Initial Tool Wear Mechanisms in Turning of Titanium Metal Matrix Composites

Cette étude porte sur les mécanismes d'usure initiale de l'outil en tournage mécanique des composites à matrice métallique de titane (Ti-MMCs). Comparés à d'autres matériaux, les MMCs présentent de nombreux avantages, par exemple : une grande rigidité, une haute résistance à la corrosion et une très bonne résistance à l'usure même aux hautes températures. Toutefois, ces propriétés avantageuses peuvent être à l'origine de certains problèmes lors de l'usinage, comme une usure sévère des outils de coupe ainsi qu'une durée de vie très limitée. L'usure initiale de l'outil et son effet sur la durée de vie n'ont pas été étudiés en détail et la plupart des études se sont focalisées sur la période d'usure à taux d'usure constant. Dans cette recherche des outils en carbure de tungstène (WC/Co) avec un liant cobalt, revêtu de TiN/TiAlN ont été utilisés pour tous les tests expérimentaux. L'usure des outils pendant les premières secondes de l'usinage et ses influences sur la durée de vie de l'outil ont été analysées et discutées. Les forces de coupe ont été mesurées à l'aide d'un dynamomètre. Après l'usinage, les mécanismes d'usure initiale des outils ont été étudiés par la microscopie électronique à balayage (MEB) et l'analyse dispersive en énergie (EDS). Afin de déterminer la variabilité de la composition chimique de surface d'un outil brut et d'une pièce à usiner, une spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (SPX) a été utilisée. La méthode de sonde ionique focalisée (FIB) a été choisie pour découper et déterminer les éléments ou sous-couches qui se développent lors de l'usinage. Les diagrammes d'usure obtenus par les essais expérimentaux montrent que la première période de transition de l'usure de l'outil se produit dans la première seconde d'usinage. La comparaison de temps de transition de ces diagrammes aux diagrammes de force a dévoilé une bonne corrélation. L'analyse des mécanismes d'usure a révélé que l'usure commence par une phase préliminaire dite "abrasive" suivie par une phase dominante dite "adhésion".

Abstract

This research focused on the initial tool wear mechanisms in turning of titanium metal matrix composites (Ti-MMCs). Compared to other materials, MMCs have many advantages, such as: high stiffness, high corrosion resistance, and very good wear resistance even at high temperatures. On the other hand, these advantages cause a lot of problems during the machining process, including severe tool wear and short tool life. The initial tool wear and its effects on the entire tool life has not been investigated in detail and most studies have been performed in the steady-state wear period. Thus, in this research the first seconds of machining and its effects on tool life was discussed. WC/Co inserts with the coating TiN/TiAlN were used for all the experimental tests. Machining forces were registered by a dynamometer. After machining, the initial tool wear mechanisms were investigated using Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS). In order to study the surface chemical compositions of an unused insert and a raw work-piece material, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was used. Also, to find out what elements or sub-layers are under the layer that develops during the machining, a Focused Ion Beam (FIB) technique was applied to an insert. Based on the results of the experimental tests and tool wear progression charts, the first transition time of tool wear occurs in the first second of machining. Also, there are good correlations between the transition time in tool wear progression charts and the cutting force diagrams. Finally, mapping the wear mechanisms in different tools during the initial moments of machining Ti-MMC revealed that the preliminary wear mechanism is abrasion and the dominant wear mechanism is adhesion.