Characterization and optimization of orbital driling Ti6AI4V and stacks CFRP/Ti6AI4V

Caractérisation et optimisation du perçage orbital du Ti6Al4V et d'empilages CFRP / Ti6Al4V

P. A. Rey (1)

1 ICA - Institut Clément Ader

The study presented in this thesis deals with the orbital drilling of Ti6Al4V titanium alloy and CFRP carbon fiber composite. This case study is taken from an industrial problem, from the Airbus company wishing to incorporate parts CFRP to reduce its mass. But the combination of these two materials with antagonistic properties poses many problems for drilling. This is why new alternatives to conventional drilling have been sought. Among these alternatives, orbital drilling with micro-lubrication showed interesting prospects. That is why it was chosen in this industrial application. But this process is still relatively unexplored and there is little feedback and many developments to achieve. Orbital drilling process is very different from the conventional axial bore. The bore is machined with a smaller diameter tool than the hole, which describes a helical path in the material. All work presented focus on the characterization for the optimization of the orbital drilling process. To achieve this, several aspects were discussed. First, a geometric modeling and kinematics of operation has been developed. The inclusion of the exact geometry of the tool and cutting conditions helped to define the geometry of the chip at every moment. This knowledge is important for understanding the achieved material removal mechanism, it allows to estimate the loading of the tool and the conditions in which machining is performed. From this first geometric modeling, modeling of cutting forces was established. For this, a model of mechanistic type of effort was used. Its application was adapted to orbital drilling in order to best represent the operation. The thus modeled efforts were compared to those observed experimentally in order to validate the proposed model. This allowed to consider the use of this model for a better understanding of this material removal process. The influence of model inputs, namely the cutting conditions and tool geometry was studied. Another contribution of this work is the characterization of the orbital drilling of CFRP stacks / Ti6Al4V. Indeed, many tests were developed to characterize the orbital drilling process. Experimental procedures have therefore been put in place. First of all, the instrumented test means had to be characterized so that it better corresponds to the means used by the manufacturer and above all it allows to carry out reliable and repeatable testing. The experimental design implemented subsequently helped to define the influence of cutting parameters on the efforts and realized diameters. In this phase of characterization, the bore in errors have also been studied. Thus, the trends have been observed. The results obtained in this work in the meeting helped to consider the process optimization of routes, through the control of advances, the drilling strategy, but also the geometry of the tool. Tracks have been proposed and are subject to further study. modeling implementation and the identification of phenomena occurring during the operation have also laid the foundation for process monitoring. This can be considered passively, to monitor the smooth running of the operation, but also actively to act in real time to the control of the process, based on identified phenomena, to ensure the desired quality.

L'étude présentée dans ce mémoire traite du perçage orbital de l'alliage de titane Ti6Al4V et du composite à fibres de carbone CFRP sur des structures épaisses. Ce cas d'étude est extrait d'une problématique industrielle, provenant de la société Airbus qui souhaite intégrer à la structure primaire du mât de réacteur des pièces en CFRP afin de diminuer sa masse. Mais l'association de ces deux matériaux aux propriétés antagonistes pose de nombreux problèmes en matière de perçage. C'est la raison pour laquelle de nouvelles alternatives au perçage classique ont été recherchées. Parmi ces alternatives possibles, le perçage orbital avec micro-lubrification a montré des perspectives intéressantes. C'est pourquoi il a été choisi dans cette application industrielle. Mais ce procédé reste encore assez peu étudié et il existe donc peu de retours d'expériences et beaucoup de développements à réaliser. Le procédé de perçage orbital est très différent du perçage axial conventionnel. L'alésage est réalisé avec un outil de diamètre inférieur au trou, qui décrit une trajectoire hélicoïdale dans le matériau. L'ensemble des travaux présentés se focalisent sur la caractérisation en vue de l'optimisation du procédé de perçage orbital. Pour réaliser ceci, plusieurs aspects ont été abordés. Tout d'abord, une modélisation géométrique et cinématique de l'opération a été développée. La prise en compte de la géométrie exacte de l'outil et des conditions de coupe a permis de définir la géométrie du copeau à chaque instant. Cette connaissance est très importante pour la compréhension du mécanisme d'enlèvement de matière réalisé, elle permet d'estimer le chargement de l'outil et les conditions dans lesquelles s'effectue l'usinage. À partir de cette première modélisation géométrique, une modélisation des efforts de coupe a été mise en place. Pour cela, un modèle d'effort de type mécanistique a été utilisé. Son application a été adaptée au perçage orbital, afin de représenter au mieux l'opération. Les efforts ainsi modélisés ont été comparés à ceux observés expérimentalement afin de valider la modélisation proposée. Cela a permis d'envisager l'utilisation de cette modélisation pour une meilleure compréhension du processus d'enlèvement de matière présent. L'influence des entrées du modèle, à savoir les conditions de coupe et la géométrie de l'outil a été étudiée. L'autre apport de ces travaux réside dans la caractérisation du perçage orbital d'empilages CFRP/Ti6Al4V. En effet, de nombreux essais ont été mis en place pour caractériser le procédé de perçage orbital. Des procédures expérimentales ont donc été mises en place. Tout d'abord, le moyen d'essai instrumenté a dû être caractérisé afin qu'il corresponde au mieux aux moyens utilisés par l'industriel et surtout qu'il permette de réaliser des essais fiables et répétitifs. Les plans d'expériences mis en place par la suite ont permis de définir l'influence des paramètres de coupe sur les efforts et sur les diamètres réalisés. Dans cette phase de caractérisation, les défauts présents en perçage ont également été étudiés. Ainsi, des tendances ont pu être observées. Les résultats obtenus dans ces travaux dans ces travaux ont permis enfin d'envisager les voies d'optimisation du procédé, à travers le pilotage des avances, la stratégie de perçage, mais aussi la géométrie de l'outil. Des pistes ont été proposées et doivent faire l'objet d'études complémentaires. la modélisation mise en place et l'identification des phénomènes intervenant pendant l'opération ont d'ailleurs permis de poser les bases d'une surveillance du process. Celle-ci peut s'envisager de façon passive, pour contrôler le bon déroulement de l'opération, mais également de façon active pour agir en temps réel sur le pilotage du procédé, en fonction des phénomènes identifiés, afin de garantir la qualité souhaitée.

Mots clés: Orbital drilling; Ti6Al4V; CFRP

Mots clés: Perçage orbital; Perçage multi-matériaux; Modélisation

Domaines: Génie mécanique [physics.class-ph]; Mécanique des solides [physics.class-ph]

P. A. Rey. Caractérisation et optimisation du perçage orbital du Ti6Al4V et d'empilages CFRP / Ti6Al4V. Génie mécanique [physics.class-ph]. Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2016. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02073256⟩