L’occurrence et la propagation de la délamination de surface

Plusieurs études expérimentales ont démontré que l’orientation des fibres d’un pli unidirectionnel par rapport à la surface détourée influence fortement le mécanisme de rupture des fibres et la délamination (Hagino et Inoue, 2013; Hintze, Hartmann et Schutte, 2011; Iliescu, 2008; Koplev, Lystrup et Vorm, 1983; Pecat, Rentsch et Brinksmeier, 2012; Pwu et Hocheng, 1998; Ramulu, 1997; Wang, Ramulu et Arola, 1995a; 1995b; Wang et Zhang, 2003). L’occurrence de délamination est aussi influencée par la géométrie de l’outil tel que la dimension du rayon de bec et l’angle d’hélice (Bérubé, 2012; Hagino et Inoue, 2013; Hintze, Hartmann et Schutte, 2011; Inoue et Hagino, 2013; Kaneeda, 1991; Wang et Zhang, 2003). L’usure de l’outil mène à une évolution de sa géométrie telle que l’augmentation du rayon de bec, qui influence à son tour la délamination de surface (Hamedanianpour et Chatelain, 2013; Hintze, Hartmann et Schutte, 2011; Inoue et Hagino, 2013; Pwu et Hocheng, 1998).

La délamination de surface est visible pour un rayon de bec de 45 μm et plus avec un outil PCD à angle d’hélice nul selon Hintze et coll. lors du détourage de stratifiés. Cependant, les outils en PCD sont très résistants à l’usure comparativement à d’autres matériaux pour le détourage de stratifié CFRP (Bérubé, 2012; Inoue et Hagino, 2013; Wang et al., 1995). Inoue et coll. ont effectué des essais de détourage d’un stratifié quasi isotrope de 21 plis composites carbone/époxy. Ils ont arrêté leurs essais lorsqu’une usure de la surface de dépouille de 0.2 mm est observée sur l’outil ou lorsque 30 m de détourage est atteint. L’outil PCD à angle d’hélice nul a été le plus résistant à l’usure et a généré les plus faibles délaminations et efforts de coupe, Figure 1.1 (Inoue et Hagino, 2013). Bérubé a comparé les performances d’outils pour le détourage de stratifié CFRP et l’outil PCD à angle d’hélice nul a aussi été retenu comme étant le plus performant. Pour ses qualités, l’outil PCD à angle d’hélice nul sera utilisé pour les essais expérimentaux de détourage avec cellule robotisée.

Outre l’influence de l’orientation du pli et de la géométrie de l’outil, la vitesse d’avance est le facteur le plus influent sur la délamination et la rugosité de surface détourées (Davim et Reis, 2005). Deux principaux types de délamination de surface sont observés lors du détourage de stratifiés quasi isotropes à plis unidirectionnels : les fibres non coupées (FNC) (Figure 1.2a, b, c) et l’arrachement de matière (ARM) (Figure 1.2d), (Bérubé, 2012; Hintze, Hartmann et Schutte, 2011; Ramulu, 1997). Le pli supérieur non supporté par le gabarit d’usinage est plus propice au délaminage apparent (Bérubé, 2012; Hintze, Hartmann et Schutte, 2011). Des fibres de carbone peuvent rester non coupées à la surface détourée telle qu’illustrée à la Figure 1.2 b). Lors de détourage, elles sont présentes surtout lorsque l’outil sort de la matière par un dégagement (Bérubé, 2012). Une image d’un microscope à balayage électronique des travaux de Bérubé présente un exemple d’arrachement de matière d’une surface détourée à la Figure 1.2 d).

