Le procédé du micro-fraisage apporte de nombreux avantages pour la fabrication de pièces de petites dimensions. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les mécanismes physiques intervenant en micro-fraisage pour l'amélioration de la fabrication de produits miniaturisés. Plusieurs thématiques de recherche sont abordés afin d'améliorer la technologie de micro-usinage tant en terme de qualité que de productivité. Parmi ces thématiques, on peut citer le développement de micro-machines-outils, l'étude de l'influence de la microstructure des pièces, l'étude des trajectoires de l'extrémité de la micro-fraise, l'analyse numérique et analytique de la formation d'un copeau segmenté, la modélisation de la rugosité de la surface usinée, par exemple par réseau de neurones ou la conception de bancs d'essais. Certains résultats importants obtenus durant ce travail sont : 1. Les différences de phases métalliques dans un matériau polycristallin multiphase affectent beaucoup le processus de micro-fraisage, induisant des variations dans les efforts de coupe et influençant la qualité de la surface générée. 2. Pendant le processus de micro-fraisage, seule un seule arête coupe la matière. L'angle de l'arête de la direction d'avance sont les paramètres les plus importants pour réduire l'erreur d'usinage et pour répartir les efforts de coupe. 3. Le mécanisme de formation du copeau est étudié par une méthode hybride analytique-numérique. Les variations de la longueur de contact entre l'outil et le copeau et de la longueur de la bande de cisaillement sont les raisons principales qui expliquent l'apparition du copeau segmenté / Micromilling technique brings many advantages to the fabrication of micro-sized features. The objectives of this thesis are to investigate the micromilling mechanism for the efficient fabrication of miniaturized products. There are a number of issues that influence micromilling processes : cutting forces, dynamics and stability, chip formation, and machine tools. Several research topics, including Micro Machine Tool (MMT) development, workpiece microstructure influences, micromill tip trajectory investigation, wavy chip formation analysis via FEM-analytical ap- proach, surface roughness prediction based on the neural network and design of experiment are focused in this thesis. Some important results are listed : 1. The metal phase differences in the multi-phase polycrystalline material affect the micromilling process greatly, induce the cutting force variation, and influence the surface generation. 2. The single flute cutting condition always occurs in the micromilling process. The flute angle and feed angle are important to the machining error and chip load distribution. 3. The wavy chip formation mechanism is studied via hybrid analytical-FEM approach. It has been found the chip acquires additional angular acceleration in the segment generation instant. The variations of the tool chip contact length and shear band length are the main reasons of wavy chip segment formation

Le centre d'usinage est un moyen de production onéreux. Son impact direct sur la qualité des pièces produites, rend de son audit une opération délicate et complexe.L'objectif des travaux s'intègre dans cette démarche globale.Il consiste à concevoir, pour des cas industriels, des méthodes et des outils de caractérisation statique, et dynamique des moyens d'usinage.Il s'agit de savoir caractériser de manière indépendante le comportement dynamiquede la machine et de l'outil afin de juger son aptitude à accomplir des usinages conformes. Dans la démarche qui sera présentée dans ce mémoire de thèse, les développements ont été orientés sur le comportement dynamique du système usinant Couple : Broche/Outil. / Machining centers are very costly. They have a direct impact on the produced parts quality. This fact makes of its audit a comlexe and important operation.The aim of this work is to develop, for industrial cases, methods for the static and the dynamic qualification of machining centers.It is proposed to apply a methodologies in order to evaluate the ability of different machining systems (Spindle/Tool) to run a machining operation in a stable way. The proposed methodologies are based on an experimental measurement of the dynamic behavior for the system including the spindle and the tool holder. Then, by coupling frequencies response functions, a new system (Spindle/Tool) FRF is predicted at the tool tip. Finally, the critical depth of cut is analytically calculated from the eigenvalues of the characteristic equation of the dynamic machining process.

