Numerical and experimental study of machining titanium-composite stacks
ÉTUDE NUMERIQUE ET EXPERIMENTALE DE L’USINAGE DES MATERIAUX HYBRIDES TITANE-COMPOSITES
Résumé
In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced
an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible
structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks
in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multimaterial
fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multimaterial
machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via
both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the
cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bimaterial
structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting
mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic
experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus
different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of
different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage
formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i)
reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage
formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti
stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv)
analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.
Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre
une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi
que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications,
l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et
technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le
temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage
multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe
CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques
et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour
étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage.
L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés
qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous
différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une
attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti
sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et
numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe
à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des
différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la
classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques
géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti.
Fichier principal
Mémoire de thèse (Version Finale)_Jinyang XU.pdf (24.79 Mo)
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