Etude du perçage de l’empilage Ti6Al4V/CFRP

MICROSTRUCTURE DU TITANE

Le titane existe sous deux formes cristallographiques. A température ambiante, le titane (non allié) se présente sous une structure hexagonale compacte nommée phase α. A une température de 883°C, le titane subit une transformation allotropique et forme la phase β ayant une structure cubique centrée [Destefani_2000] Cette température est nommée température de transus β.La température de transformation α→β est fortement dépendante des éléments d’alliage (de substitution ou d’insertion). Ainsi les éléments favorisant la présence de la phase α sont dit alphagènes. Tandis que ceux qui favorisent la phase β (en abaissant la température de transus β) sont classés comme des éléments bêtagènes, une dernière catégorie est dite neutre car elle n’influe que très peu sur la température de transus β. Ainsi les alliages de titane se classent dans trois grandes familles en fonction de la plus ou moins grande quantité à température ambiante de chacune des deux phases : [Ezugwu_2003]
Les alliages α, constitués de 100 % de la phase α ; Les alliages β, constitués de 100 % de la phase β à température ambiante ; Les alliages α+β constitués des deux phases à la fois à température ambiante, cette catégorie, très vaste, est subdivisée en trois parties :
les quasi α (très peu de phase β à température ambiante, proche des alliages α) ;les α+β ; les quasi β, ou β métastables (contenant très peu de phase α à température ambiante, proche des alliages β).
La morphologie d’un alliage de type α ou α+β est en partie fonction de la vitesse de refroidissement, ainsi, une chute rapide de la température dans le matériau conduit à la formation d’une structure aiguillée fine, et lorsque cette vitesse de refroidissement augmente, des aiguilles de plus en plus grosses se forment, puis des lamelles. Si un traitement thermomécanique est réalisé, il est possible de briser ces lamelles pour obtenir une structure équiaxe. [Combres_1999] .

MECANISMES DE COUPE DANS LE TITANE

Lors de l’usinage, le contact entre la partie active de l’outil et la matière usinée génère des phénomènes mécaniques et thermiques nombreux et très extrêmes. Cette zone est le lieu de déformations plastiques importantes et de frottements intenses aux zones de contact outil-matière. Si ces zones de transformations intenses et rapides de la matière ont été étudiées, il reste de nombreuses zones d’ombre dans la compréhension de ces phénomènes. La zone de cisaillement primaire est le siège de grandes déformations (rapport supérieur à 1) à très grande vitesse (environ 10-5 s). La vitesse de ce phénomène empêche tout échange thermique avec le milieu extérieur, cette zone subit donc un échauffement important qu’il est difficile à estimer. Certaines simulations numériques tentent de calculer cette température dans le copeau, les distributions de températures seraient de l’ordre de 500-600°C d’après Calamaz [Calamaz_2008a].
La zone de cisaillement secondaire est à l’interface copeau/face de coupe, les pressions de contact et les phénomènes d’adhésion du copeau entrainent une déformation plastique importante dans une fine épaisseur, provoquant un échauffement de l’outil sur sa face de coupe. La très faible longueur de contact outil/copeau dans le cas du titane (environ 1/3 plus faible que dans les aciers [Che-Haron_2001]) génère des gradients de température très importants dans l’outil. D’après Ezugwu et al. [Ezugwu_1997] une grande proportion des calories générées lors de l’usinage sont évacuées par l’outil. Ces données ont été confirmées dans la thèse de Bonnet [Bonnet_2010]. La zone de cisaillement tertiaire se situe au niveau du contact entre la surface de la pièce restante après usinage et la face de dépouille de l’outil. Malgré la présence d’un angle de dépouille α, la matière fortement comprimée lors de la coupe se détend (retour élastique) et frotte contre la face de dépouille.
Ces trois zones sont donc les parties où le matériau se déforme. L’usure de l’outil et la production de chaleur se concentre donc dans ces parties.

