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Usinage en détourage de laminés composites carbone/époxy

Bérubé, Sébastien (2012). Usinage en détourage de laminés composites carbone/époxy. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’usinage des matériaux composites dédiés aux pièces structurales devient de plus en plus courant. Le but de ce travail est de définir la performance d’outils existants afin d’effectuer une sélection d’outils et de définir les plages opérationnelles des outils. Le travail consiste à évaluer les efforts de coupe, la qualité de surface générée et de poser une méthode systémique d’évaluation de la performance. Ce travail comporte une expérimentation visant à cerner les paramètres géométriques influents dans la performance de la coupe dans l’objectif de concevoir des outils de coupe plus performants. La méthodologie de recherche utilisée consiste à l’élaboration de plans d’expériences classiques à multiples facteurs. Les facteurs traités sont les paramètres de coupe, les épaisseurs de laminés composites carbone/époxy quasi isotropes et les différents types de matériaux d’outils de coupe. L’acquisition des données se fait à l’aide d’une table dynamométrique de l’ÉTS, d’un rugosimètre d’états de surface ainsi que de l’utilisation de plusieurs microscopes.

Il est montré que les efforts de coupe dans la direction de l’avance sont proportionnels à la vitesse d’avance, les efforts de coupe dans la direction axiale et normale à la surface usinée sont proportionnels à la vitesse de coupe et à la vitesse d’avance. Selon les quatre outils analysés, l’outil C4 possédant des plaquettes en PCD est l’outil le plus performant selon la méthode de pondération des facteurs de l’équation de l’indice de performance. Dans le cadre de ce travail, une analyse exhaustive de la rugosité a été faite et les principaux résultats obtenus montrent que la rugosité est dépendante des paramètres de coupe et de l’orientation des fibres. Les fibres orientées à 0 degré présentent le meilleur état de surface que ceux aux fibres à -45 degrés possèdent le pire état de surface pour les mêmes paramètres de coupe et pour un même outil. Un angle d’attaque de l’arrête tranchante devrait être de 8 à 10 degrés positifs et posséder un revêtement apte à supporter l’abrasivité des fibres de carbone.

Plusieurs recommandations sont faites dans le cadre de ce travail afin de cerner la coupe par détourage de laminés composites carbone époxy. L’auteur recommande d’effectuer des tests d’usure avec les outils de coupe testés, d’effectuer des tests de résistance des matériaux et de fatigue des matériaux en fonction de l’usure de l’outil, d’effectuer l’analyse de fabrication et la fabrication du prototype d’outil proposé et d’effectuer des tests de coupe et des tests d’usure de l’outil prototype afin de comparer l’outil conçu par l’auteur et les autres outils testés dans le cadre de ce travail.

Titre traduit

Machining of composite laminates carbon/epoxy by trimming

Résumé traduit

The post manufacturing by machining of composites parts is becoming much more usual. The aim of this study is to define the performance of existing cutting tools for composites, in order to suggest the best choices and the optimal cutting conditions for the trimming process of carbon fibres reinforced plastics (CFRP). The evaluation is based on the cutting forces and the surface quality produced through the trimming process. A systemic approach, using weighting factors, is proposed to help the end user for the performance evaluation of the cutters based on its production environment. This work also describes a design of experiments to determine the geometrical parameters which influence the performance of the cut with the objective to design more efficient cutting tools.

For both aspects, the research method used includes the development of a classic design of experiments with multiple factors. The factors discussed are the cutting parameters, the thickness of quasi-isotropic laminated carbon / epoxy material and the different types of cutting tool materials. The data acquisition is done using a dynamometric table for the force evaluation, a profilometer for the surface roughness evaluation as well as optical microscopes for the surface integrity estimation. It is found that the cutting forces in the direction of feed is proportional to the feed rate, while cutting forces in the axial direction and normal to the machined surface are proportional to the cutting speed and feed rate. Of the four tool types analyzed, the tool C4 with inserts of PCD is the best performing tool evaluated by the method of weighting factors in the equation of the performance index. As part of this work, a comprehensive analysis of the roughness was made and the main results obtained show that the roughness is dependent on cutting parameters and fiber orientation. Composites with fibers oriented at 0 degree have the best surface roughness and those fiber with a -45 degrees orientation have the worst surface roughness for the same cutting parameters and the same tool. The cutting tools should have positive rake angle for their cutting edges with a value ranging between 8 to 10 degrees and have a coating able to withstand the abrasiveness of carbon fibers.

Two recommendations are made in the context of this work for the continuity of this research. The first recommendation is to evaluate the tool wearing due to the trimming process with the best cutting tools proposed in order to determine the cost per length of machining for each of these. This performance index has to be evaluated since it is directly related to the final choice of a best cutting tool. The second recommendation is to manufacture new cutting tools based on the optimal geometric parameters proposed in this study and evaluate their performance as compared to the other tools tested in this work.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 184-186.
Mots-clés libres: Outils de coupe pour métaux. Évaluation. Composites Usinage. Composites à fibres de carbone. Résines époxydes. Coupe. Rugosité. Matériaux composites, Détourage, Efforts de coupe, Indice de performance
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Songmene, Victor
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Chatelain, Jean-François
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 mars 2015 17:53
Dernière modification: 15 mai 2015 20:19
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1020

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