Etude de la coupe en perçage par le biais d'essais élémentaires en coupe orthogonale : application aux composites carbone-époxy

Study of cutting mechanisms during drilling through elementary tests in orthogonal cutting : application to carbon-epoxy laminates

• Auteur / Autrice : Florent Blanchet
• Direction : Yann Landon, Robert Piquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 29/09/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Époxydes

Carbone

Métaux -- Coupe

Composites

Mots clés libres

CFRP

CFRP

Perçage

Coupe Orthogonale

Méthode des éléments finis

Drilling

Orthogonal cutting

Finite element method

Résumé

L'assemblage de pièces de structures composites, notamment en carbone/époxy, est souvent réalisé par liaison boulonnée. Ceci nécessite le perçage des logements de fixations. Cette opération de perçage doit répondre à des contraintes de fiabilité, de productivité et de qualité d'usinage. L'opération de perçage doit donc être maitrisée, ce qui passe par une meilleure compréhension des phénomènes présents en perçage. Mais l'étude de ces phénomènes se heurte à des obstacles tels que l'aspect confiné de l'opération, la géométrie complexe et variable du foret, la variation de vitesse le long de l'arête principale de coupe... Afin de s'affranchir de ces obstacles, des essais élémentaires représentatifs de la coupe en perçage peuvent être proposés. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette optique. Ce travail s'articule autour de trois axes. Le premier concerne une étude de la représentativité des différents essais élémentaires vis-à-vis du perçage. Un outil d'identification de géométrie d'outil est proposé ; il permet d'identifier l'évolution de la géométrie locale des outils coupants et ainsi de proposer des essais élémentaires qui soient géométriquement et cinématiquement représentatifs de la coupe en perçage. Le second axe développé propose une étude des phénomènes présents en coupe orthogonale quasi-statique. Cela permet de s'affranchir des effets liés à la vitesse. Dans ce cadre, des essais de corrélation d'images en coupe orthogonale sont proposés. Ils permettent l'analyse des champs de déplacements et de déformations. Une analyse des efforts générés, de la morphologie des copeaux et des états de surfaces obtenus en fonction de l'angle de coupe et de l'angle ?2 entre la vitesse de coupe et la direction des fibres est également réalisée. Deux types de modèles numériques, macro- mécanique et micro-mécanique, sont proposés. Ils sont confrontés aux résultats expérimentaux. Le dernier axe de travail présente l'analyse des phénomènes liés à la vitesse de coupe en coupe orthogonale. Le modèle macro-mécanique est modifié afin d'intégrer des phénomènes tels que la variation des contraintes à rupture de la matrice en fonction de la vitesse de déformation, ou encore l'évolution du frottement en fonction de la vitesse de glissement. Les résultats du modèle sont confrontés aux résultats expérimentaux.

In aeronautical sector, assembly of CFRP composite structures requires the drilling of the fastener holes. Requirements of reliability, productivity and machining quality are imposed on the drilling process. The operation must be mastered, which requires a better understanding of the phenomena occurring during drilling. But the study of these phenomena faces several major challenges such as the confined aspect of the operation, the complex and variable geometry of the cutting tool, the speed variation along the main cutting edge... To overcome these obstacles, elementary testing representative of the drilling cutting phenomena could be implemented. This is the purpose of this work, which is based on three axes. The first is a study of the geometrical and kinematic representativeness of the elementary tests regarding the drilling operation. A tool geometry identification program is developed. It identifies the evolution of the local geometry of cutting tools along the main cutting edges and allows defining the elementary tests that are geometrically and kinematically representative of the drilling cutting. The second axis developed proposes a study of the phenomena occuring in quasi-static orthogonal cutting. Thus, the effects relative to the cutting speed are not considered. In this context, digital image correlation tests during orthogonal cutting are conducted. They lead to the analysis of the displacements and strains fields. Generated forces, chip morphology and machined surface texture are also investigated, in relation to the rake angle and the angle ?2 between the cutting speed and the direction of fibres. For this configuration, two types of numerical models, a macro-mechanical and a micro-mechanical one, are developed. A comparison is made in relation to experimental results. The last axis of this work concern the analysis of phenomena related to the cutting speed during orthogonal cutting. The macro-mechanical model is modified to include such phenomena as the variation of the matrix breaking stress as a function of strain rate, or the evolution of the friction coefficient according to the sliding velocity. The model results are compared to experimental results.