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Compréhension des mécanismes de coupe des
composites
UPRES-EA3899
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Usinage et assemblage des matériaux composites
26 septembre 2013
Chambre des Métiers | 2, Circuit de la Foire
Internationale | L-1347 Luxembourg-Kirchberg
2
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Thévenin R., « Advanced Repair Technologies to Meet Future MRO Demand », Aircraft composite repair management forum, 2011.
http://www.gifsmaniac.com/gifs-animes/outils/gifs-animes-perceuses.htm
3
Sommaire
 Perçage des composites
 Coupe orthogonale
 Application – Détourage
 Application – Perçage
 Composite 3D
 Conclusion et perspectives
4
Perçage des composites - Conditions de coupe
Effort de coupe Analyse des trous
Rugosité Température de coupe
5
Entrée des trous
F=0,36mm/tr
Perçage des composites - Évolution de Fz et Mz avec N
6
Perçage des composites - Évolution des diamètres trous
7
Perçage des composites - Évolution du facteur de délaminage
8
N = 6000tr/min
L’orientation des fibres est le paramètre le plus influent
Perçage des composites - Étendue des défauts
99
0°
15 couches
Coupe orthogonale - Mécanismes de formation de copeau
101010
0
100
200
300
400
500
600
0 5 10 15 20 25 30
EffortdepousséeFp(N)
Vitesse de coupe Vc (m.min-1)
0°
15°
30°
90°
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30
EffortdecoupeFc(N)
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Coupe orthogonale - Évolution des efforts
L’orientation des fibres est le paramètre le plus influent
1111
0
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300
400
500
600
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
EffortdecoupeFc(N)
Orientation des fibres  ( )
ap = 0,1 mm ap = 0,15 mm ap = 0,25 mm
ap = 0,35 mm ap = 0,5 mm
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du copeau
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Sens de l’avance de l’outil
Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres
131313
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Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres
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1414
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1515
Observations MEB d’une
stratification d’un trou
Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres
161616
Application - Détourage
Paramètres étudiés au cours du détourage
 (°)
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(=6 mm)
N (tr.min-1) Vf (mm.s-1) ap (mm)
0 Carbure 2
dents
8000 10 0,5
15 13500 30 1
30 Carbure
taille
diamant
20500 50 1,5
45
24000 70 2
90
2 dents Taille diamant
171717
Influence sur l’effort de coupe Fc
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Influence de la vitesse de rotation N sur l’effort de coupe Fc
Carbure 2 dents Carbure taille diamant
18
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191919
Carbure taille diamantCarbure 2 dents
Influence de l’orientation des fibres  sur la rugosité Ra
Application - Détourage
202020
Application - Perçage
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2222
Vitesse de rotation N (tr.min-1
) 1800 3000 6000
Fd Entrée du trou 1,7 1,8 1,8
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Fd = Dmax / D
22
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2323
Principe de réalisation de la
couture
Composite 3D - Diminution du délaminage en sortie des trous
2424
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de trou percé
f = 0,6 mm/tr ; N = 6000 tr/min
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2525
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l’intérieur des trous
Composite non cousu Composite cousu
f = 0,2 mm/tr et N = 6000 tr/min
Composite 3D - Diminution du délaminage en sortie des trous
2626
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pendant la coupe (définition des paramètres les plus influents)
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Fc = 11,9445 - 0,0012.N + 0,6611.Vf +19,9542.ap
26
Conclusion et perspectives
une corrélation entre les efforts de coupe et l’apparition du délaminage donne la
possibilité d’établir des conditions, au-delà desquelles le matériau est dégradé.
Il s’agit de renforcer localement la zone à usiner, ce qui pourrait avoir comme
conséquence de réduire l’endommagement généré par un usinage d’où une modification
des paramètres d’usinage pour un éventuel gain de productivité.
