Experimental investigation on machining process performance for carbon fiber reinforced polymer composites: part quality, tool wear and dust emission

Elgnemi, Tarek (2021). Experimental investigation on machining process performance for carbon fiber reinforced polymer composites: part quality, tool wear and dust emission. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The use of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) in industries is continuously increasing because of its exceptional properties such as high strength, low weight, and corrosion resistance. Although CFRP parts can be moulded to a near-net-form geometry, machining processes (milling, drilling) are frequently required to achieve the final shape. However, CFRP does not behave like pure plastic or metals during machining. The chip formation for CFRP is largely brittle factures caused by shearing of the fibres and matrix. Also, CFRP produces powdery chips or dust during dry machining, which are currently categorised as a nuisance pollutant and cause of health hazard. Moreover, its inhomogeneity and the abrasive nature of the fibres bring additional challenges during machining: delamination, cutting temperature, dust emission, and limited tool life.

Accordingly, this work aims to investigate the milling of CFRP and key factors that affect its machinability. The application of conventional cutting fluid is a common solution for increasing the tool life, reducing cutting forces or lowering the dust emission and dispersion. However, this solution cannot be applied to the machining of CFRP, because moisture may damage the structural integrity of the composite workpiece.

In this manuscript-based thesis, an experimental study was first conducted to examine the feasibility and effectiveness of applying atomized cutting fluid in milling of CFRP (article 1, chapter 3). The cutting fluid is broken down into micrometer size droplets that are sprayed directly into the cutting zone to lubricate the chip and tool interface, and also to dissipate the heat generated by fast evaporation. Because of the significantly higher evaporation rate of the atomized cutting fluid, the applied coolant not get absorbed into the workpiece material. In the study, CFRP milling operations were conducted in a range of high cutting speed, up to 40,000 rpm, and feed rate values up to 6 um under different machining conditions: dry condition, and using two types of cutting fluids, a general purpose semisynthetic coolant and a vegetable-oil-based coolant. The result showed that using atomized vegetable oil helps significantly in reducing the cutting force, tool wear, and fibre delamination as compared to the dry milling condition.

The machining performance of CFRP could also be influenced by fibre orientation and its interactions with the machining parameters and conditions. In article 2 (chapter 4) the effects fibres orientation (0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦) on chip formation, delamination, tool wear and cutting forces when milling dry and with vegetable oil-based fluid was investigated. It is found that the cutting direction, in relation to the fiber orientation, strongly influences chip formation, the cutting force, fiber breakage, tool wear, surface quality of the part machined and the delamination, according to the machining parameters and conditions used. The delamination percentage when cutting at tool-fiber orientation angles of 0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦ were improved by 65%, 91%, 54%, 66%, and 75%, respectively, under ACF (vegetable oil) conditions at 3um feed rate. The magnitude of the resultant cutting force was found to be greater in the dry condition relative to the ACF condition by more than 23% depending on fibre orientation angles and feed rate used.

Some manufacturers might be very hesitant in using any fluid when machining CRFP because moisture may damage the structural integrity of the composite. Machining dry could bring additional challenges to tool performance, part quality and occupational safety. In article 3, (chapter 5), the dry milling of CFRP machining is investigated with special focus on cutting force, specific cutting energy, cutting temperature, tool wear, and fine dust emission. The cutting temperature was examined using analytical and empirical models, and cutting experiments (full factorial design) were conducted to assess the reliability of the theoretical predictions. Finally, results of the experimental optimization are presented, and the model is validated. It was found in, among other conclusions, that during milling of the tested CRPF, fine particles were emitted (diameters ranging from 0.5–10 um) and that their concentration can reach 2776 particles per cubic centimeters. All the obtained results help to better understand specific phenomena associated with milling of CFRPs and provide the means to select effective milling parameters to improve the technology and economics of the process.

Titre traduit

Étude expérimentale sur les performances des processus d’usinage pour les composites polymères renforcés de fibres de carbone : qualité des pièces, usure des outils et émission de poussière

Résumé traduit

L’utilisation du polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) dans les industries ne cesse de croître en raison de ses propriétés exceptionnelles telles que sa haute résistance, son faible poids et sa résistance à la corrosion. Bien que les pièces en CFRP puissent être moulées à une géométrie proche de la forme nette, des processus d’usinage (fraisage, perçage) sont souvent nécessaires pour obtenir la forme finale. Cependant, le CFRP ne se comporte pas comme le plastique pur ou les métaux pendant l’usinage. La formation de copeaux pour le CFRP est en grande partie constituée de factures fragiles causées par le cisaillement des fibres et de la matrice. De plus, le CFRP produit des copeaux poudreux ou de la poussière pendant l’usinage à sec, qui sont actuellement considérés comme polluantes et un danger pour la santé des travailleurs. De plus, son inhomogénéité et la nature abrasive des fibres apportent des défis supplémentaires lors de l’usinage : délamination, température de coupe, émission de poussières et durée de vie limitée des outils.