Dans l’optique de maîtriser l’industrialisation des pièces complexes, les efforts de coupe sont une source riche d’informations. Bien que la prédiction des efforts de coupe soit un sujet largement traité par la communauté scientifique, quelques verrous subsistent. Les travaux de cette étude visent à enrichir les modèles existants sous deux principaux aspects : une étude approfondie de l’influence des conditions de contact en dépouille associées à la géométrie de pièce et l’effet de l’usure de l’outil sur l’évolution des efforts de coupe au cours du temps. Pour ce faire, plusieurs expérimentations instrumentées sont réalisées afin de déterminer les paramètres influents à introduire dans les modélisations. S’appuyant sur ces observations, des modélisations, selon une approche phénoménologique, sont développées pour estimer respectivement le niveau d’usure de l’outil, les efforts de coupe et leur évolution fonction au cours du temps. Ces développements sont conduits pour les techniques de fraisage, de tournage intérieur et de tournage extérieur appliquées à l’usinage de l’alliage de titane aéronautique Ti6Al4V. Les méthodologies présentées dans cette étude sont transposables vers d’autres nuances d’alliages de titane afin de couvrir un domaine d’application large en industrie. / In order to control complex parts industrialization, cutting forces can be relevant data. Although cutting force prediction is a well-known subject by the scientific community, it still exists some ways of improvement. This research work focuses on the cutting force modelling enhancement according to two main points. Firstly, an analysis of clearance face contact conditions, linked to part geometry, effect on cutting forces. Secondly, the effect of flank wear on cutting force evolution with respect to the time. Based on experiments, in order to highlight relevant parameters to introduce in the new model, cutting force and flank wear models are formulated according to mechanistic approach. These developments are applied in milling, turning (boring, cylindrical turning and face turning) onTi6Al4V titanium alloy. Methodologies presented in this study can be easily adapted to others titanium alloys shades in order to cover large industrial range of applications.

Les procédés de micro-fabrication connaissent actuellement une croissance importante dans les applications industrielles et pour des secteurs majeurs. Parmi les techniques d’usinage en micro-fabrication, le micro-fraisage est sans doute le plus polyvalent que ce soit en termes de matériau usiné ou de géométrie obtenue. La fabrication de micro-fraises est encore limitée par un certain nombre de paramètres (comme le rayon d’acuité d’arête) et demande alors à être optimisée. L’approche utilisée consistant à reproduire à petite échelle ce qui se fait de mieux à une échelle conventionnelle n’est alors plus forcément adaptée. Il en résulte que le micro-fraisage est un procédé encore mal maîtrisé (usure prématurée de l’outil, bris d’outil, trajectoire non maîtrisée, bavures…).L’objectif de la thèse est donc de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’enlèvement de matière en micro-usinage et d’en établir un modèle permettant de prédire les efforts de coupe selon les conditions choisies et qui permettra par la suite de faciliter l’optimisation de la géométrie des outils coupantDans un premier temps, une étude expérimentale s’attache à observer la micro-coupe élémentaire d’un acier dur à l’aide de dispositifs réalisés dans le cadre de ces travaux. Un premier dispositif permet de mesurer les efforts d’usinage en micro-coupe élémentaire et un deuxième dispositif innovant permet d’étudier la formation du copeau par coupe interrompue.Par la suite, une démarche de modélisation de la micro-coupe élémentaire est proposée en complément de l’étude expérimentale. Une approche par loi de coupe basée sur les résultats des essais de micro-coupe élémentaire permet de modéliser les efforts d’usinage. En complément, des simulations numériques utilisant la méthode SPH donnent aussi des informations intéressantes sur la formation du copeau, notamment au niveau des zones de déformation.Enfin la loi de coupe associée à un modèle géométrique du micro-fraisage permet de prédire les efforts de coupe lors de l’usinage du même acier. Le modèle géométrique basé sur des travaux précédents a été complété pour prendre en compte la flexion d’outil ainsi que le faux-rond. Ce faux-rond est mesuré directement sur la machine à l’aide d’un moyen d’observation spécialement développé. Les résultats obtenus montrent une concordance entre les efforts expérimentaux et les efforts prédits. / Micro-manufacturing processes are undergoing a significant growth in industrial applications and in a number of major sectors. Among the micro-machining techniques, micro-milling is probably the most versatile both in terms of machined material and in terms geometrical achievability. However, micro-end-mill manufacturing is still limited by some parameters (such as cutting edge radius) and needs improvement. The top-down approach used to reproduce what is best from conventional scale to micro-scale is not necessarily suitable. As a result, micro-milling is still a poorly controlled process (tool wear, tool breakage, path control, burrs...).The aim of the thesis is to understand the mechanisms occurring during the material removal with micro-cutting and to propose a model to predict cutting forces according to cutting conditions, which will then make the optimization of micro-end-mills geometry easier.First, an experimental study is used to observe the elementary micro-cutting operation of a hardened tool steel using specially designed devices. A first device is used to measure cutting forces in elementary micro-cutting and a second innovative device is used to study chip formation by quick-stop tests.Then, modelling approaches of elementary micro-cutting are proposed to complete the experimental study. A cutting law approach based on the results of the elementary micro-cutting tests allows the cutting forces to be modelled. In addition, numerical simulations using the SPH method investigate chip formation and particularly deformation and shear zones.Finally, the proposed cutting law combined with a micro-milling geometric model allows the prediction of cutting forces when micro-milling the same hardened tool steel. The geometric model based on previous work has been completed to consider static tool deflection and run-out. This run-out is measured directly on the machine using a specially developed device. The results obtained show a good correlation between experimental and predicted forces.

