Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le contexte de l’identification de l’influence des paramètres de coupe et géométries d’outil sur l’usinabilité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V sous deux états cristallographiques : alpha\beta et beta et s’insèrent dans le projet TiMaS, en partenariat avec Airbus et Figeac Aéro. La première partie consiste donc en une identification des différents critères d’usinabilité considérés dans la bibliographie pour l’usinage des titanes et la modélisation des actions thermomécaniques régissant la coupe. Dans une deuxième partie, l’usinabilité des deux matériaux a été étudiée pour deux outils coupants, utilisés par les industriels, constituant ainsi nos deux couples outil matière. Aussi, suivant la démarche du Couple Outil-Matière (COM) un espace de fonctionnement des conditions de coupe a été défini pour les deux couples considérés, afin de déterminer les paramètres de coupe garantissant une amélioration de la productivité. Les efforts de coupe, ainsi que la durée de vie des outils ont de ce fait été sélectionnés comme critère d’usinabilité. Egalement, l’observation de la morphologie des copeaux et de leur état de déformation a permis de voir les singularités de comportement existantes entre les deux microstructures. Ces singularités ayant un impact sur la géométrie même du copeau et les actions thermomécaniques exercées par ce dernier sur les outils coupants, dans la troisième partie, des essais de coupe orthogonale (pour les deux matériaux) ont été effectués afin d’évaluer l’impact des géométries d’outil, des conditions de coupe et de la microstructure du matériau sur la thermomécanique de la coupe et les longueurs de contact entre la face de coupe des outils coupant et le copeau. La visualisation de l’écoulement du copeau par caméras rapides a permis de constater une certaine variabilité des longueurs de contact, influencée en partie par les paramètres de coupe et majoritairement par l’état cristallographique du matériau. L’analyse EDX des faces de coupe des outils coupant a montré que cette variabilité a une influence marquée sur l’usure en diffusion des plaquettes. Enfin, dans une dernière partie, un dernier critère d’usinabilité est étudié, reposant sur l’analyse des contraintes résiduelles générées par la coupe en surface de la pièce usinée. En se basant sur les essais de coupe orthogonale réalisés dans la partie précédente, une modélisation numérique basée sur un couplage thermomécanique faible a été développée afin de déterminer l’effet des conditions de coupe et des géométries d’outil sur les actions thermomécaniques et donc la génération de contraintes résiduelles, pour le cas du matériau à structure cristallographique bimodale. Les résultats de la modélisation ont ensuite étés comparés à des mesures de diffractométrie à rayons X effectués sur les pièces. / The work presented in this thesis aims to identify the influence of cutting conditions and tool geometries on Ti-6Al-4V alloy’s machinability under two microstructural states: alpha\beta and beta. This thesis takes part into the TiMaS project involving collaboration with Airbus and Figeac Aero. In a first part, we have identified machinability criteria usually considered for titanium alloys. Also, models describing thermomechanical actions occurring during cutting process are explored. In a second part, the two materials’ machinability has been studied for two cutting tools used by the industrials. Following the Tool Material Pair method, an operating space has been defined for the considered pairs. Then, cutting conditions leading to an increase of productivity have been obtained. Cutting forces as well as tool lives have been chosen has machinability criteria. Moreover, observations of chips and their states of deformation highlighted some behavior singularities between the two materials. These singularities have an impact on chip geometries and thermomechanical actions applied on cutting tools. Thus, in a third part, orthogonal cutting tests have been done in order to evaluate the effect of cutting conditions, tool geometries and microstructural state of the work material on thermomechanical actions of the cutting process and on tool chip contact lengths. Observations made on the chip flowing, with high speed cameras, have shown a variability of these contacts, mostly due to the microstructural state of the material. EDX measurements made on tools’ rake face allowed linking these variabilities to diffusion wear. In the last part, residual stresses induced by cutting process on the finished surface has been taken as the last machinability criterion for this study. Using orthogonal cutting test datas from the previous part, a numerical modeling using a low thermomechanical coupling has been carried out in order to understand cutting condition and geometry effects on residual stress generation. Modeling results have been confronted to residual stress measurements made with X-ray diffraction method on finished surface.

