Experimental study of the trimming of carbon-epoxy composite : machinability and material integrity

par Ngoc Nguyen-Dinh

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Redouane Zitoune et de Christophe Bouvet.

  • Titre traduit

    Etude experimentale du déroutage d'un composite carbone-epoxy : usinabilité et intégrité matériau


  • Résumé

    Le détourage est la première opération d’usinage après la fabrication et le démoulage des structures composites. Cette opération, qui est généralement effectuée avec un procédé conventionnel d’enlèvement de matière à l’aide d’un outil de coupe, conduit à l'apparition de plusieurs types d’endommagements qui sont suivi par la génération de particules nocives lors d’un usinage sans lubrification. Ces particules, générées lors de l'usinage à sec de composites constituent une menace sanitaire, car elles peuvent rester en suspension dans l'air et s'infiltrer dans le corps de l'opérateur, représentant un risque de danger respiratoire. Malheureusement, la compréhension des phénomènes d’émission de particules lors de l'usinage du composite est actuellement insuffisante. De plus, l’apparition de dommages localisés sur la surface usinée (due à l’interaction entre l’outil et le composite) peut réduire la tenue de la structure en service du fait de la formation de zones de concentration de contraintes. En conséquence, il est nécessaire de mieux comprendre les causes sous-jacentes de la création de dommages, ainsi que la relation entre les dommages induits par l'usinage et le comportement mécanique. Il est important de noter que d’un point de vue industriel le critère de rugosité de surface est largement utilisé pour quantifier la qualité d’usinage de la surface composite ainsi engendrée ; cependant la relation entre ces deux critères reste complexe. Ainsi, afin de répondre à cette problématique, ce travail de thèse s’est concentré sur trois objectifs principaux. Tout d'abord, des études ont été menées sur l'usinabilité d'échantillons de stratifiés composites multidirectionnels à base de résine époxy et de fibres de carbone lors du détourage à l'aide d'outils de coupe en PCD (diamant polycristallin). Plus précisément, l’influence des paramètres de coupe (vitesse d’avance et vitesse de coupe) et de la distance de coupe (usure de l’outil) ont été étudiés afin de voir leur influence sur les efforts de coupe et sur la température d’usinage induite, puis une caractérisation multi-échelle des dommages induits par l’usinage a été menée. Cette caractérisation multi-échelles des dommages induits par l’usinage a consisté à l’observation post-mortem des échantillons usinés à l’aide de différentes techniques telles que la tomographie à rayons X, la microscopie confocale et le MEB. Grâce à cette caractérisation multi-échelles, la qualité d’usinage a été quantifiée à l’aide de nouveaux paramètres tels que le volume de cratères, Cv, basé sur la quantification des défauts de cratères et la profondeur des dommages, D, mesurés à l’aide d’observations tomographiques à rayons X. Le deuxième objectif de cette thèse était centré sur l'influence des paramètres de coupe (vitesse de coupe, vitesse d'avance et profondeur de coupe radiale), la distance de coupe et la géométrie de l'outil sur le nombre de particules nocives générées lors de la coupe. Les résultats de cette étude sur les émissions de poussières pourront être très utiles à la communauté industrielle pour choisir les bonnes conditions d’usinage afin de protéger les opérateurs susceptibles d’inhaler les particules présentes dans l’air dans la zone d’usinage. Les résultats obtenus ont clairement montré que pour réduire les émissions de particules nocives, il était nécessaire d’augmenter la profondeur de coupe radiale ou la vitesse d’avance. Néanmoins cette combinaison de conditions de coupe conduit en général à une mauvaise qualité d'usinage.


  • Résumé

    Trimming is the first operation of machining after the manufacturing and demolding of the composite structures. This operation which is usually conducted with conventional process of material removal (by cutting tool) induces various forms of damage which is accompanied by the generation of harmful particles in case of dry machining. In fact, particles generated during dry machining of composite pose a dangerous threat, as they can get suspended in the air and infiltrate inside body of operators giving rise to risk of respiratory hazard. Unfortunately, the understanding of particulate emission during machining of composite is presently incomplete. In addition, the appearance of damages located on the machined surface (due the interaction tool/plies) can reduce the structural performance in service due to the formation of stress concentration zones. As a result, it is necessary to understand the underlying causes for generation of damage, and also the relationship between machining induced damage and mechanical behavior. It is important to notice that, industrially, surface roughness criterion is widely used to quantify the machined quality of the newly generated composite surface. However, so far this has been ambiguous approach. Hence, to address the problems mentioned, this thesis focuses on three main objectives. Firstly, studies on the machinability of multi-directional specimens made of carbon fiber reinforced plastics laminates (CFRPs) during trimming with PCD (Polycrystalline Diamond) cutting tools. Specifically, the influence of cutting parameters (feed speed and cutting speed), cutting distance (tool wear) on the cutting forces, machining temperature induced as well as the multi-scale characterization of the machining induced damages have been investigated. For the multi-scale characterization of the induced machining postmortem observations of the machined specimens, using different techniques such as X-ray tomography, confocal microscopy and SEM, are used. Thanks to this multi-scale characterization, the machining quality was quantified using newly proposed parameters such as crater volume ‘CV’ based on the quantification of the crater defects and maximum depth of damage (D) based on the X-ray tomography. The second objective of this thesis was focused on influence of cutting parameters (cutting speed, feed speed, and radial depth of cut), cutting distance, and tool geometry on the number of harmful particles generated during trimming. The outcome of this study on the dust emission can be beneficial for the industrial community to select the safe machining condition for protecting the operators who potentially inhale the particles in the air in the machining area. The obtained results clearly highlighted that to reduce the emission of the harmful particles it is necessary to increase the radial depth of cut or the feed rate. However, this combination of cutting conditions, leads to poor machining quality. This inspired to propose a new design of cutting tool geometry in collaboration with ASAHI Company.



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