Influence of the drilling process on the surface integrity and the fatigue strength of AA2024-T351 drilled part

In aircraft structures, drilled holes are major critical areas from where fatigue damage can be initiated. Depending on the drilling parameters and process, manufacturers observe significant different fatigue strength of the drilled structures. This thesis aims to give elements for understanding this industrial problem, for the case of AA2024-T351 drilled parts. It deals with industrial drilling configurations and focus on two drilling processes: orbital drilling which offers many potential economic advantages and axial drilling which is the conventional drilling process. The objective of the study is to assess the impact of the drilling configuration on the fatigue strength of the drilled part, but also on surface integrity of the drilled hole. This has to enable to identify the surface integrity parameters controlling the fatigue strength and the major drilling process parameters driving the surface integrity. The first step of the work was to conduct fatigue tests to assess the fatigue performance of different drilling configurations. These revealed significant differences in fatigue life between some drilling configurations. The second step was to lead an experimental characterization of the surface integrity of the drilled holes. This was orientated by a finite element model predicting the material depth affected in the hole subsurface and new analysis methods (like the "HOCT") had to be considered for some aspects of the surface integrity due to the small depth affected. This campaign showed the dominating influence of the internal aspects of the surface integrity (strain hardening and residual stress) on the fatigue strength. Finally, the last step of the work aimed to study the impact of the drilling process parameters on the surface integrity. For this purpose, a finite element model of orthogonal cutting has been developed. The dominating influence of the tool geometry on the surface integrity has been shown.; Dans les structures aéronautiques, les trous percés constituent des zones critiques à partir desquelles des endommagements peuvent s'initier en fatigue. En fonction des paramètres et des procédés de perçage employés, les industriels constatent des différences significatives de tenue en fatigue des structures percées. Ces travaux de thèse visent à apporter des éléments de compréhension à cette problématique industrielle, pour le cas pièces percées en AA2024-T351. Ils portent sur l'étude de configurations de perçage industrielles et se focalisent sur deux procédés de perçage : le perçage orbital qui est un procédé présentant de nombreux avantages économiques potentiels et le perçage axial qui est le procédé de perçage conventionnel. L'objectif des travaux est d'évaluer l'impact de la configuration de perçage sur la tenue en fatigue de la pièce percée, mais aussi sur l'intégrité de surface du trou percé. Cela doit permettre d'identifier les paramètres de l'intégrité de surface pilotant la tenue en fatigue et les paramètres majeurs du procédé de perçage contrôlant l'intégrité de surface. La première étape des travaux a été de mener des essais de fatigue afin d'évaluer la performance en fatigue de différentes configurations de perçage. Ceux-ci ont révélé des écarts significatifs de durée de vie en fatigue entre certaines configurations de perçage. La seconde étape a consisté à caractériser expérimentalement l'intégrité de surface des trous percés. Celle-ci a été guidée par un modèle éléments finis prédictif de la profondeur de matériau affectée en sous-surface du trou et de nouvelles méthodes d'analyse (comme la "HOCT") ont dû être envisagées pour certains aspects de l'intégrité de surface dû à la faible profondeur affectée. Cette campagne a montré l'influence prépondérante des aspects internes de l'intégrité de surface (écrouissage et contraintes résiduelles) sur la tenue en fatigue. Enfin, la dernière étape des travaux visait à étudier l'impact des paramètres du procédé de perçage sur l'intégrité de surface. Pour cela, un modèle éléments finis de coupe orthogonale a été développé. L'influence prépondérante de la géométrie de l'outil sur l'intégrité de surface a été montrée.