Le procédé de brochage est aujourd’hui, et depuis plus de cinquante ans, le procédé le plus utilisé par les motoristes aéronautiques pour usiner les alvéoles pied de sapin des disques de turbine. Les travaux présentés dans cette thèse visent à améliorer la compréhension du procédé de brochage dans le but d’améliorer la performance de ce procédé. Ils sont décomposés en quatre étapes, une étude sur la coupe de l’Udimet 720®, la modélisation des broches pied de sapin et des efforts de coupe, une étude expérimentale du brochage des alvéoles pied de sapin et finalement une proposition de surveillance de ce procédé. Une étude de la coupe en brochage de l’Udimet 720® est réalisée pour pallier le manque d’études actuel sur ce superalliage et développer des lois de coupe pour la simulation des efforts. La simulation permet d’associer à chaque partie discrétisée de chaque dent de la broche des efforts spécifiques en fonction des différents paramètres d’usinage. Les essais de brochage d’alvéole pied de sapin instrumentés ont servi à vérifier la pertinence de la simulation et à proposer, à partir de cette dernière, des choix de conception visant à améliorer la performance du procédé. La surveillance en usinage propose une stratégie visant à détecter différentes anomalies d’usinage pour limiter le risque de rebut de pièces à fortes valeurs ajoutées. / From more than fifty years ago, the broaching process is what the aeronautic engine manufacturers use the most to machine turbine disc fir-tree slots. The aim of this thesis is to improve the understanding of the broaching process in order to optimize the efficiency of this process. This study is divided into four steps: a study of Udimet 720® machinability, the modelization of fir-tree slot broaches and of cutting forces, an experimental study of fir-tree slots broaching and finally, a proposed method of process monitoring. A study of Udimet 720® machinability is made to fill the lack of current studies about this superalloy and to develop cutting forces model for the modelization of the broaching process. Modelization allows the association of specific forces to each discretized broach tooth according to various machining parameters. Fir tree slots broaching trials were used to check the accuracy of modelization and to suggest, according to the latter, conception choices aiming at improving the efficiency of the process. Process monitoring, in the broaching field, offers a strategy which purpose is to detect various machining disturbances and to limit the risk of rejected parts with high added value.

L’usinage tient une place considérable dans l’industrie, c’est un des procédés les plus répandu. A ce titre, la maitrise du procédé de fraisage, notamment lors d’une opération de finition, est devenu un enjeu majeur dans le secteur industriel. La compréhension des phénomènes physiques présents lors d’un usinage de finition est un facteur important pour l’optimisation d’un procédé de fabrication par enlèvement de matière.Afin de déterminer les paramètres influents lors d’un usinage de finition, notamment lors d’un fraisage de profil, une nouvelle méthodologie expérimentale sera développée. Ces travaux vont s’articuler autour de trois activités principales :- La mise en place d’une instrumentation capable de recueillir une image des efforts de coupe. Ce dispositif expérimental devra être équipé de capteurs et d’une chaine d’acquisition pour acquérir les composantes des efforts selon les directions x et y.- Le développement d’un nouveau dispositif passe par une étape qualification dans laquelle une série de tests permettra d’établir la capabilité du montage.- Cette étude expérimentale s’accompagne d’une campagne d’essais permettant de définir les paramètres les plus influents lors d’un fraisage de profil de finition. / Machining holds an important place in the industry, this is one the most common process. As thus, mastering the milling process, especially during a finishing operation, has become a major issue in the insdustrial sector. Understanding the physical phenomena present in a finishing machining is an important factor for the optimization of a manufacturing process by removing material.In order to determine the most important factors during a finishing machining, in particular during a profile milling, a new experimental methodology will be developed. This work will focus on three main activities :- The introduction of instrumentation capable of collecting an image cutting forces. This experimental device must be equipped with sensors and an acquisition channel to acquire the components of the forces in the x and y directions.- The development of a new device going through a stage qualification in which a series of tests will establish the capability of experimental device.- This experimental study is accompanied by a series of tests to define the most important parameters in a finishing profile milling

