossier à fin, c'est-à-dire 0,9083 µm31.

Effet de tracé d'interaction 3D Ra (a) rotation de l'outil et puissance ultrasonique, (b) vitesse d'avance et puissance ultrasonique, et (c) vitesse d'avance et taille de l'abrasif diamanté.

La machine SEM est utilisée pour étudier la surface du matériau de base, éprouvette de rugosité de surface maximale (essai expérimental 3, éprouvette de rugosité de surface minimale (essai expérimental 12) comme illustré à la Fig. 13. Il ressort de la Fig. les surfaces des surfaces de rugosité maximale. Deux types de fracture sont observés sur la surface usinée de rugosité de surface maximale, c'est-à-dire une fracture ductile et une fracture fragile, comme illustré à la Fig. 13b. En outre, des arêtes vives, des trous profonds et des microfissures sont également observés sur la surface usinée, comme indiqué à la Fig. ont montré la promulgation de fissures intergranulaires et transgranulaires. Ces types de surfaces sont observés en raison du mouvement vibratoire de l'outil au cours du processus. La figure 13d représente la surface usinée de rugosité de surface minimale. De petits trous et des marques abrasives profondes sont observés sur la surface. De plus, la qualité des bords de la pièce usinée est également analysée à l'aide d'un microscope optique, comme illustré sur la figure 13e. Il n'y a pas de fissure et une bavure est observée sur le bord du trou percé.

Micrographie de (a) Inconel 718 (avant usinage), (b) et (c) éprouvette de rugosité de surface supérieure (d) éprouvette de rugosité de surface minimale, (e) qualité du bord du trou.

Le mot "Optimisation" signifie faire le meilleur usage possible des ressources. Dans la recherche actuelle, une technique d'optimisation métaheuristique, à savoir l'optimisation par essaim de particules (PSO), est également utilisée pour obtenir les valeurs optimales des paramètres de processus de RUM pour l'Inconel 718. Selon les meilleures connaissances de l'auteur, Kennedy et Eberthart32 ont introduit le PSO en 2006. Il s'agit d'un algorithme stochastique capable de résoudre les problèmes d'optimisation avec l'algorithme évolutif tel que l'algorithme génétique, l'évolution différentielle, etc. ou banc de poissons. Chaque membre de l'essaim dans PSO est considéré comme une particule. Chaque particule dans l'espace de recherche représente la solution potentielle. De plus, les informations collectées à partir des particules sont triées pour obtenir la meilleure particule de l'essaim, telle que la meilleure globale (gbest).

De plus, chaque position de particule est définie en termes de vecteurs tels que le vecteur de position et le vecteur de vitesse. La position et le vecteur vitesse de la particule \(i^{th}\) dans l'espace de recherche d-dimensionnel peuvent être exprimés respectivement par \(x_{i} = \left( {x_{i1} , x_{i2} , ..., x_{id} } \right)\) et \(v_{i} = \left( {v_{i1} , v_{i2} , ..., v_{id} } \right)\). Le meilleur emplacement de chaque particule dépend de la fonction de fitness définie par l'utilisateur, c'est-à-dire \(p_{i} = \left({p_{i1} , p_{i2} , ..., p_{id} } \right)\), noté pbest et la particule la plus adaptée trouvée dans l'ensemble complet de swarm est \(p_{g} = \left( {p_{g1} , p_{g2} , ..., p_{gd} } \right)\ ), noté gbest. Les deux valeurs correspondent à ses meilleures valeurs de fitness au temps (t). Les équations 4 et 5 sont utilisées pour calculer les nouvelles positions et les nouveaux vecteurs de vitesse pour la prochaine évaluation de la condition physique au temps (t + 1).

où \(rand_{1}\) et \(rand_{2}\) sont les valeurs aléatoires qui se situent entre (0, 1), w est le poids d'inertie du facteur, et utilisé pour donner la direction des vitesses précédentes sur la vitesse actuelle des particules, \(c_{1}\) est le facteur d'apprentissage cognitif qui montre le mouvement de la particule vers son propre succès et \(c_{2}\) définit le facteur d'apprentissage social qui montre qu'une particule se rapproche de la valeur de sa voisine. Certains chercheurs ont suggéré les plages de \(c_{1}\) comme (1,5 à 4) et \(c_{2}\) comme (2 à 2,5). La figure 14 représente l'organigramme de la technique PSO.

Organigramme de l'optimisation des essaims de particules.

