Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de l'ingénieur : Mécanique des matériaux : Metz : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de l'ingénieur : Mécanique - Productique : Metz : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie mécanique : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 158 réf.

Th. doct.-ing.--Rennes 1, 1977. N°: 59.

Les travaux de recherche menés dans cette thèse représentent une méthodologie de travail pour contribuer à l’étude du comportement dynamique non linéaire du système M – O – P en fraisage. Cette méthodologie est orientée selon les objectifs principaux relatifs à cette thèse. En effet, la recherche bibliographique réalisée a permis de donner un aperçu sur les travaux existants dans ce cadre et d’identifier les phénomènes vibratoires générés par la dynamique de coupe et les mécanismes d’instabilité mis enjeu. En fait, le processus de coupe génère, selon le cas, deux formes de vibrations : les vibrations forcées et les vibrations auto – entretenues. Dans une première approche, nous avons développé un modèle masse – ressort (à deux degrés de liberté) du système O – P pour étudier et analyser le comportement dynamique de la cellule élémentaire en fraisage. Ce modèle a permis d’examiner l’influence de la profondeur de passe sur la stabilité de la coupe. Cependant, ce modèle semble être insuffisant pour quantifier avec précision les vibrations en fraisage car les sources vibratoires générées par la dynamique de la machine ne peuvent être négligées. Dans une deuxième approche, nous avons modélisé le système globale Machine - Outil - Pièce. En effet, un modèle numérique basé sur la méthode de sous-structuration par éléments finis de l’ensemble M – O – P a été développé. Cette modélisation permet de tenir compte de l’effet de l’inertie des différents éléments tournants de la fraiseuse, de la structure de la machine et de la forme de l’outil. Nous avons ainsi réalisé des simulations du comportement dynamique global de l’opération du fraisage. L’influence de différents paramètres sur l’effort de coupe tels que l’avance, la profondeur de passe, les réponses dynamiques suivant les trois axes a été étudié. Cette étude a permis de conclure que ces paramètres sont fortement affectés par l’usinage. Pour compléter cette étude numérique, une étude expérimentale a été menée afin d’étudier l’influence de différents paramètres de coupe. En effet, la méthodologie expérimentale développée a mis en évidence les paramètres les plus importants qui influent sur le comportement dynamique globale du système M – O – P. Cette étude expérimentale a nécessité le développement d’un plan d’expérience complet pour pouvoir définir les paramètres d’entrées/sorties et organiser les essais à effectuer. L’analyse des résultats a permis de détecter l’influence de l’avance et de la profondeur de passe sur le niveau des vibrations générées. Le bilan de ces résultats a mis le point sur les niveaux extrêmes des variables provoquant le niveau vibratoire le plus élevé. De plus une confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques a été effectuée et a montré une bonne concordance. / The research led in this thesis represents a methodology to contribute to the study of nonlinear dynamic behavior of the system M - O - P in milling. This methodology is directed according to the main objectives relative to this thesis. Indeed, the literature allows giving an overview of the existing work in this context and identifies the vibration phenomena generated by the dynamics of cutting mechanisms and the instability of the involved set cut. In fact, the cutting process generates, as applicable, two types of vibration: forced vibration and self – excited vibration. In a first approach, we developed a model mass - spring (with two degrees of freedom) of the system O - P to study and analyze the dynamic behavior of the elementary machining cell in milling. This model was used to examine the influence of the depth of cut on the stability of the cut. However, this model appears to be insufficient to accurately quantify the vibrations in milling because the sources vibration generated by the dynamics of the machine cannot be neglected. In a second approach, we modeled the overall system Machine - Tool - Part; indeed, a numerical model based on the substructure method by finite element of the M - O - P was developed. This modeling takes into account the effect of inertia of the various rotating elements of the milling machine, the machine structure and shape of the tool. We have conducted simulations of the dynamic behavior of the overall operation of milling. The influence of different parameters on the cutting force such as advance, the depth of cut, and the dynamic responses along the three axes was investigated. This study concluded that these parameters are strongly affected by machining. To complement this numerical study, an experimental study was conducted to study the influence of different cutting parameters. Indeed, the experimental methodology developed has highlighted the most important parameters that influence the overall dynamic behavior of the system M - O - P. This experimental study required the development of an experimental complete to define the parameters of Input / Output and arrange to be tested. The analysis of the results allowed detecting the influence of feed and depth of cut on the level of vibration generated. The outcome of these results put the item on the extreme levels of variables causing the vibration level is higher. Over a confrontation between the experimental and numerical results was performed and showed a good agreement.

