Contribution à l'étude de l'effet des procédés de perçage-alésage sur l'apparition du délaminage dans les structures composites épaisses
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The composite materials, including carbon fibers, are increasingly used in aeronautics. The assembly of the various structural parts and the covering requires the creation of the rivets and bolts housing. The drilling by removing material from those houses panels thick carbon / epoxy causing defects at the entry, on the wall of the hole and at the exit of the plate. These various defects diminish the quality of the hole and the failure strength of the material. The identification and the minimization of these defects are the subject of this study. A real-time observation of the initiation and the propagation of defects is firstly done by using fast-shoot and infrared cameras. Microscopic observations were also conducted on full field drillings. Among the observed defects, delamination at the hole exit, considered as the major defect, is directly related to the tool thrust force (FZ). To minimize these defects, the study has focused on modeling of this thrust force and its link with the delamination of the machined laminate. Thus, in a first time, delamination critical thrust force when drilling orthotropic material is modeled analytically. Several hypothesis of loading and boundary conditions are developed in order to adjust the model to the desired tool geometry. This analytical model is validated by a numerical modeling (finite elements method) and an experimental study (punching tests). In a second step, a phenomenological model linking drilling thrust force to cut conditions is developed. This simple model offers the advantage of being used in drilling or reaming and to be adaptable to the chosen tool geometry. Finally, both parties are used to deduce the critical cutting conditions on delamination. This adaptive method to the tool geometry allows to determine, for a given material, the cutting conditions that minimize delamination during drilling and reaming operations. The leading study contributes to the optimization of the drilling-reaming process of the composite materials, both in terms of the cutting tools design that in terms of steering the process.
Abstract FR:
Les matériaux composites, notamment à fibres de carbone, sont de plus en plus utilisés dans le domaine aéronautique. L'assemblage des différentes pièces de structure et d'habillage nécessite la réalisation de logements pour mettre en place rivets et boulons. Le perçage par enlèvement de matière de ces logements dans des panneaux épais en carbone/époxy provoque des défauts en entrée, sur la paroi du trou et en sortie de plaque. Ces défauts de différentes natures diminuent la qualité du trou percé ainsi que la résistance du matériau à la rupture. L'identification et la minimisation de ces défauts font l'objet de cette étude. Une observation en temps réel de l'initiation et de la propagation des défauts est ainsi effectuée en premier lieu à l'aide de caméras à prise de vue rapide et à thermographie infrarouge. Des observations microscopiques ont également été réalisées sur des perçages pleine matière. Parmi les défauts observés, le délaminage à la sortie du trou, considéré comme le défaut majeur, est directement lié à la force axiale (FZ) de l'outil. Afin de minimiser ces défauts, l'étude a donc porté sur la modélisation de cet effort axial et sur son lien avec le délaminage du stratifié usiné. Ainsi, dans un premier temps, l'effort critique de délaminage en perçage d'un matériau orthotrope est modélisé analytiquement. Plusieurs hypothèses de chargement et de conditions aux limites sont développées afin de permettre une adaptation du modèle à la géométrie d'outil souhaitée. Ce modèle analytique est validé par une modélisation numérique (méthode des éléments finis) et par une campagne expérimentale (essais de poinçonnage). Dans un deuxième temps, un modèle d'effort phénoménologique reliant l'effort axial de perçage aux conditions de coupe est développé. Ce modèle d'effort simple à mettre en place offre l'avantage d'être utilisable en perçage ou en alésage et d'être adaptable à la géométrie d'outil choisie. Enfin, ces deux parties sont utilisées pour en déduire les conditions de coupe critiques de délaminage. Cette méthode adaptative à la géométrie d'outil permet donc de déterminer, pour un matériau donné, les conditions de coupe qui permettent de minimiser le délaminage lors des opérations de perçage et d'alésage. L'étude menée contribue ainsi à l'optimisation du process de perçage-alésage des matériaux composites, tant du point de vue de la conception des outils coupants que du point de vue du pilotage du process.