A ce jour, les pièces prototypes réalisées à partir de poudre ou de liquide n'ont pas forcement des propriétés mécaniques suffisantes ni la précision requise pour être placées dans des mécanismes fonctionnels. L'objectif de ce travail est de réaliser des mécanismes prototypes fonctionnels, c'est-à-dire capables de fonctionner sur un banc d'essais ou en service dans son milieu d'utilisation (sur un véhicule par exemple). L'approche URP "Usinage Rapide de Prototype" proposée consiste à décomposer une pièce complexe de type carter par exemple, en plusieurs strates épaisses usinées sur machine outil à commande numérique 5 axes et assemblées. Le tranchage en strates est déterminé de sorte que les entités fonctionnelles ne soient pas découpées et que l'usinage soit réalisable, y compris pour les entités à obtenir dans l'épaisseur de la pièce. Le type et la position des dispositifs de centrage et de fixation des strates sont ensuite choisis. Deux montages d'usinage originaux et une gamme d'usinage ont été conçus pour réaliser chaque strate en deux phases. Un protocole de vérification de l'usinabilité a été proposé. Un carter a été réalisé sur la machine MIKRON UCP 710 du laboratoire avec une analyse des précisions obtenues. Une pièce d'essai a été définie pour permettre l'évaluation des capabilités de la méthode.

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

Cette thèse porte sur la modélisation thermomécanique 3D en configuration de fraisage. Afin de déterminer, pour chaque orientation de la plaquette et à chaque position angulaire de l’outil, le torseur d’action complet (efforts et moments) trois grandes parties ont été développées dans ce manuscrit.En se basant sur les lignes de glissement dans les trois zones de coupe, un modèle de coupe orthogonale a été développé. Le rayon d’acuité est intégré dans la modélisation et les résultats du modèle sont sensibles à ce paramètre. Le modèle a été validé par une confrontation avec des essais de rabotage.Pour deux types de plaquette, à arêtes droite et ronde, l’étude cinématique le long de l’arête de coupe a menée à la détermination du torseur cinématique instantanée en chaque point. Cette partie a permis de définir une nouvelle composante de vitesse de coupe dépendante de la position angulaire de l’outil. L’inclinaison de l’arête génère une vitesse parallèle à l’arête de coupe (perpendiculaire au plan de coupe en configuration orthogonale) qui participe au comportement cinématique de la matière dans les zones de cisaillement primaire et secondaire.Une modélisation volumique 3D dans les deux zones de coupe primaire et secondaire a permis de définir la cartographie de déformation et de vitesse de déformation. Cette approche a été basée sur les données cinématiques et les conditions aux limites appropriées. Les gradients de contraintes et de vitesses trouvés sont à l’origine de l’apparition des moments de coupe. / This thesis is focused on 3D thermomechanical modeling in milling configuration. In order to determine, for each insert orientation and each tool angular position, the complete actions torsor (forces and moments) three parts have been developed in this work.Based on the slip lines in the three cutting areas, an orthogonal cutting model was developed. The tool edge radius is built in modeling and model results are sensitive to this parameter. The model was validated by comparison with experimental tests.For two types of insert, with straight and round edge, the kinematic study along the cutting edge allowed to determine the instantaneous kinematic torsor at each point. This part has defined a new cutting velocity component dependent of tool angular position. The inclination of the edge generates a parallel velocity to the cutting edge (perpendicular to the cutting plane in orthogonal configuration) that participates in the kinematic behavior of the material in the primary and secondary shear zones.A 3D solid modeling in the primary and secondary cutting zones helped to define the cartography of strain and strain rate. This approach was based on kinematic data and appropriate boundary conditions. The gradients of stresses and velocities are the source of the appearance of the cutting moments.