Délamination de surface lors de détourage et de détourage

Pour éviter toute ambiguïté, il est important de départir deux types d’angle pour observer l’occurrence et la propagation de la délamination en détourage, (Hintze, Hartmann et Schutte, 2011). L’angle entre les fibres d’un pli unidirectionnel et la direction d’avance de l’outil est présenté à la Figure 1.6a. L’angle entre les fibres d’un pli unidirectionnel et la normale au rayon de l’outil est nommé angle de coupe des fibres par Hintze et coll. à la Figure 1.6b,c. Cette différence permet de visualiser la délamination de surface en fonction de l’angle de coupe à la suite d’essais expérimentaux de détourage. L’angle de coupe est variable entre la surface détourée en opposition et en avalant lors du détourage d’un pli unidirectionnel de surface tel qu’illustré à la Figure 1.6c. Hintze et coll. ont effectué des rainurages de stratifiés unidirectionnels avec un arrêt en matière pour caractériser la délamination de 4 orientations de pli unidirectionnel, Figure 1.7. Ils ont utilisé un outil PCD à deux flutes dont le rayon de coupe est de 90 μm pour visualiser la délamination. Ils ont observé un intervalle critique de l’angle de coupe de 90° ≤ ? ≤ 180° pour l’occurrence de délamination de surface. Karpat et coll. ont aussi observé expérimentalement que la force tangentielle maximale était positionnée à l’intérieur de cet intervalle critique de l’angle de coupe (Karpat, Bahtiyar et Değer, 2012). L’occurrence de délamination et la longueur des fibres non coupées (FNC) sont influencées par la largeur de passe lors de détourage à la Figure 1.8. La délamination est présente pour une largeur de passe à l’intérieur de l’intervalle critique de l’angle de coupe. La longueur de fibres non coupées est limitée à la largeur ?????° . Cette largeur correspond à un angle de coupe de 0°/180°, qui implique un changement du mécanisme de rupture des fibres (Ramulu, 1997).

L’influence de la redondance cinématique du robot sur la qualité

Le robot KUKA KR270-2 utilisé par Dumas et coll. pour expérimenter l’influence de la redondance cinématique sur la qualité de détourage possède six degrés de liberté (DDL). L’opération de détourage utilise seulement cinq degrés de liberté puisque l’angle de rotation ? de la broche autour de l’axe de l’outil n’est pas fixé à la Figure 1.16. Ainsi, l’opération de détourage demande moins de degrés de liberté que le robot en possède, donc il est redondant de tâche (Conkur et Buckingham, 1997). La redondance est caractérisée par l’angle de rotation de la broche par rapport à l’axe de l’outil pour ces essais. Deux pièces sont détourées en ligne droite sur un côté de 16 mm, comme à la Figure 1.15, avec deux différentes configurations des axes. Cependant, la position et l’orientation de la pièce dans l’espace du robot et les conditions de coupe sont identiques. Selon (Dumas et al., 2011c), l’interface de l’extension Robotmaster du logiciel Mastercam produit de CNC Software Inc., permet de simplifier la sélection de l’angle de rotation ?? lors de la programmation d’une trajectoire à détourer en fonction des limites de chaque axe du robot. Dumas et coll. ont enrichi l’interface de cette extension logicielle sous la forme d’isocontours de la déviation de l’outil lors du détourage, en tenant compte d’un effort de coupe constant pour toute la trajectoire. Ainsi, la Figure 1.17 représente la ligne blanche supérieure et la ligne noire inférieure indiquant respectivement la meilleure configuration d’axes et la pire. L’abscisse représente les coordonnées de la trajectoire discrète et l’ordonnée représente l’angle de rotation ??. Une pièce est détourée avec le suivi de la courbe blanche et l’autre avec le suivi de la courbe noire.