CARACTERISTIQUES DU TROU DANS LE TI6AL4V

BAVURE

La plupart des opérations de perçage dans des matériaux métalliques génèrent des bavures en entrée et surtout en sortie de matériau. Néanmoins dans le secteur aéronautique, les bavures ne sont pas permises, par conséquent les trous sont régulièrement suivis d’opérations d’ébavurage. Cette opération, ainsi que le nettoyage ont des coûts non négligeables sur la pièce. Dornfeld [Dornfeld_1999] a estimé à 30 % le surcoût de telles opérations.
L’étude de la formation des bavures à conduit à la conclusion qu’elles sont le fruit d’une accumulation de chaleur sous la pointe du foret qui accentue la déformation plastique de la matière en fin de perçage, cette matière se rompt alors, et le point où la rupture se forme donne la morphologie de la bavure.
Les bavures de type A sont sans capsule, la rupture est de type fragile. Les bavures de type B sont avec capsule, la bavure est uniforme, la rupture a eu lieu aux extrémités. La taille des bavures est directement liée à la production de chaleur dans la zone de coupe au moment de la sortie de l’outil [Dornfeld_1999]. Ko [Ko_2003] a également mis en évidence que la géométrie du foret et les paramètres de coupe influent de manière importante sur la taille de la bavure.

DIMENSION DU TROU

Lors du perçage du Ti6Al4V, le suivi du diamètre du trou en fonction de la profondeur est un élément à vérifier car les composantes thermiques durant l’opération peuvent générer une dérive du procédé au cours du perçage. Certaines études ont mis en évidence qu’un même foret peut réaliser divers diamètres de trous en fonction des paramètres de coupe (la variation de diamètre est très faible). De même deux géométries d’outils différentes mais de même diamètre ne donneront pas toujours un diamètre de trou identique à paramètres de coupe identiques .

THERMIQUE LORS DE L’USINAGE DE TI6AL4V

Certains défauts dans les trous en alliage de titane sont fonction de la température lors de la coupe. De plus l’usure de l’outil est également fonction de la température. Il est donc important de contrôler ce facteur lors de l’opération de perçage. Afin de contrôler cette grandeur, il faut dans un premier temps comprendre comment est généré l’échauffement, puis comment il est mesurable.

ZONES D’ECHAUFFEMENT THERMIQUE

Lors de l’usinage des métaux, les trois zones de cisaillement génèrent un dégagement thermique. Néanmoins ce phénomène est très rapide et le titane est mauvais conducteur de la chaleur. Par conséquent l’échauffement généré dans la zone de cisaillement primaire, qui représente la zone générant le plus de calories lors de la coupe, va s’évacuer dans le copeau et dans l’outil de part la proximité de celui-ci avec les bords de cette zone. La zone de cisaillement secondaire va générer un flux thermique entre l’outil et la surface en contact avec le copeau, mais de part la faible effusivité du titane, l’outil absorbera une grande quantité de l’énergie générée dans cette zone. L’échauffement dans la zone de cisaillement tertiaire est souvent considérée comme faible face aux deux autres zones, l’énergie thermique se dissipe entre la pièce et l’outil.
Diverses études ont été menées sur la répartition du flux thermique lors de l’usinage de titane, mais des divergences sur les rapports de puissance générées dans la zone de cisaillement primaire et secondaire semblent subsister.

MOYEN DE MESURE DE LA TEMPERATURE EN USINAGE

Il existe de nombreux moyens de mesurer la température ou la variation de la température au cours de l’usinage. Les thermocouples, les thermistances et la thermographie infrarouge figurent parmi les techniques les plus courantes.
Les systèmes employant les thermocouples sont les plus fréquents. Trois types de montages utilisent ce phénomène. Le premier utilise le thermocouple naturel formé par l’outil et la pièce. Ce système a pour inconvénient d’être imprécis, la localisation précise où la mesure la température s’effectue est inconnue. Ces systèmes sont maintenant assez peu employés.
Le second système emploie des thermocouples placés dans la pièce, la température mesurée est donc celle du matériau entourant le trou. Ce type d’instrumentation permet de comparer différents types de forets ou paramètres de coupe sans difficulté. Il convient néanmoins de placer les thermocouples de manière précise afin de pouvoir corréler les divers éléments. La troisième technique est d’implanter directement les thermocouples sur la face de dépouille ou directement dans l’outil, au plus près de l’arête.

PERÇAGE DES MATERIAUX COMPOSITES

L’utilisation de matériaux composites à renforts fibreux a considérablement augmenté ces dernières années, notamment dans les secteurs aéronautiques et spatiaux pour leurs propriétés mécaniques élevées. L’usinage de ces matériaux dans l’industrie aérospatiale se limite majoritairement au perçage et au détourage (ou fraisage). L’opération de perçage est critique et requiert une attention particulière sur l’ensemble des éléments servant à réaliser le trou.
Ainsi les forets et les paramètres de coupe sont particulièrement importants [Abrão_2007]. La compréhension des mécanismes d’usure des outils et les mécanismes de coupe permettent de mieux définir les types d’outils à employer. Il convient ensuite de caractériser un trou et de déterminer les principaux défauts pouvant survenir lors du perçage de matériaux composites à fibre de carbone. Ce qui conduit à des études thermiques et à des simulations de perçage des composites.

