Experimental and numerical approaches of machining of dry carbon/epoxy composites
Approches experimentale et numerique de l'usinage a sec des composites carbone/epoxy
Résumé
The research topic is a preliminary study for maximizing the dry machining of carbon/epoxy. The proposed study deals with understanding the mechanisms of damage tools. It aims to determine the parameters of the tribological interface tool-workpiece (forces, temperature, friction, roughness) and confront them with the tools wear. Cutting operations generate heat and strains, and cut surfaces are often affected by damages. A study based on experimental observation of the formation of the chip (high speed video camera, force measurement, heat flow calculation, friction coefficient) and numerical simulation by the discrete element method is then established. The surface analysis carried out using complementary techniques (SEM, optical profilometry) has identified the different types of damage. A study of drilling composites allowed to view the damages created by a drill and to propose a best suited tool. The delamination of the last composite plies, caused by penetration of the drill is considered the major defect. A mathematical model can anticipate the penetration load of the drill. This model has been experimentally validated. A relation between the penetration load and cutting conditions and wear of drill has been proposed. The results of this study are interesting for the aeronautical industry. The approach based on the determination of loads through simulations using the discrete elements allowed correlating the formation mechanisms of the chip and removing material. The accuracy of numerical simulations depends on the ability to predict cutting loads and morphology of the chip in agreement with the experiment. Numerical simulations have led to obtaining a good correlation between predictions and experimental results.
Le sujet de recherche proposé se présente comme une étude préliminaire à l'optimisation de l'usinage à sec des composites carbone/époxy. L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils. Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-pièce (efforts, température, frottement, rugosité) et de les confronter à l'usure des outils. Les opérations de coupe par enlèvement de matière génèrent des efforts et des gradients de température importants, d'où risques d'endommagements au niveau des surfaces usinées. Un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique, coefficient de frottement) et la simulation numérique par la méthode des éléments discrets sont ensuite misent en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, profilométrie optique) a permis d'identifier les différents types d'endommagement de l'outil et du composite. Une étude spécifique du perçage des composites a permis de visualiser les dommages créés par un foret et, après analyse, de proposer un outil mieux adapté. Le délaminage des derniers plis du composite, provoqué par la pénétration du foret est considéré comme le défaut majeur. Un modèle mathématique a permis de prévoir l'effort de pénétration du foret. Ce modèle a été validé par une procédure expérimentale. Une relation liant l'effort de pénétration aux conditions de coupe et à l'usure du foret a été proposée. La synthèse de l'étude fait apparaître l'intérêt industriel du travail. L'approche basée sur la détermination des efforts de coupe à l'aide de simulations numériques par la méthode des éléments discrets a permis de corréler les mécanismes de formation du copeau et d'enlèvement de matière. La justesse des simulations numériques est conditionnée par la capacité de la modélisation à prédire des efforts de coupe et une morphologie du copeau en accord avec l'expérimentation. Les simulations numériques ont conduit à l'obtention d'une bonne corrélation entre les prédictions et les résultats expérimentaux.