Experimental investigation and modeling of surface machining of high performance CFRP for the aerospace industry

Ghafarizadeh, Seyedbehzad (2015). Experimental investigation and modeling of surface machining of high performance CFRP for the aerospace industry. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) have been widely used in many aircraft structures due to their light weight, high specific strength, good resistance to fatigue/corrosion and flexibility in design. Although CFRP components are produced to near-net shape, machining is often needed to remove excess materials and bring the parts to the final size and shape. However, their machining still is a big challenge due to their inherent anisotropy and inhomogeneity, which are the source of several types of damage, such as delamination, fibers pullout, and fiber-fragmentation. In order to improve machining quality and decrease the damages, a better understanding of their machining is required. Surface milling is one of the most practical processes for finishing operations but very few studies have been dedicated to its use for composite components. Thus, the purpose of this study is to use numerical and experimental methods to minimize the machining problems of CFRP materials and to gain a better understanding of CFRP surface milling process.

First, the effects of different cutting conditions such as cutting speed, feed rate, and lead angle on cutting forces and surface quality were studied and the optimum cutting condition was determined. The experimental results showed that the best surface quality was achieved by using lower cutting feed rate, moderate cutting speeds, and zero degree tool lead angle. In the second part, the effects of cutting conditions and fiber orientation on cutting temperature were investigated. It was found that the cutting temperature increases linearly with the cutting speed. The maximum and minimum cutting forces and temperatures were achieved for fiber orientations of 90 and 0 degrees, respectively.

Then, a finite element model was developed to predict cutting forces, chip formation mechanism and machining damages obtained during milling of unidirectional CFRP. The modeling results were validated by experimental data, including cutting forces and SEM images. A comparison of modeling and experimental results indicated that the proposed model is able to successfully predict the cutting forces and machining damages. The developed model showed that the machining damages, the chip formation, and the cutting force profile strongly depend on fiber orientation in CFRP milling process.

Titre traduit

Étude expérimentale et modélisation de l'usinage de surface de CFRP haute performance pour l'industrie aéronautique

Résumé traduit

Les matériaux composites à fibres de carbone (CFRP) sont largement utilisés dans les structures d'avions en raison de leur faible poids, leur résistance spécifique élevée, leur bonne résistance en fatigue et corrosion ainsi que pour leur flexibilité pour la conception de pièces. Bien que les composantes CFRP soient généralement produites à la forme quasi-finale, l'usinage est souvent nécessaire et pourrait s’avérer plus économique pour éliminer certaines matières excédentaires et amener les pièces à leur taille et forme finales. Cependant, leur usinage est toujours un défi en raison de leur inhérente hétérogénéité et anisotropie, à la source de plusieurs types de dommages, tels que le délaminage, le déchaussement et la fragmentation des fibres. Afin d'améliorer la qualité des pièces produites, une meilleure compréhension de la coupe pendant le processus d’’usinage est nécessaire. Le fraisage de surface est parmi les procédés de parachèvement des composites les moins étudiés pour la finition des pièces. Ainsi, le but de cette étude est de combiner des méthodes numériques et expérimentales afin de réduire les problèmes causés par l’usinage de surfaces de matériaux CFRP et d'acquérir une meilleure compréhension du processus de coupe associé à ce procédé.

Tout d'abord, l’effet des conditions de coupe, telles que la vitesse de coupe, la vitesse d'avance, de même que l'angle d’inclinaison de l’outil, sur les forces et la qualité des surfaces usinées a été étudié. Les résultats expérimentaux ont montré que la meilleure qualité de surface a été produite en utilisant une vitesse d’avance faible, une vitesse de coupe modérée, et un angle d’inclinaison nul de l’axe de l’outil relativement à la surface usinée. Dans la deuxième partie, l’effet des conditions de coupe et de l'orientation des fibres sur la température et les forces engendrées ont été étudiées. Il a été observé que la température de coupe augmentait de manière linéaire avec la vitesse de coupe. Les forces de coupe et températures, maximales et minimales, ont été atteintes pour les orientations des fibres de 90 et de 0 degrés, respectivement.

Finalement, un modèle par éléments finis est proposé afin de prédire les forces de coupe, les mécanismes de formation des copeaux et les dommages d'usinage induits dans un matériau CFRP unidirectionnel. Les résultats de la modélisation ont été validés par des données expérimentales, comprenant entre autres les forces de coupe et des images prises au microscope électronique à balayage (SEM). La comparaison du modèle avec les résultats expérimentaux indique que le modèle proposé est capable de raisonnablement prédire les forces de coupe et les dommages issus de l’usinage. Le modèle développé montre que les dommages d'usinage, la formation des copeaux, et le profil des forces de coupe dépendent fortement de l'orientation des fibres dans le processus de fraisage de surfaces de CFRP.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 101-109.
Mots-clés libres:	Matières plastiques renforcées avec des fibres de carbone Usinage. Fraisage. Traitement de surface. Coupe. Rugosité. Stratifiés. Matières plastiques renforcées avec des fibres de carbone Usinage Modèles mathématiques. Méthode des éléments finis. Aéronautique Appareils et matériel Industrie. angle, force, température, usinage de surface, composites à fibres de carbone, CFRP, rugosité de surface, modélisation par éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Lebrun, Gilbert
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 janv. 2018 20:00
Dernière modification:	19 avr. 2018 20:16
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1593

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