Chaos Theory Applied to Analyze Tool Wear During Machining of Titanium Metal Matrix Composite (TiMMCs)

Ma thèse de doctorat a porté sur le développement d'une nouvelle méthode pour étudier l‘usure de l'outil et de la vie de l'outil lors de l'usinage d‘un composite à matrice métallique de titane (TiMMCs). Ce nouveau matériau offre de nombreux autres avantages par rapport aux alliages de titane conventionnels et les matériaux composites à matrice métallique. Grace à haute résistance, rigidité au fluage à des températures élevées, TiMMCs est considéré comme un matériau de choix pour des applications dans l'aérospatiale et de l'automobile dans un avenir proche. Toutefois, la combinaison de toutes ces caractéristiques d'usinage d'alliages de titane et des matériaux composites à matrice métallique rend les TiMMCs extrêmement difficile à usiner tandis que leur usinabilité n‘est pas complètement comprise dans la littérature. Dans des diverses études sur l'usure de l'outil trois régions différentes de l'usure des outils ont été distingués en fonction de l'augmentation de l'outil usure rapport au temps de coupe. Ils sont successivement l‘usure initiale, l‘usure régulière et la période d'usure accélérée. Cependant, le phénomène d'usure initiale de l'outil et ainsi que son impact sur la vie de l'outil pendant le processus d'usinage n‘est pas clairement compris. Ce fait peut être expliqué en notant que la plupart de ces études ont été focalisées sur la période de l'usure régulière qui semble intuitivement être une bonne méthode pour estimer la vie de l‘outil. Par conséquence, dans le but de mieux comprendre le phénomène de l'usure de l'outil initiale et ses influences sur la vie de l'outil, le comportement initial de l'usure de l'outil pendant l'usinage de TiMMCs a été considéré dans le cadre de ma thèse. Les résultats obtenus nous ont montré que l'usure se produit dès le premier instant de l‘usinage. Cette usure spéciale se prolonge jusqu‘à seulement dix secondes au maximum. Tel usure initiale est le résultat de plusieurs procédés compliqués tels que les dommages de la couche du revêtement, la friction – tribologique, la diffusion et l‘adhérence. La basse conductivité thermique et une grande réactivité des alliages de titane conduisent à la déformation plastique et à la formation d'un built-up-edge (BUE) à des températures élevées dans toutes les conditions expérimentales effectuées dans la première (ou initiale) zone d‘usure. Ce mécanisme d'usure est en effet opposé à celui de l'abrasion de la période de l'usure régulière.

Abstract

This research work focused on developing a new method to investigate the tool wear and tool life during machining of titanium metal matrix composite (TiMMCs). That novel generation material offers many other advantages compared to titanium alloys and metal matrix composites. Due to high strength, high stiffness, and creep resistance at high temperatures, TiMMCs is considered as a material of choice for applications in aerospace and automotive industries in the near future. However, the combination of all the hard machining characteristics of titanium alloys and metal matrix composites makes the TiMMCs an extremely difficult to cut material while their machinability is still not fully understood in the open literature. In various studies on tool wear and tool life, three distinctive regions of tool wear have widely been classified according to the increase of tool wear versus cutting time. They are the initial wear, steady wear and accelerated wear periods. However, the initial tool wear phenomenon and its influence on the tool life are not yet clearly understood. This fact can be explained by noting that most of these studies have been performed within the steady wear period which intuitively seems to be the right method to handle tool life problem. Accordingly, with the aim of contributing to a better understanding of the initial tool wear phenomenon as well as how it affects to the tool life, an investigation on initial tool wear behavior during machining of TiMMCs has been conducted in this thesis. The results have shown that the initial wear occurs at the first instant and extends to only ten seconds at the most; it is a result of complicated mechanisms such as coating layer damage, friction - tribological wear diffusion and adhesion. The low thermal conductivity and high reactivity of titanium alloys lead to plastic deformation and forming of a built-up-edge (BUE) at elevated temperatures under all experimental cutting conditions in the first or initial, wear zone. This wear mechanism is indeed opposite to the wear mechanism of abrasion found in the steady wear period. More importantly, by analyzing the wear mechanism at the first transition wear period we report herein a new wear form. The effect of chemical stresses under high cutting force and high temperatures was the main reason for the resulting diffusion wear; the by-products of that cutting process can spontaneously react with atmospheric oxygen. These oxidized titanium and aluminum based materials then diffuse from the coating layer and the TiMMCs at high pressure and elevated temperature.