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Machinability and Modeling of Cutting Mechanism for Titanium Metal Matrix Composites

Roland Bejjani

Thèse de doctorat (2012)

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Citer ce document: Bejjani, R. (2012). Machinability and Modeling of Cutting Mechanism for Titanium Metal Matrix Composites (Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/1014/
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Résumé

"RÉSUMÉ:" Les composites à matrice métallique de titane (CMMTi) sont une nouvelle classe de matériaux. Le CMMTi possède les caractéristiques des alliages de titane (légèreté, résistance et biocompatibilité) tout en ayant des propriétés physiques accrues lui conférant des avantages sur les alliages de titane. Ses nombreuses applications potentielles dans différents secteurs industriels tels l’aéronautique et le domaine biomédical en font un matériau de l’avenir. Déjà, certains fabricants de turbines montrent un grand intérêt pour de futures applications. Dans le domaine biomédical, le CMMTi offre un avantage pour les greffes osseuses présentant une action de glissement/frottement. Par contre, le CMMTi doit être usiné avant d'être utilisé comme pièce ou partie d'un assemblage, mais les particules solides de céramique ajoutées à l’alliage de titane rendent son usinage très difficile. De plus, l'intégrité de la surface du matériau après usinage est de première importance avant son utilisation dans un assemblage mécanique. La vie de l'outil est donc limitée en raison de son usure par l’action abrasive des particules dures, ainsi qu’à cause de la diffusion en raison de la température élevée de l'interface outil-matériau. Lors de l'usinage, la durée de vie de l'outil et la rugosité de la surface de la pièce sont des préoccupations majeures pour les industriels. Trois approches ont été élaborées afin d'optimiser les paramètres d’usinage du CMMTi. La première approche expérimentale consiste en une méthode de planification d’expériences (TAGUCHI) utilisée afin d’identifier les effets des paramètres de coupe (vitesse, avance, et profondeur de coupe) sur les forces de coupe, la rugosité de surface, et l’usure de l’outil. Dans une deuxième approche, et afin de mieux comprendre le mécanisme de coupe du CMMTi, la formation de copeaux lors de la coupe a été analysée et un nouveau modèle de la bande de cisaillement adiabatique a été développé. Dans la dernière approche, et pour obtenir un meilleur outil d'analyse pour la compréhension du mécanisme de coupe, un nouveau modèle constitutif du CMMTi a été développé, en utilisant un modèle d’endommagement, à des fins de simulation. Les résultats des simulations de Modèle d’Élément Fini (MEF) ont permis de prévoir la température, les contraintes, les déformations et l’endommagement du matériau. Ces dernières informations peuvent être utilisées pour l'analyse de l’usinage ainsi que pour des applications industrielles.----------"ABSTRACT:" Titanium Metal Matrix composites (TiMMC) is a new class of material. The enhanced properties of TiMMC provide it with many advantages over titanium alloys. TiMMC is a material of the future and has many potential applications in the aeronautical sector, as in the turbines’ cold section parts, and in biomedical applications, for example in bone transplants where a sliding/rubbing action is present. Turbine engine manufacturers already show a great interest in TiMMC for future applications. However, TiMMC requires machining in order to be used as part of an assembly, but the abrasive action of the added ceramic TiC particles, combined with the problems of cutting titanium alloys, make it a very difficult to cut material. Therefore, the tool life is limited, due to the abrasion wear from the hard particles and to the diffusion wear due to the high temperature of the tool-chip interface that characterizes the cutting of titanium alloys. When machining, tool life, and surface roughness are major concerns for industrials. In order to optimize the machining of TiMMC, three approaches (stages) were used. First, a TAGUCHI method for the design of experiments was used in order to identify the effects of the machining inputs (speed, feed, depth) to the output (cutting forces, surface roughness). To enhance even further the tool life, Laser Assisted Machining (LAM) was also experimented. In a second approach, and in order to better understand the cutting mechanism of TiMMC, the chip formation was analyzed and a new model for the adiabatic shear band in the chip segment was developed. In the last approach, and in order to have a better analysis tool to understand the cutting mechanism, a new constitutive model for TiMMC for simulation purposes was developed, with an added damage model. The FEM simulations results led to predictions of temperature, stress, strain, and damage, and can be used as an analysis tool and even for industrial applications. In the literature, no research studies are found on the machining of TiMMC. The first experimental approach of this current research is the only study to provide practical recommendations for determining the cutting parameters and for evaluating different cutting tools for machining TiMMC. Following experimental work and analysis, I found that cutting TiMMC at higher speeds is more efficient and productive because it increases tool life. This is in opposition to most materials, where higher cutting speeds reduce tool life. This phenomenon of efficient cutting at higher speeds was explained by the different tool/particles behavior.

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Département: Département de génie mécanique
Directeur de mémoire/thèse: Marek Balazinski, Helmi Attia et Hossam Kishawy
Date du dépôt: 12 nov. 2013 16:01
Dernière modification: 01 sept. 2017 17:33
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/1014/

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