L’utilisation du polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) dans les industries ne cesse de croître en raison de ses propriétés exceptionnelles telles que sa haute résistance, son faible poids et sa résistance à la corrosion. Bien que les pièces en CFRP puissent être moulées à une géométrie proche de la forme nette, des processus d’usinage (fraisage, perçage) sont souvent nécessaires pour obtenir la forme finale. Cependant, le CFRP ne se comporte pas comme le plastique pur ou les métaux pendant l’usinage. La formation de copeaux pour le CFRP est en grande partie constituée de factures fragiles causées par le cisaillement des fibres et de la matrice. De plus, le CFRP produit des copeaux poudreux ou de la poussière pendant l’usinage à sec, qui sont actuellement considérés comme polluantes et un danger pour la santé des travailleurs. De plus, son inhomogénéité et la nature abrasive des fibres apportent des défis supplémentaires lors de l’usinage : délamination, température de coupe, émission de poussières et durée de vie limitée des outils.
En conséquence, ce travail vise à étudier le fraisage des CFRP et les facteurs clés qui affectent son usinabilité. L’application d’un fluide de coupe conventionnel est une solution courante pour augmenter la durée de vie de l’outil, réduire les forces de coupe ou diminuer l’émission et la dispersion des poussières. Cependant, cette solution ne peut pas être appliquée à l’usinage du CFRP, car l’humidité peut endommager l’intégrité structurelle de la pièce en composite.
Dans cette thèse basée sur des manuscrits, une étude expérimentale est d’abord menée pour examiner la faisabilité et l’efficacité de l’application d’un fluide de coupe atomisé dans le fraisage du CFRP (article 1, chapitre 3). Le fluide de coupe est décomposé en gouttelettes de taille micrométrique qui sont pulvérisées directement dans la zone de coupe pour lubrifier l’interface entre le copeau et l’outil, et aussi pour dissiper la chaleur générée par évaporation rapide. En raison du taux d’évaporation nettement plus élevé du fluide de coupe atomisé, le liquide de refroidissement appliqué n’est pas absorbé par le matériau de la pièce à usiner. Dans l’étude, les opérations de fraisage de CFRP sont menées dans une gamme de vitesse de coupe élevée, jusqu’à 40,000 rpm, et des vitesses d’avance jusqu’à 6 um par dent sous différentes conditions de coupe : en coupe à sec et en semi-lubrifiés sous deux types de fluides de coupe, un liquide de refroidissement semi-synthétique d’usage général et un liquide de refroidissement à base d’huile végétale. Les résultats montrent que l’utilisation d’huile végétale atomisée permet de réduire de manière significative la force de coupe, l’usure de l’outil et la délamination des fibres par rapport au fraisage à sec.
La performance d’usinage des CFRP pourrait également être influencée par l’orientation des fibres et ses interactions avec les paramètres et les conditions d’usinage. Dans l’article 2 (chapitre 4), les effets de l’orientation des fibres (0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦) sur la formation de copeaux, la délamination, l’usure de l’outil et les forces de coupe lors du fraisage à sec et avec un fluide à base d’huile végétale sont étudiés. Il a été constaté que la direction de coupe, en relation avec l’orientation des fibres, influence fortement la formation de copeaux, la force de coupe, la rupture des fibres, l’usure de l’outil, la qualité de la surface usinée de la pièce et la délamination, selon les paramètres et conditions d’usinage utilisés. Le pourcentage de délamination lors de la coupe à des angles d’orientation outil-fibre de 0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦ a été amélioré de 65%, 91%, 54%, 66% et 75%, respectivement, dans des conditions ACF (huile végétale) à 3 um. L’ampleur de la force de coupe résultante s’est avérée être plus importante dans la condition sèche par rapport à la condition ACF de plus de 23% selon les angles d’orientation des fibres et la vitesse d’avance utilisés.
Certains fabricants pourraient hésiter à utiliser un fluide quelconque pour l’usinage du CFRP, car l’humidité pourrait endommager l’intégrité structurelle du composite. L’usinage à sec pourrait apporter des défis supplémentaires en matière de performance des outils, de qualité des pièces et de sécurité au travail. Dans l’article 3, chapitre 5, le fraisage à sec du CFRP est étudié en mettant l’accent sur les forces de coupe, les énergies spécifiques de coupe, la température de coupe, l’usure de l’outil et l’émission de poussières fines. La température de coupe a été examinée à l’aide de modèles analytiques et empiriques, et des expériences de coupe (plan factoriel complet) ont été menées pour évaluer la fiabilité des prédictions théoriques. Enfin, les résultats de l’optimisation expérimentale sont présentés, et le modèle est validé. Il a été constaté, entre autres conclusions, que lors du fraisage du CFRP testé, des particules fines (diamètres allant de 0,5 à 10 um) sont émises et que leur concentration peut atteindre 2776 particules par centimètre cube. L’ensemble des résultats obtenus aident à mieux comprendre les phénomènes spécifiques associés au fraisage des CFRP et fournissent les moyens de sélectionner des paramètres de fraisage efficaces pour améliorer la technologie et l’économie du processus.
| Date | 30 déc. 2021 |
|---|
| langue originale | Anglais américain |
|---|
| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
|
|---|
| Superviseur | Victor Songmene (Directeur(-trice)) |
|---|