Le travail de recherche réalisé dans le cadre de cette thèse introduit une nouvelle approche thermomécanique pour la modélisation du procédé de taillage à la fraise-mère et la maitrise de la précision géométrique et la qualité des pièces fabriquées. Le processus de coupe de la génération des dentures des couronnes de grandes dimensions a été simulé pour la prédiction des efforts de coupe. Le calcul de ces efforts s’est basé sur trois phases : une phase de simulation de l’'intersection géométrique entre l'outil et la pièce moyennant une simulation de la cinématique du procédé par le logiciel CATIA, une phase de simulation numérique ALE (Approche Eulérienne-Lagrangienne) 2D de la coupe orthogonale, et une dernière phase dite ‘simulation mécanistique’ qui utilise les résultats des deux premières phases pour la prédiction des efforts de coupe. La présente approche conduit à un modèle de prédiction des efforts de coupe 3D pour le processus de taillage et apparaît comme une alternative intéressante à l'approche classique de la littérature qui nécessite beaucoup d’essais expérimentaux pour déterminer les coefficients spécifiques de coupe caractéristique du matériau usiné. Nous avons également proposé une approche prédictive basée sur une modélisation analytique de l’interaction arête-copeau lors d’une opération de taillage en finition. La démarche proposée présente l'intérêt de s'affranchir des essais d'usinage, souvent longs et couteux, dans le cas de cette opération complexe (gabarit et géométrie des pièces, cinématique, formation de copeau, etc.). Enfin, le modèle proposé a été appliqué pour analyser le taillage des grandes couronnes (plusieurs mètres) en phase de finition / This work introduces a novel approach for a predictive model for hobbing process in order to improve the geometrical accuracy and quality of the manufactured part. An industrial case study of the generation of the teeth was simulated for prediction of effort. The calculation of the cutting forces is based on several steps: tool/part intersection step by means of a kinematic simulation of the process by CATIA, 2D numerical simulation of the process of the orthogonal cutting and finally the last step called ‘mechanistic simulation’ which uses the results of the other two steps for the prediction of cutting forces. This approach leads to model the 3D cutting force for hobbing process and appears as an interesting alternative to traditional mechanistic approach which requires a lot of experimental tests to determine the cutting force coefficients. Besides, we have proposed a predictive approach based on an analytical modeling of chip formation in finishing hobbing operation. The interest of the suggested approach is to be able to avoid machining tests in the case of this very complicated operation (huge dimensional parts, kinematic, chip formation process, etc...). Finally, the proposed model was applied to analyze the hobbing of larges parts (several meters) during finishing stage

The dissertation is focused on the optimization of technological processes in the production of the outer bearing ring. The first part of the research was focused on the latest trends in the production of bearings. In the experimental part the technological processes of production were analyzed from the choice of the semi-finished product to the optimization of finishing technologies for machining the outer diameter of the bearing ring.

Cutting forces problems analyses during milling operation, description of experimental machinery for measuring cutting forces. Characteristic of composite materials, their properties, production and usage. Evaluation of experimentally measured values of cutting forces during cylindrical conventional milling. Technical economic evaluation.

This thesis is focused on ceramics materials in terms of their partition, properties, structure, manufacture and methods of their possible machining. The first part of this thesis is devoted to the distribution of ceramics materials, their structure, properties, and methods of production. Currently, ceramics materials are increasingly used in structural (engineering) applications therefore we deal with methods of effective machining of ceramic materials, to achieve part of the required shape, dimensions and surface quality. The evaluation of ceramic grinding test from the point of view of cutting forces and surface quality of the machined faces are presented in the last part of the thesis. The tested materials have been provided by company SEEIF Ceramics a.s.

In the diploma thesis dividing of ceramic materials is made, their bonds and other attributions, which define ceramic materials. There is also described how ceramic materials are manufactured and the thesis is including information about machining ceramic materials. In the experimental part sample of ceramic material R-S67K was machined by milling. During the experiment cutting forces were measured and roughness of surface after finishing, these data were finally evaluated.

