kouahla ilyas | Université 8 Mai 1945 Guelma

Modélisation et optimisation des vibrations de l’outil, de la rugosité des surfaces usinées et de la puissance de coupe lors de l’usinage de l’Inconel 718 par le carbure métallique

keywords

Keywords:

Inconel 718; Dry turning; RSM; ANOVA; Taguchi; Desirability function; GRA; MCDM; Roughness; Vibrations; Multi-objective optimization.

keywords (Ar)

Key words (Ar):

Inconel 718 ؛ RSM ؛ ANOVA ؛ Taguchi ؛ GRA ؛ MCDM, الخراطة الجافة؛ خشونة السطح؛ الاهتزازات؛ دالة المرغوبية؛ التحسين متعدد الأهداف؛

keywords (Fr)

Key words (Fr):

Inconel 718 ; Tournage à sec ; RSM ; ANOVA ; Taguchi ; Fonction de désirabilité ; GRA ; MCDM ; Rugosité ; Vibrations ; Optimisation multi-objectifs.

Machining nickel-based superalloys is currently a major challenge in the manufacturing industry due to increasing requirements in terms of quality, productivity, and energy efficiency. In this context, the present thesis is part of a scientific approach aimed at analyzing, modeling, and optimizing the technological performance of turning the Inconel 718 alloy, which is known for its exceptional mechanical properties as well as its poor machinability.

The experimental study analyzes the influence of cutting parameters, cutting speed (Vc), feed rate (f), depth of cut (ap), and tool nose radius (r), on the following performance indicators: surface roughness (Ra), tangential vibration (Vtng), cutting force (Fz), power consumption (Pc), and material removal rate (MRR). A preliminary parametric analysis made it possible to characterize the individual effects of the factors and to better understand the behavior of the tool–workpiece system.

In a second phase, a rigorous statistical approach based on the Taguchi design of experiments methodology was implemented, followed by analysis of variance (ANOVA) to identify the most influential parameters. Predictive models were then developed using the response surface methodology (RSM), allowing the establishment of reliable mathematical relationships between input parameters and the studied responses.

The optimization of cutting conditions was carried out using an integrated multi-objective approach. First, aggregation methods, namely the desirability function (DF) and grey relational analysis (GRA), were used to identify compromise solutions. Second, multi-criteria decision-making (MCDM) methods, such as PIV, MAIRCA, RIM, and MABAC, were applied with different weighting strategies (Equal weights, Entropy, MEREC, and SWARA). This approach enabled the development of multiple ranking scenarios and strengthened the robustness of the solutions through cross-validation.

The results highlight two complementary cutting regimes depending on whether surface quality or productivity is prioritized, with consensus on the maximum cutting speed as an invariant optimal parameter. The study shows that the integration of experimentation, statistical modeling, and multi-criteria optimization constitutes an effective framework for machining difficult-to-cut materials such as Inconel 718, ensuring a trade-off between surface quality, dynamic stability, energy consumption, and productivity. And thus, this thesis proposes a methodology that can be generalized to similar industrial applications.

Abstract (Ar)

Abstract (Ar):

تُعدّ عملية تشغيل سبائك النيكل الفائقة من أبرز التحديات التي تواجه الصناعة التحويلية الحديثة، نظراً للمتطلبات المتزايدة من حيث الجودة والإنتاجية والكفاءة الطاقوية. في هذا الإطار، تندرج الأطروحة الحالية ضمن مقاربة علمية متكاملة تهدف إلى تحليل وتصميم نماذج رياضية وتحسين الأداء التكنولوجي لعملية الخراطة الجافة لسبيكة (Inconel 718)، المعروفة بخصائصها الميكانيكية الاستثنائية وضعف قابليتها للتشغيل.

تتناول الدراسة التجريبية تأثير معاملات القطع — سرعة القطع (Vc)، التغذية (f)، عمق القطع (ap)، ونصف قطر رأس الأداة (r)، على مؤشرات الأداء التالية: خشونة السطح (Ra)، الاهتزاز المماسي للأداة (Vtng)، قوة القطع الرئيسية (Fz)، القدرة المستهلكة (Pc) ومعدل إزالة المادة (MRR). وقد أتاح تحليل معاملاتي أولي تشخيص التأثيرات الفردية لكل عامل وفهم السلوك الديناميكي لمنظومة الأداة–قطعة الشغل.

في مرحلة ثانية، اعتُمد نهج إحصائي صارم مبني على منهجية (Taguch) للتخطيط التجريبي، مدعوماً بتحليل التباين (ANOVA) للكشف عن المعاملات الأكثر تأثيراً، ثم تطوير نماذج تنبؤية باستخدام منهجية أسطح الاستجابة (RSM)، مما أتاح إرساء علاقات رياضية موثوقة بين معاملات الإدخال والاستجابات المدروسة.

وقد تناول تحسين ظروف القطع وفق مقاربة متعددة الأهداف ومتكاملة. في المرحلة الأولى، طُبِّقت أساليب التجميع، لا سيما دالة المرغوبية (DF) وتحليل العلاقة الرمادية (GRA)، بهدف تحديد حلول توافقية. وفي المرحلة الثانية، وُظِّفت أساليب اتخاذ القرار متعدد المعايير (MCDM)، من بينها (PIV, MAIRCA, RIM, MABAC)، مقترنةً باستراتيجيات ترجيح مختلفة (Poids Égaux, Entropie, MEREC, SWARA). وقد أسهم هذا النهج في بناء سيناريوهات تصنيف متعددة وتعزيز متانة الحلول عبر التحقق المتقاطع.

