Experimental investigation and modeling of surface machining of high performance CFRP for the aerospace industry

Résumé

Les matériaux composites à fibres de carbone (CFRP) sont largement utilisés dans les structures d'avions en raison de leur faible poids, leur résistance spécifique élevée, leur bonne résistance en fatigue et corrosion ainsi que pour leur flexibilité pour la conception de pièces. Bien que les composantes CFRP soient généralement produites à la forme quasi-finale, l'usinage est souvent nécessaire et pourrait s’avérer plus économique pour éliminer certaines matières excédentaires et amener les pièces à leur taille et forme finales. Cependant, leur usinage est toujours un défi en raison de leur inhérente hétérogénéité et anisotropie, à la source de plusieurs types de dommages, tels que le délaminage, le déchaussement et la fragmentation des fibres. Afin d'améliorer la qualité des pièces produites, une meilleure compréhension de la coupe pendant le processus d’’usinage est nécessaire. Le fraisage de surface est parmi les procédés de parachèvement des composites les moins étudiés pour la finition des pièces. Ainsi, le but de cette étude est de combiner des méthodes numériques et expérimentales afin de réduire les problèmes causés par l’usinage de surfaces de matériaux CFRP et d'acquérir une meilleure compréhension du processus de coupe associé à ce procédé. Tout d'abord, l’effet des conditions de coupe, telles que la vitesse de coupe, la vitesse d'avance, de même que l'angle d’inclinaison de l’outil, sur les forces et la qualité des surfaces usinées a été étudié. Les résultats expérimentaux ont montré que la meilleure qualité de surface a été produite en utilisant une vitesse d’avance faible, une vitesse de coupe modérée, et un angle d’inclinaison nul de l’axe de l’outil relativement à la surface usinée. Dans la deuxième partie, l’effet des conditions de coupe et de l'orientation des fibres sur la température et les forces engendrées ont été étudiées. Il a été observé que la température de coupe augmentait de manière linéaire avec la vitesse de coupe. Les forces de coupe et températures, maximales et minimales, ont été atteintes pour les orientations des fibres de 90 et de 0 degrés, respectivement. Finalement, un modèle par éléments finis est proposé afin de prédire les forces de coupe, les mécanismes de formation des copeaux et les dommages d'usinage induits dans un matériau CFRP unidirectionnel. Les résultats de la modélisation ont été validés par des données expérimentales, comprenant entre autres les forces de coupe et des images prises au microscope électronique à balayage (SEM). La comparaison du modèle avec les résultats expérimentaux indique que le modèle proposé est capable de raisonnablement prédire les forces de coupe et les dommages issus de l’usinage. Le modèle développé montre que les dommages d'usinage, la formation des copeaux, et le profil des forces de coupe dépendent fortement de l'orientation des fibres dans le processus de fraisage de surfaces de CFRP.

Date	21 déc. 2015
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Jean-François Chatelain (Directeur(-trice)) & Gilbert Lebrun (Codirecteur(-trice))