OUTILS DE COUPE

La géométrie des forets et leur substrat ont un impact fort sur la qualité du trou. Des géométries sont optimisées pour percer des composites seuls, celles-ci ne permettant pas de percer des alliages de titane. L’objectif étant le perçage d’empilages, ces éléments ne seront pas approfondis. Néanmoins les matériaux des outils sont un point clef permettant d’améliorer la coupe. Les caractéristiques souhaitées sont donc présentées ci-dessous.
Les matériaux des forets pour les composites à fibre de carbone doivent avoir des caractéristiques mécaniques spécifiques, parmi lesquelles :
une bonne résistance à l’abrasion et au frottement, une dureté élevée (notamment à chaud), la capacité à évacuer les calories (bonne conductivité thermique).
Ces spécificités doivent permettre de conserver une bonne acuité d’arête. Toute dégradation de l’arête de coupe peut entrainer des endommagements importants dans la pièce (délaminage, arrachement, échauffement, etc.). La capacité à évacuer les calories permet de limiter l’échauffement de la matrice, qui pourrait entrainer sa dégradation.
Les matériaux d’outils existant industriellement pour le perçage de composites sont décrits ci-dessous par ordre croissant de dureté :
Les aciers rapides :Ce sont des aciers fortement alliés qui peuvent être revêtus par un dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapor Deposition, PVD) d’un matériau dur sur une faible épaisseur (1 à 5 µm). Ils sont employés de manière occasionnelle, principalement pour de très petites séries sans qualité requise.
Ces outils ont été rejetés lors de nombreuses études pour des applications industrielles principalement à cause de leur très grande usure et de la faible acuité d’arête en cas de revêtement [Iliescu_2008 ; Kim_2004 ; Krishnamurthy_1992 ; Piquet_1999].
Les carbures de tungstène (WC) :Ces matériaux sont issus des technologies des poudres avec un liant métallique. La dureté à chaud et la résistance à l’abrasion sont très supérieures aux valeurs des aciers rapides [Iliescu_2008]. Il est également possible d’effectuer un dépôt sur ces matériaux, que ce soit en PVD ou en CVD (Chemical Vapor Deposition, dépôt chimique en phase gazeuse, qui permet une grande diversité de dépôts et une bonne accroche sur le substrat). Krishnamurthy et al. [Krishnamurthy_1992] relève que les revêtements peuvent se déformer ou s’écailler, engendrant des modifications importantes de la géométrie de l’arête, ce qui peut être préjudiciable lors de la coupe.
Le diamant :C’est le plus dur des matériaux. Il se présente sous diverses formes, que ce soit en dépôt de cristaux sur un support métallique ou carbure, ou par frittage de grains de diamant eux-mêmes frités sur un support en carbure de tungstène, ou encore par frittage de diamant monocristallin, taillé et fritté sur un support en carbure de tungstène puis affuté.
Ce type d’outil est recommandé dans de nombreux cas pour l’usinage de composites à fibres de carbone [Guegan_1994]. En effet l’usure dans le composite d’outils diamants PCD est bien plus faible que pour les outils en WC, le rapport est de l’ordre de 120 dans l’étude de Ramulu [Ramulu_1999] en tournage. La tendance est confirmée lors de plusieurs campagnes d’essais [Chambers_1995 ; Hickey_1987]. L’emploi de tels outils est freiné par leurs coûts et leur faible ténacité ainsi que la difficulté pour obtenir des géométries d’arêtes complexes.

