Tool Condition Monitoring and Surface Topography Analysis During the Machining of CFRP Composites

Les composites polymères notamment FRP (fibre reinforced plastics) sont de plus en plus employés dans l'industrie manufacturière (aéronautique et automobile notamment) pour la confection de leurs produits. L'emploi de carbone dans les FRP est en particulier prisé pour ses caractéristiques mécaniques. Depuis quelques décennies, le mélange de matériaux composites et métalliques au sein de structures de produits apporte des défis supplémentaires lors de leur assemblage. Face à ces nouveaux matériaux, les scientifiques et industriels réemploient les techniques qui ont été bâties et fait leurs preuves pour des matériaux métalliques relativement homogènes. Cependant, de par les propriétés intrinsèques des composites FRP, l'état de surface est fondamentalement hétérogène et la caractérisation de l'état de surface en devient complexe. Un autre point, de par ces spécificités, usiner un tel matériau provoque des petites vibrations additionnelles que l'on pourrait qualifier de bruit sur des signaux vibratoires, en comparaison avec l'usinage de métaux. Cette thèse vise à répondre aux problèmes de caractérisation de surface mais aussi au développement d'une technique novatrice de suivi de la qualité de coupe. La technique développée se base sur la théorie fractale et l'analyse fractale pour répondre aux besoins de la quantification du bruit sur les signaux de forces de coupe ou de vibration. L'analyse fractale permet de mettre en évidence le niveau de complexité et de rugosité d'objets. Pour bâtir et valider cette méthode, plusieurs tests ont été réalisés : détourage, perçage axial et orbital. Malgré le niveau élémentaire du développement de cette technique, les premiers résultats sont prometteurs. Mise en place sur une cellule de fabrication, cette méthode permet d'évaluer, en un temps très court, le niveau d'usure d'outil (en vue de son possible remplacement) ainsi que la qualité de coupe générée. Pour la caractérisation de surface de composites laminés, l'étude s'est premièrement basée sur des relevés de profils de surface et de rugosité. Dans chacune des deux directions principales (dans le sens du pli et dans le sens de l'empilement), des problèmes spécifiques ont été mis en évidence. Et pour chacune des directions, un plan correctif des méthodes de caractérisation actuelles a été proposé. Le résultat de ces optimisations proposées permet de mieux évaluer l'état de surface au vue de la qualité de coupe ainsi que de la robustesse du procédé.

Abstract

Polymer composites such as FRPs (fiber reinforced plastics) have been increasingly used by the manufacturing industry (aerospace and automotive in particular) in the making of their products. The carbon selection in FRPs is especially preferred for its mechanical properties. For few decades, the combination of composite and metallic materials within products' structure has been raising up additional challenges during the assembly. To solve those issues, scientists and industrials often reused techniques that had been built and proved for relatively homogeneous metallic materials. However, due to the intrinsic properties of FRP composites, the surface condition is particularly heterogeneous and such surface condition characterization tend to be more complex. Furthermore, machining a FRP material generates additional short vibrations that could be evaluated as noise in the vibration signals in comparison with the machining of metals. This thesis is a contribution to solutions to surface characterization issues and proposes an innovative technique of machining quality monitoring. The developed technique is based on the fractal theory and fractal analysis to meet the needs of the noise assessment in the cutting forces or vibration signals. Fractal analysis allows to evaluate the complexity and roughness of objects. To build and validate this method, several tests were performed: trimming, drilling axial and orbital. Despite the relatively low level of development of this technique, first results are promising. Set up in a manufacturing cell, this method allows to evaluate, in a very short time, the tool wear (for possible tool replacement) and the machining quality. For laminated composites' surface characterization, the study is primarily based on surface profiles and roughness observations. For both two main directions (in the ply plane direction and in the direction of the stack sequence), specific problems have been highlighted. And for each direction, a corrective plan of current characterization methods proposed. The result of those proposed enhancements to better evaluate the surface condition in view of the machining quality and process robustness.