Le code binaire est utilisé pour générer la particule dans PSO. La particule au format binaire est décodée en utilisant Eq. 6. La précision est donnée par Eq. 7.

où \(X_{i}\) : la valeur décodée des paramètres RUM. \(X^{L}\) : est la limite inférieure des paramètres RUM. \(X^{U}\) : la limite supérieure des paramètres RUM. n : est la longueur de la sous-chaîne (= 4). \(S_{i}\) est la valeur décodée de la particule \(i^{ième }\)

La distance d'encombrement est un concept clé pour trier les options en valeurs objectives ascendantes. C'est la moyenne de deux valeurs de solutions adjacentes. Des valeurs de distance d'encombrement infinies sont données aux solutions aux limites qui ont les valeurs de fonction objectif les plus basses et les plus élevées, elles sont donc souvent choisies. Pour chaque fonction objectif, cette étape est complétée. La valeur de distance d'encombrement finale d'une solution est déterminée en appliquant toutes les différentes valeurs de distance d'encombrement à chaque fonction objectif. L'algorithme pour la distance de surpeuplement est répertorié ci-dessous.

La figure 15 représente l'organigramme de l'OSP multi-objectifs (MOPSO). L'algorithme pour MPSO est répertorié ci-dessous.

Organigramme de MOPSO.

Où \(rand_{1}\) et \(rand_{2}\) sont des nombres aléatoires entre 0 et 1. Si la position actuelle au-delà des limites prend les limites supérieures ou inférieures et sa vitesse est générée aléatoirement. Effectuez enfin les étapes 2 à 5 jusqu'à ce que les critères d'arrêt soient remplis.

Dans les travaux de recherche actuels, les réponses MR et Ra sont opposées dans leur conception. Cela signifie qu'une valeur plus élevée des taux d'usinage a entraîné une valeur plus élevée de la rugosité de surface. Afin d'obtenir un taux d'usinage plus élevé avec une meilleure finition de surface, des valeurs de paramètres optimales doivent être obtenues. Pour trouver la meilleure valeur de la vitesse d'usinage et de la rugosité de surface, un PSO à un ou plusieurs objectifs est utilisé. Les valeurs limites inférieure et supérieure des paramètres sont utilisées dans l'algorithme afin que la valeur ne dépasse pas la limite. Les valeurs sont données dans le tableau 7.

Le modèle empirique développé [Eq. (2)] est utilisé pour mettre en œuvre la technique PSO. La figure 16 illustre les valeurs de MR à chaque itération après avoir utilisé la technique PSO sur des modèles empiriques. Après des itérations successives, PSO donne la valeur maximale de MR (0,8931 mm3/sec) à la combinaison de paramètres de Rotation de l'outil-5400 tr/min ; Vitesse d'alimentation-0,0175 mm/sec ; Puissance ultrasonique-70 % ; Taille de grain abrasif diamant - 140 mesh illustré dans le tableau 8.

Tracé d'itération pour MR.

Pour prédire la valeur inférieure de Ra, le modèle empirique (Eq. 3) est utilisé dans PSO. Les valeurs prédites de Ra pour chaque itération au cours de la technique PSO sont illustrées à la Fig. 17. Après des itérations successives, PSO donne la valeur minimale de Ra (0,554 µm) à la combinaison de paramètres de Rotation de l'outil - 5400 tr/min ; Vitesse d'alimentation-0,0125 mm/sec ; Puissance ultrasonique-60 % ; Taille de grain abrasif diamant - 140 mesh illustré dans le tableau 9.

Tracé des itérations pour Ra.

Pour la validation de ces résultats, des tests de confirmation sont effectués sur RUM avec deux répétitions et les valeurs prédites et les valeurs moyennes des résultats expérimentaux de confirmation (pour MR et Ra) sont également tabulées dans le tableau 9. Les résultats de confirmation pour MR et Ra se sont avérés différer des valeurs prédites de 3,42 % et 3,14 % respectivement, qui se trouvent dans l'intervalle de confiance (IC) à 95 %.