Lors de la première transformation du bois en scierie, les grumes sont surfacées ou équarries par des têtes de fraisages appelées slabber ou canter. Sous leur action, le copeau de bois est fragmenté en plaquettes dont la valorisation est un enjeu majeur de la filière. Débouché le plus rémunérateur de cette ressource, l’industrie de la pâte à papier impose des critères dimensionnels aux plaquettes approvisionnées notamment concernant leur épaisseur. L’objectif de l’étude est donc d’améliorer la compréhension des mécanismes mis en jeu par la coupe du bois, dans une configuration simplifiée de coupe orthogonale, afin d’optimiser la granulométrie des plaquettes produites. Une campagne expérimentale de coupe sur machine-outil à commande numérique a été réalisée sur du hêtre vert afin de déterminer les mécanismes principaux actionnés. Un modèle mécanique simplifié du comportement dynamique du bois vert est déterminé, ceci afin de développer un modèle numérique du bois vert par la Méthode des Eléments Discrets (DEM) en vue de simuler sa coupe. Une étude préliminaire pour déterminer la capacité de la méthode à modéliser à l’échelle mésoscopique des milieux fortement orthotropes a été réalisée. Sa capacité et ses limites démontrées, la démarche de calibration du modèle numérique a été élaborée et le modèle sollicité en configuration de coupe orthogonale numérique. Les premières simulations présentent des résultats encourageants. / When entering sawmills, logs are faced into cants by the mean of chipper-canters. During this machining, the ribbon produced is split into small chips whose proper valorization is a high economic stake for the industry. The paper maker industry, which is the most worthwhile chips supplier, is strongly concerned by dimensional criterions of the chips for their process optimization, especially toward their thickness. The objective of this work is to improve the comprehension of cutting and fragmentation mechanisms, in a simplified orthogonal cutting configuration, to provide cutting rules to optimize the produced chips geometry. An experimental campaign dedicated to green beech cutting on a computer numerical command machining center is done to study those mechanisms. A simple mechanical model is derived, in order to develop a Discrete Element Method (DEM) model of the material to simulate cutting operations. A preliminary study dedicated to prove the capability of DEM to model a wood-like orthotropic continuous media is presented. The numerical model is then calibrated and cutting simulations are designed to copy the experimental conditions. First results are encouraging.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte des vibrations d'usinage et plus spécialement des parois minces, typiques des pièces de structure aéronautique. L'objectif est de contribuer à la maîtrise des phénomènes vibratoires à la fois au niveau théorique et pratique.<br />Nous avons identifié plusieurs voies de recherche visant : l'extension des méthodes classiques utilisant les « lobes de stabilité », la modélisation des phénomènes transitoires intervenant pendant une même passe d'usinage et enfin l'utilisation de la variation continue de la vitesse de rotation de l'outil.<br />La généralisation du tracé des lobes de stabilité sur une pièce à paroi fine, avec un comportement vibratoire très riche, impose l'ajout d'une troisième dimension permettant de prendre en compte les évolutions des paramètres au cours de l'usinage. Cette démarche permet l'amélioration notable d'une opération d'usinage. Cependant, certaines phases sont impossibles à optimiser et présentent un comportement très complexe, difficile à modéliser en pratique. La troisième partie porte sur le développement d'un modèle numérique relativement simple, permettant de prendre en compte tous les aspects, jugés indispensables à la modélisation de parois minces. L'utilisation de ce modèle temporel permet notamment d'interpréter les états de surface évolutifs, très souvent observés sur les passes d'usinage, mais rarement expliqués dans le détail, à notre connaissance.<br />La dernière partie présente l'étude et la mise au point d'une solution de réduction des vibrations régénératives, par une variation continue de la vitesse de rotation de la broche. Cette méthode apporte des gains importants en usinage grande vitesse, notamment dans la zone du « flip lobe ». Cependant, elle peut faire apparaître des vibrations transitoires, à l'échelle de la période de variation, qui réduisent son efficacité.

Les travaux de recherche pr esent es dans ce m emoire ont et e men es au sein d'EDF R&D. Ils visent a remplacer une grande partie des essais physiques par des simulations num eriques a n d'optimiser des processus de maintenance robotis ee r ealis es notamment sur des installations nucl eaires. Il s'agit d'une mani ere g en erale d'obtenir des gains de productivit e en augmentant la rapidit e de mise en uvre des op erations mettant en uvre des proc ed es ainsi que de ma^ triser la qualit e des r esultats. Les proc ed es consid er es sont des proc ed es de fraisage a grande vitesse. Ces derniers n ecessitent une grande pr ecision de suivi de trajectoire (en position et vitesse spatiales), ceci malgr e les incertitudes relatives aux param etres structuraux du syst eme porteur du proc ed e et compte-tenu de son comportement dynamique intrins eque (saturations, frottement) ainsi que des perturbations dynamiques (gravit e, interactions physiques). Les travaux d evelopp es abordent, dans un cadre exp erimental, les probl emes d'identi cation des param etres g eom etriques et inertiels ainsi que le comportement structurel (d eformations et frottements) d'un robot Staubli TX90 sur di erentes charges. Ces probl emes sont trait es ici dans un cadre r eel en tenant compte des contraintes de mise en uvre dans un contexte industriel. L'ensemble des param etres identi es ont et e int egr es a un simulateur dynamique qui, reproduisant les lois de commande impl ement ees sur le syst eme industriel ainsi que les g en erateurs de trajectoires, permet d'analyser le comportement dynamique du syst eme lors de la mise en uvre d'un proc ed e de fraisage grande vitesse. Sur cette base, la correction des trajectoires de l'e ecteur peut ^etre r ealis ee pour minimiser les d efauts de forme induits par ces di erentes sources d'erreur.