En conséquence, ce travail vise à étudier le fraisage des CFRP et les facteurs clés qui affectent son usinabilité. L’application d’un fluide de coupe conventionnel est une solution courante pour augmenter la durée de vie de l’outil, réduire les forces de coupe ou diminuer l’émission et la dispersion des poussières. Cependant, cette solution ne peut pas être appliquée à l’usinage du CFRP, car l’humidité peut endommager l’intégrité structurelle de la pièce en composite.

Dans cette thèse basée sur des manuscrits, une étude expérimentale est d’abord menée pour examiner la faisabilité et l’efficacité de l’application d’un fluide de coupe atomisé dans le fraisage du CFRP (article 1, chapitre 3). Le fluide de coupe est décomposé en gouttelettes de taille micrométrique qui sont pulvérisées directement dans la zone de coupe pour lubrifier l’interface entre le copeau et l’outil, et aussi pour dissiper la chaleur générée par évaporation rapide. En raison du taux d’évaporation nettement plus élevé du fluide de coupe atomisé, le liquide de refroidissement appliqué n’est pas absorbé par le matériau de la pièce à usiner. Dans l’étude, les opérations de fraisage de CFRP sont menées dans une gamme de vitesse de coupe élevée, jusqu’à 40,000 rpm, et des vitesses d’avance jusqu’à 6 um par dent sous différentes conditions de coupe : en coupe à sec et en semi-lubrifiés sous deux types de fluides de coupe, un liquide de refroidissement semi-synthétique d’usage général et un liquide de refroidissement à base d’huile végétale. Les résultats montrent que l’utilisation d’huile végétale atomisée permet de réduire de manière significative la force de coupe, l’usure de l’outil et la délamination des fibres par rapport au fraisage à sec.

La performance d’usinage des CFRP pourrait également être influencée par l’orientation des fibres et ses interactions avec les paramètres et les conditions d’usinage. Dans l’article 2 (chapitre 4), les effets de l’orientation des fibres (0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦) sur la formation de copeaux, la délamination, l’usure de l’outil et les forces de coupe lors du fraisage à sec et avec un fluide à base d’huile végétale sont étudiés. Il a été constaté que la direction de coupe, en relation avec l’orientation des fibres, influence fortement la formation de copeaux, la force de coupe, la rupture des fibres, l’usure de l’outil, la qualité de la surface usinée de la pièce et la délamination, selon les paramètres et conditions d’usinage utilisés. Le pourcentage de délamination lors de la coupe à des angles d’orientation outil-fibre de 0◦, 30◦ 45◦, 60◦ and 90◦ a été amélioré de 65%, 91%, 54%, 66% et 75%, respectivement, dans des conditions ACF (huile végétale) à 3 um. L’ampleur de la force de coupe résultante s’est avérée être plus importante dans la condition sèche par rapport à la condition ACF de plus de 23% selon les angles d’orientation des fibres et la vitesse d’avance utilisés.

Certains fabricants pourraient hésiter à utiliser un fluide quelconque pour l’usinage du CFRP, car l’humidité pourrait endommager l’intégrité structurelle du composite. L’usinage à sec pourrait apporter des défis supplémentaires en matière de performance des outils, de qualité des pièces et de sécurité au travail. Dans l’article 3, chapitre 5, le fraisage à sec du CFRP est étudié en mettant l’accent sur les forces de coupe, les énergies spécifiques de coupe, la température de coupe, l’usure de l’outil et l’émission de poussières fines. La température de coupe a été examinée à l’aide de modèles analytiques et empiriques, et des expériences de coupe (plan factoriel complet) ont été menées pour évaluer la fiabilité des prédictions théoriques. Enfin, les résultats de l’optimisation expérimentale sont présentés, et le modèle est validé. Il a été constaté, entre autres conclusions, que lors du fraisage du CFRP testé, des particules fines (diamètres allant de 0,5 à 10 um) sont émises et que leur concentration peut atteindre 2776 particules par centimètre cube. L’ensemble des résultats obtenus aident à mieux comprendre les phénomènes spécifiques associés au fraisage des CFRP et fournissent les moyens de sélectionner des paramètres de fraisage efficaces pour améliorer la technologie et l’économie du processus.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 123-135).
Mots-clés libres:	CFRP, fraisage, force de coupe, l’usure de l’outil, température, l’émission de poussières fines
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Songmene, Victor
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	17 févr. 2022 18:37
Dernière modification:	17 févr. 2022 18:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2902

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