Les travaux de recherche menés dans cette thèse représentent une méthodologie de travail pour contribuer à l'étude du comportement dynamique non linéaire du système M - O - P en fraisage. Cette méthodologie est orientée selon les objectifs principaux relatifs à cette thèse. En effet, la recherche bibliographique réalisée a permis de donner un aperçu sur les travaux existants dans ce cadre et d'identifier les phénomènes vibratoires générés par la dynamique de coupe et les mécanismes d'instabilité mis enjeu. En fait, le processus de coupe génère, selon le cas, deux formes de vibrations : les vibrations forcées et les vibrations auto - entretenues. Dans une première approche, nous avons développé un modèle masse - ressort (à deux degrés de liberté) du système O - P pour étudier et analyser le comportement dynamique de la cellule élémentaire en fraisage. Ce modèle a permis d'examiner l'influence de la profondeur de passe sur la stabilité de la coupe. Cependant, ce modèle semble être insuffisant pour quantifier avec précision les vibrations en fraisage car les sources vibratoires générées par la dynamique de la machine ne peuvent être négligées. Dans une deuxième approche, nous avons modélisé le système globale Machine - Outil - Pièce. En effet, un modèle numérique basé sur la méthode de sous-structuration par éléments finis de l'ensemble M - O - P a été développé. Cette modélisation permet de tenir compte de l'effet de l'inertie des différents éléments tournants de la fraiseuse, de la structure de la machine et de la forme de l'outil. Nous avons ainsi réalisé des simulations du comportement dynamique global de l'opération du fraisage. L'influence de différents paramètres sur l'effort de coupe tels que l'avance, la profondeur de passe, les réponses dynamiques suivant les trois axes a été étudié. Cette étude a permis de conclure que ces paramètres sont fortement affectés par l'usinage. Pour compléter cette étude numérique, une étude expérimentale a été menée afin d'étudier l'influence de différents paramètres de coupe. En effet, la méthodologie expérimentale développée a mis en évidence les paramètres les plus importants qui influent sur le comportement dynamique globale du système M - O - P. Cette étude expérimentale a nécessité le développement d'un plan d'expérience complet pour pouvoir définir les paramètres d'entrées/sorties et organiser les essais à effectuer. L'analyse des résultats a permis de détecter l'influence de l'avance et de la profondeur de passe sur le niveau des vibrations générées. Le bilan de ces résultats a mis le point sur les niveaux extrêmes des variables provoquant le niveau vibratoire le plus élevé. De plus une confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques a été effectuée et a montré une bonne concordance.

Les procédés de fabrication par enlèvement de copeaux sont incontournables pour obtenir des pièces complexes dans des tolérances serrées et de petites ou moyennes séries sans lourds investissements en outillages spécifiques. La productivité de l’usinage traditionnel reste relativement faible par rapport à d’autres procédés de fabrication. Le développement de techniques d’usinage à grande vitesse a permis d’améliorer cette productivité, mais les opérations à grande vitesse sont sensibles à des phénomènes d’instabilité vibratoires. Cette thèse de doctorat a pour but d’étudier, de développer et de valider des techniques de simulation numérique de l’usinage permettant de rechercher les conditions de coupe stables vis-à-vis des vibrations autoexcitées. Sa première partie synthétise l’étude bibliographique des méthodes de simulation de l’usinage. Elle met en évidence plusieurs familles de méthodes permettant de prédire la stabilité de l’usinage. Les méthodes de linéarisation qui permettent d’obtenir des diagrammes de stabilité de l’opération sont étudiées en détail pour servir de base de comparaison aux autres développements. La deuxième partie présente le développement d’un logiciel permettant d’effectuer la simulation dynamique de plusieurs types d’opérations de fraisage (fraisage en bout et en roulant). Ce logiciel permet d’obtenir l’évolution temporelle des efforts de coupe, des vibrations au cours de l’usinage et reconstitue l’état de surface de la pièce. Il permet également d’obtenir des diagrammes de stabilité basés sur des critères technologiques (effort de coupe maximum ou rugosité après usinage par exemple). Le développement de ce logiciel a nécessité la création d’algorithmes originaux permettant d’obtenir les paramètres d’entrée modélisant les efforts de coupe à partir de mesures expérimentales. La dernière partie compare les résultats obtenus par notre logiciel à deux sources de validations : des résultats issus de références bibliographiques et des essais expérimentaux menés dans le cadre de cette thèse. La validité de notre simulateur a pu être prouvée pour les cas de figures envisagés.