L'algorithme évolutionnaire multi-objectif produit un front de Pareto pour le problème de minimisation multi-objectif, qui peut trouver une solution de compromis entre des objectifs contradictoires. Le front de Pareto est défini comme l'ensemble des solutions non dominées, où chaque objectif est considéré comme également bon. Un problème peut être exprimé en termes de problème d'optimisation multi-objectifs à front de Pareto. De ce point de vue, étant donné deux solutions s et s′, s′ domine s si et seulement si pertinence (s′) > pertinence(s) et |s′| <|s|. Or, si pertinence (s′) > pertinence(s) mais |s′| >|s|, aucune solution ne peut dominer l'autre. L'ensemble de toutes les solutions non dominantes constitue une surface appelée front de Pareto. Le front de Pareto comprend les solutions pour lesquelles il n'existe pas de meilleure solution dans les deux critères. En utilisant l'optimisation du front de Pareto pour un problème de sélection, il n'y a pas besoin d'hypothèses a priori sur l'importance des objectifs33.

L'algorithme MOPSO basé sur la distance d'encombrement (dans la section "Optimisation par essaim de particules") est également utilisé pour obtenir les valeurs optimisées des paramètres de processus pour MR et Ra. Les modèles empiriques basés sur Eq. (2) et (3) sont tous deux utilisés pour obtenir les valeurs optimisées des paramètres de processus à l'aide de MOPSO. Le front de Pareto pour les fonctions objectives MR et Ra est représenté sur la figure 18. Le front de Pareto est l'ensemble de toutes les solutions efficaces de Pareto. Dans l'optimisation multi-objectifs, un grand nombre de solutions sont générées comme indiqué dans le tableau 10. Les solutions sont utilisées pour obtenir les meilleures valeurs des paramètres de processus pour obtenir les valeurs maximales de MR et les valeurs minimales de Ra aux paramètres de processus optimisés. Pour la confirmation des résultats obtenus par MOPSO et pour déterminer l'efficacité de la technique d'optimisation (MOPSO), certains tests de confirmation (Sr n° 1 et 2) sont effectués sur la pièce et le tableau 11. montre que les résultats de confirmation pour MR et Ra se sont avérés différer des valeurs prédites de 3,46 % et 4,5 % respectivement, qui se trouvent dans l'intervalle de confiance (IC) à 95 %.

Front de Pareto pour les fonctions objectives MR et Ra.

Dans la présente étude, RUM est utilisé pour l'usinage (perçage) de superalliages (Inconel 718) à différents paramètres de processus afin d'obtenir les paramètres de processus optimisés en utilisant PSO et MOPSO. La conclusion suivante est tirée de la présente étude :

On observe que les modèles empiriques sont de nature quadratique pour MR et Ra. De plus, deux interactions sont trouvées significatives pour MR et trois interactions sont trouvées significatives pour Ra.

Les valeurs de MR augmentent avec l'augmentation de la vitesse d'alimentation tandis que la rugosité de surface diminue avec l'augmentation de la vitesse d'alimentation. Cela est dû à l'amélioration du taux d'indentation de l'outil. Inversement, le MR est diminué avec la diminution de la taille des mailles tandis que la finition de surface est augmentée avec la diminution de la taille des mailles.

Il est conclu que la vitesse de rotation de l'outil et la puissance ultrasonore n'affectent pas significativement le MR par rapport à Ra.

Il est attesté par l'analyse SEM que le matériau est retiré de la pièce sous la forme de gros morceaux et de fissures intercristallines.

La valeur maximale de MR de 0,8625 mm3/sec est obtenue pour une vitesse d'outil de 5400 tr/min, une vitesse d'avance de 0,0175 mm/s, une puissance ultrasonique de 70 % et une taille de grain abrasif diamant de 140 mesh. Le Ra minimum de 0,572 µm est observé pour une vitesse d'outil de 5400 tr/min, une vitesse d'avance de 0,0125 mm/s, une puissance ultrasonore de 60 % et une taille de grain abrasif diamant de 140 mesh.

Dans le cas de MOPSO, des nombres de solutions sont générés au réglage optimal des paramètres de processus afin d'obtenir la valeur maximale de MR et les valeurs minimales de Ra.

Les auteurs confirment que les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles dans l'article [et/ou] ses documents supplémentaires.

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D'où vient Msomi ?

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Shubham Verma

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Conception et design d'étude : DP, UB, VM et SV ; Acquisition de données : DP, UB, VM et SV ; Analyse et/ou interprétation des données : DP, UB, VM et SV ; Rédaction et rédaction du manuscrit : DP, UB, VM et SV

Correspondance à Velaphi Msomi ou Shubham Verma.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

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Reçu : 20 septembre 2022

Accepté : 23 janvier 2023

Publié: 31 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-28674-1

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