Effect to tool wear on quality of carbon fiber reinforced polymer laminate during edge trimming

Hamedanianpour, Hossein (2013). Effect to tool wear on quality of carbon fiber reinforced polymer laminate during edge trimming. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Polymer matrix composites, especially carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) are vastly used in different high technology industries, including aerospace, automotive and Wind energy. Normally, when CFRPs are cured to near net shape, finishing operations such as trimming, milling or drilling are used to remove excess materials. The quality of these finishing operations is highly essential at the level of final assembly. The present study aims to study the effect of cutting tool wear on the resulting quality for the trimming process of high performance CFRP laminates, in the aerospace field. In terms of quality parameters, the study focuses on surface roughness and material integrity damages (uncut fibers, fiber pullout, delamination or thermal damage of the matrix), which could jeopardize the mechanical performance of the components. In this study, a 3/8 inch diameter CVD diamond coated carbide tool with six flutes was used to trim 24-ply carbon fiber laminates. Cutting speeds ranging from 200 m/min to 400 m/min and feed rates ranging from 0.3048 mm/rev to 0.4064 mm/rev were used in the experiments. The results obtained using a scanning electron microscope (SEM) showed increasing defect rates with an increase in tool wear. The worst surface integrity, including matrix cracking, fiber pull-out and empty holes, was also observed for plies oriented at -45° degrees. For the surface finish, it was observed that an increase in tool wear resulted in a decrease in surface roughness. Regarding tool wear, a lower rate was observed at lower feed rates and higher cutting speeds, while a higher tool wear rate was observed at intermediate values of our feed rate and cutting speed ranges.

Résumé traduit

Les matériaux Composites, en particulier les polymères renforcés de fibres de carbone sont largement utilisés dans l’industrie de haute technologie, notamment l'aérospatiale, l'automobile et l'énergie éolienne. En général, lorsque ces matériaux sont fabriquées aux formes et dimensions près des cotes « near net shape », des opérations de parachèvement telles le détourage, le fraisage et le perçage sont utilisées pour éliminer la matière en excès et pour assurer les requis pour l’assemblage final des composantes. La qualité de ces opérations de finition ainsi que leur coût sont donc critiques dans le processus manufacturier. La présente recherche étudie l'effet de l'usure des outils de coupe sur la qualité produite en détourage de stratifiés composites haute performance en fibres de carbone-époxy (CFRP) utilisés dans l’industrie aérospatiale. Les paramètres de qualité évalués dans cette recherche constituent la rugosité de surface ainsi que l'intégrité du matériau obtenue suite à la coupe (fibres non coupées, arrachement de fibres, délaminage et endommagent thermique de la matrice). Ces types de défaut sont reconnus comme altérant la performance mécanique des stratifiés. Dans cette étude, un outil en carbure revêtu de diamant (CVD) ayant un diamètre de 3/8 pouce et six flutes a été utilisé pour le détourage de stratifiés de 24 plis avec séquence d’empilement offrant des propriétés quasi-isotropes. Les vitesses de coupe considérées dans l’étude sont de 200, 300 et 400 m / min alors que les vitesses d'avance sont de 0.3048, 0.3556 et 0.4064 mm/tr. L’évaluation de la qualité des surfaces obtenues a été effectuée à l’aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) ainsi que d’un profilomètre tactile. Les résultats montrent que les défauts de surface augmentent avec l'usure des outils. Les moins bons états d’intégrité de matériel, où on retrouve fissures de la matrice, arrachement de fibres et cavités ont été observés pour les plis orientés à -45° degrés. Pour le fini de surface, il a été observé qu’une augmentation de l'usure des outils diminue la rugosité de surface. En ce qui concerne l'usure des outils, un taux plus bas a été observé à des valeurs plus faibles d'avance et des vitesses de coupe plus élevées, tandis qu'un taux plus élevé d'usure d'outil a été observé aux valeurs intermédiaires des plages d’avance et de vitesse de coupe testées.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree engineering". Bibliographie : pages 140-143.
Mots-clés libres:	Matières plastiques renforcées avec des fibres de carbone Usinage. Résines époxydes. Stratifiés. Fraisage. Outils de coupe pour métaux. Usure (Mécanique) Surfaces (Technologie) Analyse. Rugosité. Matériaux Détérioration. Industries aérospatiales Matériaux. composite, CFRP, Détourage, Usure des outils, Qualité de surface
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 déc. 2015 15:23
Dernière modification:	07 déc. 2016 02:28
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1574

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