MECANISMES D’USURE DES OUTILS

Les études d’usure des outils dans les matériaux composites ont majoritairement été menées pour des opérations de perçage. Néanmoins à cause de la diversité et la complexité des géométries employées, les critères de quantification usuels de l’usure (usure en dépouille VB, usure en cratère KT) ne sont pas toujours représentatifs de l’usure réelle de l’outil. Le critère d’usure a notamment été complété par un critère de rayon de bec de l’outil usé (Rεu) dans les travaux de thèse de D. Iliescu [Iliescu_2008].
Plusieurs facteurs ont été relevés comme influant fortement sur l’usure de l’outil, le premier est la vitesse de coupe (plus celle-ci est élevée, plus l’usure est rapide). De plus Kim et al. [Kim_1992] ont mis en évidence en tournage l’influence de l’orientation des fibres sur l’usure. Ainsi lorsque le composite passe d’un agencement monodirectionnel à 0° à un stratifié à ±45°, la durée de vie de l’outil carbure (K10) chute de 70 % (pour une vitesse de coupe de 50 m/min).
Le phénomène qui est le principal responsable de l’usure des outils dans le composite est l’abrasion. Les arêtes sont érodées au contact des fibres [Abrão_2008 ; Bonnet_2010 ; Iliescu_2008]. Ce type d’usure étant proportionnelle à la longueur usinée, une usure triangulaire est observée sur les forets (l’arête proche du centre est moins usée que celle sur l’extérieur) [Iliescu_2008] .L’usure par abrasion est caractérisée par un rayonnage de l’arête de coupe et surtout par la présence de bandes striées dans la direction de contact avec la surface usinée de la pièce ou la direction d’écoulement du copeau. Ces marques sont donc visibles à la fois sur la face de coupe (mais sur une très courte distance à cause de la taille des copeaux) et sur la face de dépouille. Les stries sont causées par les particules dures du matériau, dans le cas d’un composite à fibres de carbone, ces particules sont les fibres [Iliescu_2008].

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Table des matières

Introduction générale 
1 – Contexte et objectifs de l’étude
2 – Démarche de l’étude
Partie 1 – Bibliographie 
Chapitre 1 – Usinage du Ti6Al4V
1 – Matériau
2 – Usinage du titane Ti6Al4V
Chapitre 2 – Usinage du composite à fibres de carbone (CFRP)
1 – Matériau
2 – Perçage des matériaux composites
Chapitre 3 – Perçage d’empilages 
1 – Introduction
2 – Problématiques liées au perçage des empilages.
Partie 2 – Protocoles expérimentaux
Chapitre 4 – Méthodologie des essais
1 – Introduction
2 – Matières premières et outils
3 – Machines-outils
4 – Moyens de mesure
5 – Traitement des données
Chapitre 5 – Essais préliminaires
1 – Qualification des outils
2 – Evolutions de la réponse du capteur rotatif en fonction du temps et des vitesses de rotation et de translation
3 – Couple Outil Matière (COM) en continu
Chapitre 6 – Mesures des températures en perçage 
1 – Introduction
2 – Problématique
3 – Mesure des températures en perçage sur tour
4 – Développement d’un dispositif de mesure des températures pour outil tournant
5 – Mesure des températures lors de la coupe de fils thermocouples
6 – Conclusions
Chapitre 7 – Décomposition d’arête (méthodologie et validation)
1 – Introduction
2 – Méthodologies de décomposition d’arête
3 – Comparaison des diverses méthodologies
4 – Programme interfacé et options
Partie 3 – Perçage du Ti6Al4V et du CFRP
Chapitre 8 – Etude du perçage du Ti6Al4V 
1 – Répartition des efforts le long de l’arête en fonction des conditions de coupe
2 – Evolutions liées à l’usure lors du perçage de Ti6Al4V
3 – Etude de la température du foret dans le Ti6Al4V
Chapitre 9 – Etude du perçage du CFRP 
1 – Répartition des efforts le long de l’arête en fonction des conditions de coupe
2 – Evolution l’usure
3 – Etude de la température de l’outil dans le CFRP
4 – Conclusion
Partie 4 – Empilage
Chapitre 10 – Etude du perçage de l’alternance des matériaux 
1 – Définition des essais
2 – Evolution des efforts avec l’usure
3 – Etude de l’usure de l’outil
4 – Etude de la qualité des trous
5 – Conclusions
Chapitre 11 – Etude du perçage de l’empilage Ti6Al4V/CFRP
1 – Définition des essais
2 – Etude des efforts lors du perçage de l’empilage
3 – Etude de l’usure de l’outil
4 – Etude de la qualité des trous
5 – Conclusion
Chapitre 12 – Etude du perçage de l’empilage CFRP/Ti6Al4V
1 – Définition des essais
2 – Etude du perçage dans les conditions de l’empilage
3 – Etude de la température dans l’outil
4 – Etude de l’usure de l’outil
5 – Etude de la qualité des trous
6 – Conclusions
Partie 5 – Conclusions générales et perspectives
Partie 6 – Références bibliographiques
Partie 7 – Annexes

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