L’analyse des champs de déformation au voisinage de la zone usinée et permettra de
mettre en évidence le comportement du composite en usinage et de valider
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Compréhension des mécanismes de coupe des composites

  • 1. Compréhension des mécanismes de coupe des composites UPRES-EA3899 Malek HABAK,YosraTURKI, RaphaëlVELASCO, PascalVANTOMME Usinage et assemblage des matériaux composites 26 septembre 2013 Chambre des Métiers | 2, Circuit de la Foire Internationale | L-1347 Luxembourg-Kirchberg
  • 2. 2 http://babounette.wifeo.com/pieces-de-monnaie.php Aile de l'A350 XWB Thévenin R., « Advanced Repair Technologies to Meet Future MRO Demand », Aircraft composite repair management forum, 2011. http://www.gifsmaniac.com/gifs-animes/outils/gifs-animes-perceuses.htm
  • 3. 3 Sommaire  Perçage des composites  Coupe orthogonale  Application – Détourage  Application – Perçage  Composite 3D  Conclusion et perspectives
  • 4. 4 Perçage des composites - Conditions de coupe Effort de coupe Analyse des trous Rugosité Température de coupe
  • 5. 5 Entrée des trous F=0,36mm/tr Perçage des composites - Évolution de Fz et Mz avec N
  • 6. 6 Perçage des composites - Évolution des diamètres trous
  • 7. 7 Perçage des composites - Évolution du facteur de délaminage
  • 8. 8 N = 6000tr/min L’orientation des fibres est le paramètre le plus influent Perçage des composites - Étendue des défauts
  • 9. 99 0° 15 couches Coupe orthogonale - Mécanismes de formation de copeau
  • 10. 101010 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 30 EffortdepousséeFp(N) Vitesse de coupe Vc (m.min-1) 0° 15° 30° 90° 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 EffortdecoupeFc(N) Vitesse de coupe Vc (m.min-1) 0° 15° 30° 90° Coupe orthogonale - Évolution des efforts L’orientation des fibres est le paramètre le plus influent
  • 11. 1111 0 100 200 300 400 500 600 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 EffortdecoupeFc(N) Orientation des fibres  ( ) ap = 0,1 mm ap = 0,15 mm ap = 0,25 mm ap = 0,35 mm ap = 0,5 mm 0 100 200 300 400 500 600 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 EffortdepousséeFp(N) Orientation des fibres  ( ) ap = 0,1 mm ap = 0,15 mm ap = 0,25 mm ap = 0,35 mm ap = 0,5 mm Coupe orthogonale – Évolution des efforts = 135° = 45° Ecrasement des fibres Propagation de la fissure = 0° Rupture des fibres = 15° Sens de l’avance de l’outil Ecrasement des fibres Propagation de la fissure
  • 12. 121212 Influence de l’orientation des fibres sur la formation du copeau R. Teti, Machining of composites materials, University of Naples Frederico II, 2002. =0° Sens de l’avance de l’outil Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres
  • 13. 131313 Influence de l’orientation des fibres sur la formation du copeau = 45° Sens de l’avance de l’outil Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres R. Teti, Machining of composites materials, University of Naples Frederico II, 2002.
  • 14. 1414 Influence de l’orientation des fibres sur la formation du copeau Sens de l’avance de l’outil Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres R. Teti, Machining of composites materials, University of Naples Frederico II, 2002.
  • 15. 1515 Observations MEB d’une stratification d’un trou Coupe orthogonale - Effet de l’orientation des fibres
  • 16. 161616 Application - Détourage Paramètres étudiés au cours du détourage  (°) Outil (=6 mm) N (tr.min-1) Vf (mm.s-1) ap (mm) 0 Carbure 2 dents 8000 10 0,5 15 13500 30 1 30 Carbure taille diamant 20500 50 1,5 45 24000 70 2 90 2 dents Taille diamant
  • 17. 171717 Influence sur l’effort de coupe Fc Application - Détourage
  • 18. 1818 Influence de la vitesse de rotation N sur l’effort de coupe Fc Carbure 2 dents Carbure taille diamant 18 Application - Détourage
  • 19. 191919 Carbure taille diamantCarbure 2 dents Influence de l’orientation des fibres  sur la rugosité Ra Application - Détourage
  • 21. 2121 Application - Perçage : Influence de la géométrie de l’outil
  • 22. 2222 Vitesse de rotation N (tr.min-1 ) 1800 3000 6000 Fd Entrée du trou 1,7 1,8 1,8 Vitesse de rotation N (tr.min-1 ) 1800 3000 6000 Fd Entrée du trou 1,2 1,2 1,222 Fd = Dmax / D 22 Application - Perçage : Influence de la géométrie de l’outil
  • 23. 2323 Principe de réalisation de la couture Composite 3D - Diminution du délaminage en sortie des trous
  • 24. 2424 Observation macroscopique de l’entrée de trou percé f = 0,6 mm/tr ; N = 6000 tr/min Composite 3D - Diminution du délaminage en sortie des trous
  • 25. 2525 Observations microscopiques de l’intérieur des trous Composite non cousu Composite cousu f = 0,2 mm/tr et N = 6000 tr/min Composite 3D - Diminution du délaminage en sortie des trous
  • 26. 2626 Compréhension et prévision du comportement des matériaux pendant la coupe (définition des paramètres les plus influents) Perçage multi-matériaux Obtenir des réponses numériques aux problématiques liées au développement d’un nouveau procédé ou de nouvelles géométries d’outils Simulation - Optimisation Fc = 11,9445 - 0,0012.N + 0,6611.Vf +19,9542.ap 26 Conclusion et perspectives
  • 27. une corrélation entre les efforts de coupe et l’apparition du délaminage donne la possibilité d’établir des conditions, au-delà desquelles le matériau est dégradé. Il s’agit de renforcer localement la zone à usiner, ce qui pourrait avoir comme conséquence de réduire l’endommagement généré par un usinage d’où une modification des paramètres d’usinage pour un éventuel gain de productivité. L’analyse des champs de déformation au voisinage de la zone usinée et permettra de mettre en évidence le comportement du composite en usinage et de valider les modèles numériques. Prédiction des défauts et de l’endommagement Un nouveau concept pour augmenter la productivité Valider les simulations numériques Conclusion et perspectives