Tool Wear Monitoring Based on Fractal Analysis of Cutting Force Signals While Machining Titanium Alloy Within CFRP/Titanium Stack

L'usinage orbital comporte plusieurs avantages par rapport au perçage axial, particulièrement pour les matériaux difficiles à usiner tels que les alliages de titane. Parmi les avantages, on compte une réduction des bavures, une délamination atténuée et une force de coupe diminuée. L'industrie aérospatiale emploie de plus en plus de structures en matériaux composites en alliages légers à base de titane, en aluminium, et autres. Les propriétés mécaniques de ces alliages apportent une grande rigidité, une résistance importante à la corrosion, un poids faible et une forte résistance à la traction. Toutefois, l'usinage d'empilements de matériaux est difficile en raison des combinaisons diverses des mécanismes d'usure des outils. Afin de répondre aux exigences industrielles, plusieurs chercheurs se sont appliqués pour améliorer l'usinage des empilements hybrides. Par contre, tous les travaux se sont concentrés sur l'analyse des signaux acquis pendant l'usinage de composites impliqués dans ces empilements hybrides. Il en résulte que de l'information utile de l'usinage des matériaux homogènes dans les empilements se trouve négligée. Cette recherche examine l'usinage orbital d'un empilement hybride commun dans l'industrie aérospatiale, soit d'une matière plastique renforcée par des fibres de carbone et du titane. L'étude est consacrée à des pièces en alliage de titane afin d'exploiter les informations des signaux obtenus lors de l'usinage de matériaux homogènes qui sont présents dans des empilements multimatériaux. Les efforts de coupe représentent un des indicateurs les plus importants pour le suivi en ligne de l'état des outils vu leur sensibilité aux transitions d'états de la coupe. Par conséquent, les efforts de coupe sont davantage analysés ces dernières années. Or, l'analyse fractale des efforts de coupe durant l'usinage orbital d'empilements comprenant des alliages de titane CFRP/Ti est une méthode utile pour la caractérisation de la morphologie des signaux en vue de prévoir l'usure des outils. Afin d'exploiter cette avenue, la présente étude examine la « rugosité » des efforts de coupe en fonction du temps, à l'aide de la dimension fractale. La dimension fractale, ainsi que d'autres paramètres fractaux ressortant de la régularisation mathématique, sont évalués afin d'identifier des stades d'usure distincts servant à estimer l'usure et à augmenter la qualité de l'usinage. De plus, un indice fractal est proposé comme paramètre statistique visant le suivi de l'usure des outils durant l'usinage d'alliages de titane. Ceci est accompli afin de réduire la nécessité d'effectuer des essais de coupe à longues durées et d'améliorer le système de surveillance.

Abstract

Orbital drilling has advantages over axial drilling, especially for difficult-to-cut materials like titanium alloys. Reduced burr size, less fiber delamination and reduced cutting force are some of these advantages. In the aerospace industry, the utilization of hybrid structures made of composites and of lightweight metals such as titanium or aluminium alloys is increasing due to their excellent mechanical properties, including: high stiffness, high corrosion resistance, low weight and high tensile strength. However, machining these multi-material stacks is challenging due to the combination of diverse wear mechanisms which accelerate tool wear. Researchers have been working on the machining of hybrid stacks to provide industry requirements, but all the research has focused on the analysis of the signals acquired during the machining of composite involved in the hybrid stacks; in contrast, useful information from the machining of homogenous materials during machining of the hybrid stacks has been missed. This study investigates orbital drilling of one of the popular hybrid stacks in the aerospace industry, carbon fiber reinforced plastics (CFRP) with Ti-6Al-4V titanium alloy stack, and it has focused on the titanium alloy parts to ply the unexploited information from signals obtained during machining the homogenous materials within multi-material stacks. Cutting force signals are one of the most significant indicators for online tool condition monitoring as consequence of high sensitivity to shifts between cutting states, and has prompted more monitoring of cutting force signals in recent years. Fractal analysis of cutting force signals acquired during the orbital drilling of titanium alloy while machining CFRP/Ti stack is a useful technique to characterize signal features and predict tool wear. In this study, the irregularity and “roughness” of the cutting force signal during titanium alloy machining is characterized in terms of fractal dimension. The fractal dimension and other fractal parameters based on regularization analysis are calculated to identify distinct wear stages, estimate the tool wear and prevent low machining quality. In addition, a fractal index is proposed as a statistical parameter to monitor tool wear during titanium alloy machining to mitigate the need for long machining tests and to improve the monitoring process.