Description de la cellule robotisée et du gabarit d’usinage Le robot sériel KUKA KR 500-2 MT à 6 axes est installé sur un axe linéaire « E1 » et manipule une broche HSD Mechatronic ES 789 de 24 000 tours par minute maximum, Figure 2.2. Le robot possède une capacité nominale admissible de 500 kg et est programmé à l’aide du logiciel CAD/CAM Robotmaster. Le gabarit d’usinage comporte deux plaques d’alliage d’aluminium pour fixer les échantillons de CFRP à la table dynamométrique KISTLER 9255B, Figure 2.3. L’assemblage du gabarit d’usinage et de la table de force est installé sur le positionneur de 2 axes KUKA DKP-400 situé dans l’espace de travail du robot, Figure 2.2. L’axe linéaire qui supporte le robot et les axes du positionneur sont statiques lors des rainurages. La cellule robotisée et le gabarit sont utilisés pour tous les plans expérimentaux à l’exception des opérations OP10P2 et OP20P2 effectuées sur centre d’usinage. Les opérations OP10P2 et OP20P2 utilisent le même gabarit d’usinage. Cependant, elles utilisent une autre table dynamométrique de même modèle. La table KISTLER 9255B possède une gamme d’acquisitions selon le plan XY de plus ou moins 20 kN et selon l’axe Z de -10 à 40 kN. La fréquence propre de la table dynamométrique est d’environ 3 kHz. Les spécifications de la table dynamométrique KISTLER 9255B sont disponibles à l’ANNEXE I. Les spécifications du robot KUKA KR 500-2MT sont disponibles à l’ANNEXE II. Les spécifications du positionneur 2 axes DKP-400 sont disponibles à l’ANNEXE III. Les spécifications de la broche HSD MECHATRONIC ES789 sont disponibles à l’ANNEXE IV.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE LITTÉRAIRE
1.1 La qualité de détourage de stratifiés de composites carbone/époxy (CFRP)
1.1.1 L’occurrence et la propagation de la délamination de surface
1.2 La qualité de détourage d’un robot sériel à six articulations rotatives
1.2.1 La rigidité de robot sériel pour le détourage
1.2.2 L’influence de la position de la tâche à détourer sur la qualité
1.2.3 L’influence de la redondance cinématique du robot sur la qualité
1.2.4 Méthodologies d’optimisation de la qualité de l’usinage de robot sériel
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Introduction
2.2 Méthodologie expérimentale pour évaluer la qualité de détourage robotisé
2.2.1 Description de l’outil à détourer
2.2.2 Description de la cellule robotisée et du gabarit d’usinage
2.2.3 Réponses observées pour tous les plans expérimentaux avec la cellule robotisée
2.2.4 Description des configurations robot CR10 et CR20
2.2.5 Sommaire des opérations de rainurage réalisées
2.2.6 Identification des échantillons de CFRP détourés et de leurs conditions de coupe
2.2.7 Plans expérimentaux de rainurages OP10P1 et OP20P1
2.2.8 Plans expérimentaux de rainurages OP10P4 et OP20P4
2.2.9 Plan expérimental OP30P3
2.2.10 Plans expérimentaux OP50P5 et OP50P6
2.3 Expérimentation pour évaluer la qualité de rainurage de stratifié CFRP sur centre d’usinage numérique
2.3.1 Plans expérimentaux de rainurages OP10P2 et OP20P2 sur centre d’usinage numérique
CHAPITRE 3 TRAITEMENT DE RÉSULTATS
3.1 Forces de coupe orthogonales
3.1.1 Efforts de coupe pour l’opération OP10P1 45° CR10 Y
3.1.2 Efforts de coupe pour l’opération OP20P1 -45° CR20 X
3.1.3 Efforts de coupe pour l’opération sur centre d’usinage OP10P2 -45°
3.1.4 Efforts de coupe pour l’opération sur centre d’usinage OP20P2 45°
3.1.5 Efforts de coupe pour l’opération OP10P4 45° CR10 Y
3.1.6 Efforts de coupe pour l’opération OP20P4 -45° CR20 X
3.1.7 Efforts de coupe pour l’opération OP30P3 45° CR20 X