Résumé : Les principaux challenges de l’industrie du futur sont de satisfaire à toujours plus d’exigences en termes de développement durable, d’optimisation des coûts et des délais. Les secteurs industriels fabriquant des produits à haute valeur ajoutée tels que l’aéronautique et le spatial, sont dans une perspective continue d’amélioration des produits manufacturés et des procédés. L’emploi de matériaux tels que des alliages de titane ou les superalliages à base de nickel devient courant. Ils sont cependant « complexes à usiner ». Les difficultés comme l’usure prématurée des outils, les déformations de pièces ou encore les mauvaises qualités de surface deviennent problématiques. C’est dans cette perspective que l’assistance cryogénique en usinage peut répondre aux diverses problématiques. Cette technologie peut apporter les réponses aux exigences d’industrialisation : limitation des élévations de température, pas de nettoyage post-usinage et pas d’utilisation de fluides de coupe nocifs pour les opérateurs. Cela induit pourtant de nouvelles questions tel que l’acheminement du fluide cryogénique vers les zones souhaitées, l’optimisation du procédé ou encore l’impact du grand froid sur les outils et les pièces. De nouveaux verrous technologiques et scientifiques apparaissent. Cette thèse propose de les étudier. / Abstract: The main challenges facing the industry are to satisfy ever more demands in terms of sustainable development, optimization of costs and deadlines. The industrial sectors manufacturing products with high added value in aeronautics and space, are continously in a perspective of improvement the manufactured products and processes. The use of materials such as titanium alloys or nickel-based superalloys is common. Its are "complex to machine". Difficulties in the use of tools, parts deformations or poor surface qualities become problematic. It is in this perspective that the cryogenic assistance in machining can answer the various problems. This technology can provide answers to the industrialization requirements: limiting the rising temperature, no post-machining cleaning and no use of cutting fluids, harmful, for operators. This leads to new questions such as the routing of the cryogenic fluid to the desired zones, the optimization of the process or the impact of a cold fluid on the tools and the parts. New technological and scientific locks are emerging. This PhD thesis propose to study them.

L'objet des travaux de recherche porte sur l'étude et la modélisation des efforts de coupe en fraisage de matériaux durs. La connaissance des efforts de coupe, ainsi que leurs évolutions au cours du temps, sont des signatures utiles à l'optimisation et au suivi du procédé d'usinage. La prédiction de l'évolution temporelle des efforts de coupe peut permettre d'optimiser la géométrie des outils lors de leur conception, ou de mieux adapter les conditions de coupe et la machine utilisée à l'opération d'usinage envisagée; ceci dans le but de minimiser le niveau d'effort ou de le stabiliser, et ainsi d'éviter les pics d'efforts importants néfastes à la tenue de l'outil et aux capacités de la machine. La connaissance des efforts de coupe favoriserait également l'optimisation des trajectoires d'outils au sein d'un logiciel de FAO par exemple.Cette étude vise donc à améliorer la procédure de qualification d'un outil pour l'usinage d'un matériau donné, en considérant comme point de départ la géométrie locale de l'arête coupante, et en "remontant" ensuite à la géométrie globale de l'outil ou de la famille d'outils considérée. Cette méthode présente l'avantage de pouvoir être adaptée à toutes les formes globales d'outils, notamment dans le cas de fraises à géométrie complexe. Seule la définition de l'arête coupante doit être conservée pour appliquer la procédure à plusieurs outils de la même famille. Enfin, cette étude est rendue possible en Usinage Grande Vitesse par la mise au point d'un capteur dynamométrique à compensation inertielle permettant l'obtention de signaux de bonne qualité à haute fréquence.

La chirurgie assistée par ordinateur a amené une valeur ajoutée significative aux interventions médicales, en fournissant des outils de mesures permettant au chirurgien de quantifier et contrôler leurs gestes. En orthopédie et notamment pour la pose de prothèse totale de genou (PTG), la chirurgie assistée par ordinateur a réduit de manière significative les variations d'alignement et de position, paramètres directement corrélés aux échecs précoces nécessitant une chirurgie de reprise. <br />Les cliniciens restent néanmoins demandeurs d'une précision accrue et de possibilités additionnelles, qui semblent ne pouvoir être offertes que par de la robotique ou des ‘outils intelligents' couplés à de la navigation.<br />Dans ce travail, un nouvel outil robotique dédié au fraisage de l'os pour les chirurgies des PTG a été développé. Notre robot miniature, appelé PRAXITELES, est fixé directement sur l'os sur l'un des côté du genou, il positionne avec précision un guide de fraisage qui permet chirurgien de faire manuellement les coupes.<br />Le fraisage manuel est un acte difficile avec peu de stabilité, c'est pourquoi, un modèle prédictif a été formulé, et des tests ont été menés pour mieux le comprendre et pour l'améliorer. La physique de la coupe osseuse a d'abord été étudiée dans le cas le plus simple : coupe à grande vitesse orthogonale (2D) et oblique (3D). Les résultats ont ensuite été intégrés dans un modèle flexible pour la prédiction des forces de fraisage comme fonction des paramètres chirurgicaux. A partir de l'analyse des forces et de la stabilité, nous faisons des recommandations sur les techniques de fraisages les plus optimales et sur le choix des outils. Des résultats expérimentaux sur cadavre avec notre nouveau robot et avec ces techniques de fraisage sont très encourageants et nous espérons démarrer des essais cliniques dans un futurs proche.