Study of temperature in the edge milling of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP)/Ti6Al4V stack material for aerospace industry

Castillo, Arquimedes (2019). Study of temperature in the edge milling of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP)/Ti6Al4V stack material for aerospace industry. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the advances of new technologies and new materials, aerospace, military and commercial aircraft industries are looking to decrease the fuel consumption by reducing weight into their structures and components. Hybrid or stacks of materials are used more often in airframes because of their outstanding mechanical properties such as high strength/weight ratio and, excellent corrosion and fatigue resistance that cannot be provided with metallic materials.

Carbon Fiber-Reinforced Plastic (CFRP)/Titanium is the most used type of hybrid material for thermal-load applications in aviation, Ti6Al4V being the most popular of the titanium alloys. Usually, CFRP/Ti6Al4V plaque is assembled by rivets or bolts; however, there are some applications where both materials are bonded or cured together. Thus, the drilling process is not required as it usually happens, removing cost and weight from the airframe. The difference in machinability and the temperature invariability of each material makes achieving specified geometries and dimensional tolerances a real challenge. Therefore, this thesis studies the thermal effects on CFRP/Ti6Al4V in the process of edge milling. In particular, we study the tool-workpiece thermocouple method by using commercial thermocouples. Additionally, we study the effects of cutters while varying cutting speed, feed per tooth and radial depth of cut on the forces, roughness and tool wear for the different types of cutters.

We found that, as opposed to what was previously thought, the feed factor is the most influent one regarding the cutting temperature for the CFRP and Ti workpiece instead of the cutting speed. It has been found that the temperature in the workpiece increases by decreasing feed per tooth and decreases by increasing the cutting speed, although this last factor is not as significant as the feed per tooth.

Titre traduit

Étude de la température lors de l'usinage des bords de matériaux en CFRP/Ti6Al4V pour l'industrie aérospatiale

Résumé traduit

Avec les progrès des nouvelles technologies et des nouveaux matériaux, les industries aérospatiales, militaires et commerciales cherchent à réduire la consommation de carburant en réduisant le poids de leurs structures et composantes. Les matériaux stratifiés hybrides sont plus souvent utilisés dans les cellules aéronautiques en raison de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles telles qu'un rapport résistance/poids élevé, une excellente résistance à la corrosion et à la fatigue qui ne peuvent être obtenues avec des matériaux classiques.

Le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP)/Titane est le type de matériau hybride le plus utilisé pour les applications de charge thermique dans l'aviation, le Ti6Al4V étant le plus populaire des alliages de titane. Habituellement, les plaques de CFRP/Ti6Al4V sont assemblées par des rivets ou des boulons; mais dans le cas de quelques applications les deux matériaux sont collés ou directement fusionnés par le biais de la polymérisation de la résine. Ainsi, le processus de perçage n'est pas nécessaire comme il l’est habituellement, ce qui permet de réduire les coûts et le poids de la cellule aéronautique. La différence d'usinabilité et l'invariabilité en température de chaque matériau font de l'obtention de géométries et de tolérances dimensionnelles spécifiques un véritable défi. Cette thèse étudie les effets thermiques sur un stratifié CFRP/Ti6Al4V dans le processus de détourage. En particulier, nous étudions la méthode thermocouple outil-pièce en utilisant des thermocouples commerciaux. De plus, nous étudions les réponses “forces”, “rugosité”, et “l'usure des outils” pour différents types de fraises en variant la vitesse de coupe, l'avance par dent et la profondeur radiale de la coupe.

Nous avons constaté que contrairement à ce que l'on pensait auparavant, le facteur d'avance est le plus influent sur la température de coupe du CFRP/Ti plutôt que la vitesse de coupe. En fait, la température dans la pièce augmente en diminuant l'avance par dent et diminue en augmentant la vitesse de coupe, bien que ce dernier facteur ne soit pas aussi important que l'avance par dent.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master's degree with thesis in aeropspace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 119-124).
Mots-clés libres:	CFRP/Ti6Al4V stack, étude thermique, fraisage des arêtes, thermocouple incorporé, technique outil-pièce à usiner
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Lebrun, Gilbert
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	27 janv. 2020 20:47
Dernière modification:	27 janv. 2020 20:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2435

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