Cutting Conditions Optimisation of Titanium Metal Matrix Composites in Turning and Face Milling.

Il y a quelques décennies, les industries ont utilisé les composites à matrice métallique de titane (Ti-MMC) dans les valeurs limitées. Chacune des industries s'intéresse à la caractéristique particulière du Ti-MMC. Les constructeurs de voitures s'intéressent à la résistance à l'usure et à la fatigue de ce matériau dans la fabrication des composantes de moteur et de transmission pour ainsi diminuer le poids des véhicules. Les fournisseurs d'accessoires et de matériel médicaux utilisent le Ti-MMC vu sa grande rigidité spécifique et sa résistance en compression élevée. De plus, dans les domaines aéronautique et aérospatiale, les fabricants sont intéressés par le gain en légèreté de ce matériau. Mais il y a un problème avec le Ti-MMC, il a une faible usinabilité. Les aspects importants et acceptables pour l'usinage de pièces en industrie sont le coût de fabrication, de la finition de la surface et de la conformité au devis. Aussi, une dureté augmentée par les particules de céramique et une rigidité élevée du produit induisent un facteur de propagation élevée de fissures dans le corps du Ti-MMC. De plus, les particules fissurées ont tendance à éroder les arêtes des outils de coupe provoquant la dégradation de la finition de surface. Une très faible conductivité thermique, une haute résistance à la compression et une basse tendance à la déformation plastique devant l'arête de l'outil de coupe lors de son engagement avec ce matériau portent les contraintes mécaniques et thermiques à augmenter durant le processus d'usinage. Il n'y a que peu d'études sur le Ti-MMC, en particulier sur l'usinage de ce matériau. En général, les outils PCD sont connus comme étant les outils les plus performants lors de l'usinage du MMC, mais le coût de production est fortement affecté par le prix élevé de ces outils. Cette étude fait suite à des expériences réalisées sur l'effet de trois sortes d'outils (carbure revêtu, PCBN et PCD) sur le tournage et (carbure et d'outils PCD) sur le surfaçage du Ti-MMC. Sur les conséquences de la productivité, le taux d'usure des outils et la rugosité de surface de la pièce. Les conditions de coupe optimales sont déterminées pour chaque outil au tournage et au fraisage en bout du Ti-MMC. Les effets des paramètres de coupe sont extraits par analyse de variance. Pour l'optimisation du processus de tournage et de fraisage avec chaque outil, la méthode Taguchi est utilisée. De plus, les données de performance de ces outils lors de ces expériences sont analysées.

Abstract

World leading manufacturing sectors, in particular aerospace and automotive industries wish to have lighter materials with better physical, mechanical and chemical properties than the prevalent hard to cut heavier materials. This has brought much attention to alternative materials such as metal matrix composite (MMC). MMCs are composed of non-metallic reinforcements (i.e. ceramic) in metal matrices which feature high toughness, wear and fatigue resistance and relatively light weight. One of the metallic composite with remarkable mechanical properties is titanium metal matrix composite (Ti-MMC). Ti-MMC has been successfully incorporated into numerous of products in various industrial sectors. Each industrial sector has an interest in particular characteristics of Ti-MMC. Automotive and aerospace industries are craving for high wear and fatigue resistant materials with low weight for delicate applications in engine and power train component. Medical components suppliers utilize Ti-MMC in pursuance of its great specific stiffness and elevated compressive strength. Despite having excellent features, various issues have emerged relate to the machining and machinability of Ti-MMCs. Due to the presence of hard and abrasive ceramic particles in metal matrices of Ti-MMCs, crack propagation appears on the Ti-MMC body. Furthermore, weak heat conductivity, low tendency to plastic deformation and high compressive resistance of the matrix exert large mechanical and thermal stresses to the cutting tool and the work-piece. This reveals that the principal machinability attributes of Ti-MMCs are rapid tool wear, low surface quality in Ti-MMC machined parts and excessive cost. According to the review of literature, there are few studies on the machining and machinability of Ti-MMCs. There is a lack of knowledge on appropriate setting levels of cutting process parameters for machining Ti-MMC, in particular milling and turning operations that deal with high material removal rate. The main objectives of this work are to study the cutting parameters governing the tool wear and surface quality (finish) when machining (milling and turning) Ti-MMCs, as well as cutting factors optimization using Taguchi method to better reach the optimum or near optimum surface finish, tool wear and productivity. To that end, comprehensive experimental studies are arranged in multi-level full factorial design and orthogonal array design of experiment.