تكشف النتائج عن نظامَي قطع متكاملَين يتحددان وفق الأولوية الممنوحة لجودة السطح أو الإنتاجية، مع إجماع تام على اعتبار أقصى سرعة قطع معلمةً مثلى ثابتة. تُثبت هذه الدراسة أن دمج التجريب والنمذجة الإحصائية والتحسين متعدد المعايير يُشكِّل إطاراً منهجياً فعّالاً لتشغيل المواد العسيرة كسبيكة (Inconel 718)، محققاً التوازن بين جودة السطح والاستقرار الديناميكي والكفاءة الطاقوية والإنتاجية. وبالتالي، تقدم هذه الأطروحة منهجية يمكن تعميمها على تطبيقات صناعية مماثلة.

Abstract (Fr)

Abstract (Fr):

L'usinage des superalliages à base de nickel constitue aujourd'hui un enjeu majeur dans l'industrie manufacturière en raison des exigences accrues en termes de qualité, de productivité et d'efficacité énergétique. Dans ce contexte, la présente thèse s'inscrit dans une démarche scientifique visant à analyser, modéliser et optimiser les performances technologiques du tournage de l'alliage Inconel 718, reconnu pour ses propriétés mécaniques exceptionnelles mais également pour sa faible usinabilité.

L'étude expérimentale analyse l'influence des paramètres de coupe, vitesse de coupe (Vc), avance (f), profondeur de passe (ap) et rayon de bec (r), sur les indicateurs de performance suivants : rugosité de surface (Ra), vibration tangentielle (Vtng), effort de coupe (Fz), puissance consommée (Pc) et taux d'enlèvement de matière (MRR). Une analyse paramétrique préliminaire a permis de caractériser les effets individuels des facteurs et de mieux appréhender le comportement du système outil–pièce.

Dans une seconde phase, une approche statistique rigoureuse basée sur la méthodologie des plans d'expériences de Taguchi a été mise en œuvre, suivie d'une analyse de variance (ANOVA) afin d'identifier les paramètres les plus influents. Des modèles prédictifs ont ensuite été développés à l'aide de la méthodologie des surfaces de réponse (RSM), permettant d'établir des relations mathématiques fiables entre les paramètres d'entrée et les réponses étudiées.

L'optimisation des conditions de coupe a été menée selon une approche multi-objectifs intégrée. Dans un premier temps, des méthodes d'agrégation, notamment la fonction de désirabilité (DF) et l'analyse relationnelle grise (GRA), ont permis d'identifier des solutions de compromis. Dans un second temps, des méthodes de décision multicritères (MCDM), telles que PIV, MAIRCA, RIM et MABAC, ont été appliquées avec différentes stratégies de pondération (Poids Égaux, Entropie, MEREC et SWARA). Cette démarche a permis d'établir plusieurs scénarios de classement et de renforcer la robustesse des solutions par validation croisée.

Les résultats mettent en évidence deux régimes de coupe complémentaires selon la priorité accordée à la qualité de surface ou à la productivité, avec un consensus sur la vitesse de coupe maximale comme paramètre optimal invariant. L'étude montre que l'intégration de l'expérimentation, de la modélisation statistique et de l'optimisation multicritères constitue un cadre efficace pour l'usinage de matériaux difficiles tels que l'Inconel 718, en assurant un compromis entre qualité de surface, stabilité dynamique, consommation énergétique et productivité. Et cette thèse propose ainsi une méthodologie généralisable à des applications industrielles similaires.

Scientific publications

Scientific publications :

1.Tool vibration, surface roughness, cutting power, and productivity assessment using RSM and GRA approach during machining of Inconel 718 with PVD-coated carbide tool.

Ilyas Kouahla, Mohamed Athmane Yallese, Salim Belhadi, Mourad Nouioua and Khaoula Safi1 (2022).

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2022)

(ISSN): 0268-3768 الرقم الدولي الموحد

(EISSN): 1433-3015 الرقم الدولي الموحد الالكتروني

Liste des revues scientifiques de Catégorie A 2022.

Scientific conferences

Scientific conferences:

1. Variance analysis of the correlation between arithmetic roughness and power consumption and the input parameters during the machining of the refractor alloy with mathematical modeling and dear.

KOUAHLA ILYAS, KOUAHLA Ilyas, YALLESE Mohamed Athmane, BELHADI Salim, HAOUES Sabrina, BOUMAZA Hanane

INTERNATIONAL ASIAN CONGRESS ON CONTEMPORARY SCIENCES-V

2. Correlation modelling between cutting parameters and tangential force when turning the refractor alloy using the response surface methodology.

KOUAHLA Ilyas, YALLESE Mohamed Athmane, BELHADI Salim, BOUMAZA Hanane, SAFI Khaoula

2nd AL FARABI INTERNATIONAL CONGRESS ON APPLIED SCIENCES 'Nakhchivan' University, Azerbaijan

3. Modeling and optimization of surface roughness and cutting force when machining Inconel 718 using the RSM and DF methods.

KOUAHLA Ilyas, YALLESE Mohamed Athmane, BELHADI Salim

INTERNATIONAL HAZAR SCIENTIFIC RESEARCHES CONFERENCE – II

4. RSM and ANOVA-based Modeling of Surface Roughness and Tool Vibration in Turning Refractory Super Alloy with Carbide Cutting Tool.

KOUAHLA Ilyas, YALLESE Mohamed Athmane, BELHADI Salim, KADDECHE Mounia, DJOUAMBI Nahla

FIRST NATIONAL CONFERENCE ON MECHANICAL ENGINEERING NCME'23, Mostefa Benboulaid Batna 2 University