3.1.8 Efforts de coupe pour l’opération OP30P3 -45° CR20 X
3.1.9 Efforts de coupe pour l’opération OP50P5 45° CR10 Y
3.1.10 Efforts de coupe pour l’opération OP50P5 -45° CR10 X
3.1.11 Efforts de coupe pour l’opération OP50P5 -45° CR20 X
3.1.12 Efforts de coupe pour l’opération OP50P5 45° CR20 Y
3.1.13 Efforts de coupe pour l’opération OP50P6 -45° CR10 Y
3.1.14 Efforts de coupe pour l’opération OP50P6 45° CR10 X
3.1.15 Efforts de coupe pour l’opération OP50P6 45° CR20 X
3.1.16 Efforts de coupe pour l’opération OP50P6 -45° CR20 Y
3.1.17 Conclusion
3.2 Rugosité longitudinale de stratifiés rainurés
3.2.1 Vérification de la répétitivité de mesure de la rugosité longitudinale
3.2.2 Rugosité de stratifié rainuré des opérations OP10P1, OP20P1 et OP10P2
3.2.3 Rugosité de plis à -45° et 45° des opérations OP10P1 et OP10P2
3.2.4 Conclusion
3.3 Délamination de surface de stratifiés rainurés
3.3.1 Délaminations de l’opération OP10P1 45° CR10 Y
3.3.2 Délaminations de l’opération OP20P1 -45° CR20 X
3.3.3 Délaminations de l’opération OP10P2 -45° sur centre d’usinage
3.3.4 Délaminations de l’opération OP20P2 45° sur centre d’usinage
3.3.5 Délaminations de l’opération OP10P4 45° CR10 Y
3.3.6 Délaminations de l’opération OP20P4 -45° CR20 X
3.3.7 Délaminations de l’opération OP30P3 45° CR20 X
3.3.8 Délaminations de l’opération OP30P3 -45° CR20 X
3.3.9 Délaminations de l’opération OP50P5 45° CR10 Y
3.3.10 Délaminations de l’opération OP50P5 -45° CR10 X
3.3.11 Délaminations de l’opération OP50P5 -45° CR20 X
3.3.12 Délaminations de l’opération OP50P5 45° CR20 Y
3.3.13 Délaminations de l’opération OP50P6 -45° CR10 Y
3.3.14 Délaminations de l’opération OP50P6 45° CR10 X
3.3.15 Délaminations de l’opération OP50P6 45° CR20 X
3.3.16 Délaminations de l’opération OP50P6 -45° CR20 Y
3.3.18 Conclusion générale
CHAPITRE 4 ANALYSE DE RÉSULTATS ET DISCUSSION
4.1 Identification de l’influence des facteurs sur les efforts de coupe moyens
4.1.1 L’influence de la vitesse d’avance et de coupe sur les efforts de coupe moyens
4.1.2 Influence de la configuration du robot et de la direction de rainurage robotisée sur les efforts normaux moyens des opérations des plaques P5 et P6
4.1.3 Conclusion
4.2 Identification de l’influence des conditions de coupe sur les critères de rugosité Ra et Rt
4.2.1 Influence de conditions de coupe sur la rugosité Ra et Rt pour un pli orienté à -45° des opérations OP10P1 CR10 robotisées et OP10P2 sur centre d’usinage
4.2.2 Influence des conditions de coupe sur Ra et Rt pour un pli orienté à 45° de l’opération OP10P1 CR10 robotisée et OP10P2 sur centre d’usinage
4.2.3 Conclusion
4.3 Identification de l’influence des conditions de coupe sur la délamination de surface
4.3.1 Comparaison de la présence et de la longueur moyenne de la délamination de surface entre les opérations
4.3.2 Influence de la vitesse d’avance et de coupe sur la longueur moyenne des FNC en avalant de l’OP10P4 45° CR10 Y
4.3.3 Influence de la vitesse d’avance sur la longueur moyenne de l’ARM en opposition de l’OP20P1 -45° CR20 X, l’OP20P4 -45° CR20 X et l’OP10P2 -45°
4.3.4 Influence de la vitesse d’avance sur la longueur moyenne de l’ARM des plaques P3, P5 et P6 avec un pli de surface orienté à -45°
4.3.5 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I SPÉCIFICATIONS DE LA TABLE DYNAMOMÉTRIQUE KISTLER 9255B
ANNEXE II SPÉCIFICATIONS DU ROBOT KUKA KR 500-2 MT
ANNEXE III SPÉCIFICATIONS DU POSITIONNEUR 2 AXES KUKA DKP-400
ANNEXE IV SPÉCIFICATIONS DE LA BROCHE HSD MECHATRONIC ES789
ANNEXE V ARTICLES EN COURS DE PUBLICATION PRÉSENTANT LES
RÉSULTATS DE CE MÉMOIRE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES