Influence de la temperature de coupe sur les propriétés mécaniques en traction uni-axiale d'un composite carbone/époxy et étude de l'usinabilité d'un composite lin/époxy

Delahaigue, Jérémy (2015). Influence de la temperature de coupe sur les propriétés mécaniques en traction uni-axiale d'un composite carbone/époxy et étude de l'usinabilité d'un composite lin/époxy. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les matériaux composites à matrice plastique renforcée de fibres de carbone présentent un grand intérêt pour l’industrie aéronautique comme remplacement des pièces structurelles métalliques pour la réduction du poids des structures. Malgré l’amélioration continue des méthodes de mise en forme des pièces stratifiées, une opération de détourage est toujours nécessaire pour atteindre les dimensions fonctionnelles requises par le cahier des charges. Cependant, les fibres de carbone sont très abrasives ce qui engendre une usure d’outil rapide et une température de coupe élevée qui endommage la matrice époxy. La première partie de cette étude a pour objectif de mettre en évidence l’influence de la température de coupe engendrée par l’usure d’outil sur le fini de surface et sur les propriétés mécaniques en traction uni-axiale. Pour mettre en évidence les défauts de bord et qualifier l’usinage, des éprouvettes de 6 mm et de 12 mm de large sont réalisées, sur un stratifié Carbone/Époxy, par une opération de détourage afin d’amplifier l’effet des défauts sur les propriétés mesurées. Un outil neuf et un outil usé sont utilisés pour générer des températures de coupe différentes. Une température de coupe de 300°C est atteinte pour l’outil neuf et de 450°C pour l’outil usé. Les résultats montrent que les éprouvettes usinées avec l’outil neuf ne présentent aucun dommage thermique et la coupe est propre. Celles usinées avec l’outil usé présentent une surface dégradée et lisse et une matrice carbonisée étalée sur la surface usinée. Les essais de traction ne montrent aucune variation des propriétés mécaniques pour les éprouvettes de 12 mm quelle que soit la condition d’usinage. On observe une perte de 10% des performances mécaniques pour les éprouvettes de 6 mm. Ces résultats suggèrent que les défauts thermiques et mécaniques occasionnés par l’usure d’outil affectent les propriétés en traction uni-axiale, mais seulement à partir d’une certaine largeur d’éprouvette pour laquelle le défaut d’usinage devient influent sur les propriétés.

La deuxième partie de l’étude porte sur les composites à fibres de lin. En effet, ces fibres présentent un grand intérêt économique et environnemental car ce sont des produits naturels biodégradables entièrement recyclables contrairement aux fibres synthétiques. Elles sont aussi beaucoup moins chères que les fibres synthétiques comme le verre ou le carbone. De plus, elles sont peu abrasives ce qui offre une plus grande durée vie de l’outillage et leurs propriétés spécifiques (Résistance vs Poids) sont comparables aux fibres de verre. Elles offrent donc un intérêt économique et environnemental certain pour les entreprises. Malheureusement, la connaissance de l’usinage d’un tel matériau est faible et les recherches en ce sens débutent à peine. L’objectif de cette étude est de qualifier l’usinabilité d’un composite (NFRP) lin/époxy et d’observer l’influence des paramètres de coupe et de l’orientation des fibres sur les efforts de coupe et le fini de surface. Des essais de détourage sont effectués sur des plaques de composites unidirectionnels avec deux outils différents. Les résultats montrent que le fini de surface et les efforts de coupe sont fonction de la vitesse d’avance. La vitesse de coupe n’a aucune influence sur ces derniers. L’outil #2 (outil PCD) fournit les meilleurs résultats avec une coupe propre et nette, un fini de surface de meilleure qualité et des efforts de coupe de 3 à 5 fois inférieurs à ceux obtenus avec l’outil #1 (outil CVD). C’est un matériau facilement usinable avec des efforts de coupe faibles et très peu abrasif car aucune usure d’outil n’est observée. Dans un objectif de minimisation des efforts de coupe, de minimisation de la rugosité et de maximisation de la productivité, une avance intermédiaire (0,3 mm/tr pour l’outil #1 et 0,1 mm/tr pour l’outil #2) et une haute vitesse de coupe (800 m/min) sont des paramètres optimaux.

Titre traduit

Influence of cutting temperature on the mechanical properties in uniaxial tension of a carbon epoxy composite and study of the machinability of a flax epoxy composite

Résumé traduit

CFRP composites have seen a significant increase in their use over the last years thanks to their high specific properties. Despite the continuous improvement of molding methods to produce laminated parts, trimming operation is still necessary to achieve the functional dimensions required by the specifications. However, carbon fibers are very abrasive. This causes rapid tool wear and high cutting temperatures which damage the epoxy matrix. The first part of this study aims to highlight the influence of cutting temperature generated by the tool wear on the surface finish and tensile properties. To highlight the edge defects and describe the machining, 6 mm and 12 mm wide test specimens are formed, on a carbon/epoxy laminate, by a trimming operation in order to amplify the effect of defects on the measured properties. A new tool and a worn tool are used to generate different cutting temperatures. The measures show a cutting temperature of 300 °C reached for the new tool and 475 °C for the worn tool. The analysis of surface reveals that the specimens machined with the new tool have no thermal damage and the cut is clean. Specimens machined with the worn tool show a degraded surface and a carbonized matrix. We can’t see the plies after cutting, which is due to a degraded resin spread on the machined surface creating a surface with a lower roughness, giving the artificial impress of good cutting conditions. The tensile tests show no variation of the mechanical properties for 12 mm wide specimens regardless of the machining condition. A 10% loss in mechanical performance for 6 mm wide specimens is observed. These results suggest that the thermal defects caused by the tool wear affects the tensile properties, but only from a certain low width of the specimen from which the influence of machining defect start to affect the tensile properties (the defect size representing a larger proportion of the specimen cross-section for lower width specimens).

The second part of this study focuses on flax fibers composites. These fibers have a great economic and environmental interest because they are natural products, biodegradable, and entirely recyclable unlike synthetic fibers. They also are less expensive than synthetic fibers such as glass or carbon fibers. Moreover, they are slightly abrasive which provides a greater tool lifetime and their specific properties (strength-to-weight ratio) are comparable to glass fibers. So, they provide economic and environmental benefits for companies. Unfortunately, the machining knowledge of this kind of material is low and researches in this way have barely started. The objective of this study is to describe the machinability of a flax/epoxy composite (NFRP) and observe the influence of cutting parameters and fiber orientation on the cutting forces and the surface finish. Milling tests are made on unidirectional composites laminates with two different tools. The results show that the surface finish and cutting forces depend on the feed rate and are independent of the cutting speed. Tool #2 (PCD tool) shows the best results compared to the tool #1 (CVD tool), a better surface finish, a lower delamination factor and lower cutting forces. This material is easily machinable and low abrasive because no tool wear can be seen after cutting. In a cutting forces minimization objective, roughness minization objective and productivity maximization objective, and intermediate feed rate and highest cutting speed seem to be the best parameters.

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 177-183.
Mots-clés libres:	Composites à fibres de carbone Propriétés mécaniques. Résines époxydes. Stratifiés. Coupe. Composites à fibres de carbone Effets de la température sur. Résistance à la traction. Composites à fibres de carbone Usinage. Rugosité. Composites à fibres Usinabilité. Lin. détourage, CFRP, température de coupe, traction uni-axiale, NFRP, fibres de lin, efforts de coupe
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Lebrun, Gilbert
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	03 nov. 2017 18:06
Dernière modification:	05 janv. 2018 16:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1471

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