Identification of influent factors on surface integrity in nickel-base superalloy drilling

For the critical rotating components in aeronautical industry, the metallurgical quality achieved after machining conditions could determine their mechanical behaviour in fatigue. To guarantee this quality, the tools, materials and cutting conditions are frozen during the validation process by a cutup part following by an acceptable surface integrity. Even with the fixed parameters, perturbations can occur during the process and may have a direct impact over the metallurgical quality through the apparition of anomalies, which could reduce the calculated fatigue life. The aim of this study is to define a Process Monitoring technique able to detect the thickness affected by the machining taking into account the flank wear effect

Proposition de stratégies de surveillance d’usinage en perçage de superalliage base nickel, application à l’usure de l’outil

Les travaux présentés dans cette thèse sont réalisés dans le cadre du projet européen ACCENT et s’inscrivent dans la problématique de l’utilisation de la surveillance d’usinage dans la fabrication des pièces critiques de moteurs aéronautiques. L’objectif est de définir une technique de surveillance de l’usure de l’outil dans l’usinage de l’alésage central d’un disque haute pression réalisé en superalliage à base nickel. Trois grandes étapes peuvent être identifiées dans notre démarche : l’identification des modes de dégradation dans le perçage de l’Udimet® 720 LI, la définition de relations entre les différents types d’usure et les grandeurs physiques mesurées et finalement, la proposition de stratégies de surveillance basées sur les résultats précédents. Afin de répondre aux objectifs, un protocole expérimental a été défini. Les campagnes expérimentales nous ont permis de caractériser l’usure du foret et de définir une cartographie des modes de dégradation en fonction de conditions de coupe testées. Par ailleurs, l’impact des perturbations d’usinage (coupure de lubrification, modification du pourcentage d’émulsion du lubrifiant, défaut de position de l’outil par rapport à l’avant-trou, etc.) a été étudié. La deuxième partie consiste à identifier les relations entre les modes de dégradation et les signaux de surveillance enregistrés (efforts, couple, puissance, vibrations, etc.). Pour cela, nous avons privilégié deux pistes : une explication directe de l’évolution des signaux par des phénomènes physiques et une approche selon « la base de données », pour développer des modèles d’usures par des critères statistiques extraits sur les signaux. Cette analyse a aussi permis la détection de certaines perturbations d’usinage en utilisant les grandeurs physiques mesurées. Il s’agit notamment d’un défaut d’excentration de l’outil dans le porte-outil et d’un problème d’évacuation de copeaux. La troisième étape porte sur la sensibilité des signaux afin de détecter l’ensemble des phénomènes et la définition des stratégies de surveillance pouvant être mises en œuvre. Pour chaque relation définie, nous avons déterminé une probabilité de détection. Ensuite, nous avons utilisé les signaux en parallèle afin d’accroitre la robustesse de la détection. Les taux de probabilité ont été améliorés, en se basant sur l’hypothèse d’indépendance des signaux (sans calculer les biais existants). Enfin, l’association de l’approche phénoménologique à l’approche dite « statistique » a permis d’augmenter la robustesse de la surveillance

Identification of tool failure modes in drilling Udimet® 720 superalloy

The ACCENT Project (FP7- AAT- 2007- RTD-1) will allow the European Aero Engine manufacturers to improve their competitiveness by applying adaptive control techniques to the manufacturing of their components. For the critical rotating parts of aircraft engines, the surface integrity generated after machining is a key factor on the life cycle. In this context, one particular attention has to be carried on tool condition. The aim of this paper is to identify the main failure modes characterizing this particular Nickel base drilling. By experimental techniques, cartography of failure modes was realized. The results show that flank wear and notching are the main failure modes limiting the tool life. For some cutting conditions, the tool failure arrives after the first hole due to the important cutting forces. Some interesting associations are made between the spindle current/accelerometers/ thrust force and flank wear, tool breakage and notching

Impact of disturbed drilling conditions on the surface integrity of a Nickel-base superalloy

Manufacturing critical parts for aerospace industry requires an important validation process to guarantee the quality of the produced components, and thus their fatigue life. Even with the best cutting conditions, disturbances can occur during the process and may have a direct impact on metallurgical quality. Through an experimental approach, this work presents the impact, during machining, of a lubricant interruption on the surface integrity and on the Process Monitoring signals. Finally a correlation between the thickness of the thermo-mechanically affected layer and the cutting power is made

Investigation of tool failure modes and machining disturbances using monitoring signals

The ACCENT Project (FP7- AAT- 2007- RTD-1) will allow the European Aero Engine manufacturers to improve their competitiveness by applying adaptive control techniques to the manufacturing of their components. For the critical rotating parts of aircraft engines, the surface integrity generated after machining is a key factor on the life cycle. In this context, one particular attention has to be carried out on tool condition. The aim of this paper is to define a monitoring approach able to detect the tool condition and machining disturbances. The main failure modes characterizing this particular Nickel base drilling and the apparition of embedded chips over the machined surface were identified. By experimental techniques, cartography of failure modes was performed. The results show that flank wear and notch are the main failure modes limiting the tool life. For some cutting conditions, the tool failure occurs after the first hole due to the important cutting forces. Some interesting combinations are made between the spindle current/accelerometers/ thrust force and flank wear, tool breakage and notch. Before these correlations, a detailed signal analysis was performed, considering different disturbing phenomena, such as chips evacuation problem. Finally, a “synopsis” for process monitoring is proposed, considering the analyzed phenomena