The objectives for this dissertation are to push forward the current state of knowledge in the area of machining fiber-reinforced plastic (FRP). The most common machining operation performed on these materials is drilling owing to the need for component assembly in mechanical pieces and structures. Among the defects caused by drilling, delamination appears as to be of the most critical and may occur at both the entrance and exit plane. A number of theoretical and experimental studies have been made to create an analytical model of delamination in composite laminates. In this dissertation, the critical thrust force (force which initiates the delamination) is predicted using linear elastic fracture mechanics - assuming Mode I. Delamination is investigated by studying the evolution of feed force and torque applied by the tool on the workpiece. A four components piezoelectric dynamometer KISTLER 9272 with special PC-software is used for measuring and evaluating of torque and cutting forces, when drilling two different composite materials: carbon/epoxy laminate fabricated by hand lay-up technique and glass/polyester composite made by pultrusion. Wear mechanisms and location of the wear on the tool are also investigated (with respect to cutting material). The tool wear is measured with help of a common workshop microscope and recorded with scanning electron microscope PHILIPS XL30. Drilling experiments are performed to give complex technical information (i.e. cutting conditions, tool geometry, tool wear and so on) which enables efficient machining of composite materials. Delamination-free drilling is given special emphasis in the experiments. Methods of statistical analysis (DOE) are used to determine which factors have the most influence on delamination.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte de la modélisation et la compréhension des phénomènes liés à l'usinage du Ti5553. L'objectif des travaux est de lever certains verrous scientifiques et d'améliorer les connaissances sur l'usinage de ce matériau afin de proposer des conditions de coupe et d'engagement optimales à l'entreprise Messier-Dowty. Nous avons identifié plusieurs modèles nous permettant de décrire au mieux le processus de coupe en tournage et en fraisage. Au niveau de l'usure des outils et des possibilités d'amélioration de l'usinabilité de l'usinage du Ti5553, l'ensemble des travaux a montré un manque d'informations dû à la rareté du matériau. Pour définir les constantes de la loi de Johnson-Cook et de fait caractériser le matériau, notre démarche s'est focalisée vers le développement d'une méthode basée sur des essais d'usinage et des essais de traction permettant ainsi d'obtenir une loi ajustée à l'usinage du Ti5553. La loi de comportement a ensuite été utilisée dans les modélisations d'efforts de coupe en tournage et en fraisage avec pour objectif de modéliser l'ensemble de la gamme des outils employés par l'entreprise Messier-Dowty (formes, géométries de coupe. . .). Ces modèles nous ont ensuite permis de mettre en avant les difficultés liées à l'usinage du Ti5553 et de proposer des conditions de coupe et d'engagement adaptées. La troisième partie est consacrée à l'analyse des phénomènes d'usure des outils coupants où les différents modes de dégradation en tournage et en fraisage ont été identifiés. Leurs relations avec le processus de coupe ont été définies afin de proposer un critère d'évaluation de l'usure des outils. Une partie de cette étude est également consacrée à l'identification de l'influence des conditions d'engagement, des géométries de coupe, des conditions de coupe sur l'usure. Le dernier chapitre concerne la valorisation industrielle où nous présentons les applications et les extrapolations de nos travaux dans le contexte industriel. Nous avons également testé l'augmentation de la température qui constitue une des pistes d'amélioration de l'usinabilité mais sans résultat probant. Enfin, nous avons abordé la problématique de la surveillance d'usinage où nous avons mis en avant les difficultés liées aux particularités du processus de coupe. / The work presented in this thesis fits the context of modeling and understanding of phenomena related of Ti5553 machining. The goal is to improve knowledge about material to provide optimal cutting conditions, optimal engagement and cutting geometry. We have identified several models allowing to describe the cutting process in tunining and milling. In terms of tool wear and usinability improvement in Ti5553 machining all studies showed a lack of information. Our approach focused towards in developing an alternative method to define the Johnson-Cook law constants based on machining tests and tensile tests to obtain the constitutive law adjusted to Ti5553 machining. The constitutive law was used cutting forces modeling for turning and milling involving the full range of tools used by the company (shapes, cutting geometries...). These models were allowed us the highlights the machining difficulties and propose suitable conditions. The third part focused on wear cutting tools mechanisms analysis where the differents degradation stage in turning and milling have been defined. Their relationships with the cutting process has been identified in order to propose a criterion of wear evolution. Part of this study is to identify the effect of engagement, cutting geometries and cutting conditions on tool wear. The last part concerns the industrial development where we present our work applications and extrapolations in our industrial context. We also tested one of the prospects of machinability improving (increase temperature) but without result. Finally, we addressed the problem of process monitoring on Ti5553 machining where we highlighted the difficulties related to the specifics on cutting process.