L'électroérosion (EE) est une technique d'usinage sans contact de matériaux conducteursd'électricité ; elle particulièrement bien adaptée à l'usinage de matériaux durs. Le principe consiste àcréer des décharges électriques érodantes entre un outil et une pièce à usiner, toutes deuximmergées dans un diélectrique. Dans cette thèse, nous avons étudié la miniaturisation de ceprocédé, la microélectroérosion (μEE), qui se présente comme un procédé complémentaire destechniques de micro-usinage mécanique, laser, ou encore des techniques issues de lamicrotechnologie du silicium (RIE, DRIE, LIGA). Toutefois, la résolution de la μEE est limitée.Dans ce travail, nous avons tout d'abord développé un procédé original d'élaboration de microoutilscylindriques en tungstène par gravure électrochimique. Celui-ci permet d'obtenir de manièrereproductible des micro-outils de diamètre 15 μm et de rapport hauteur sur diamètre supérieur à 50.Des micro-outils plus fins ont aussi été obtenus (jusqu'à 700 nm) mais avec des problèmes dereproductibilité. Par ailleurs, un prototype de machine de fraisage par μEE a été développé avec uneélectronique entièrement caractérisée. Des micro-canaux de 40 μm de largeur ont été obtenus dansl'acier d'inoxydable et 25 μm dans le titane ; une rugosité Ra de 86 nm a été atteinte dans des cavitésde 600 x 600 x 30 μm. Les limitations du dispositif expérimental ont aussi été mises en évidence.Dans la dernière partie de ce travail, nous avons procédé à l'étude des microdécharges et du microplasmas'établissant entre micro-outil et pièce à l'aide de caractérisations électriques. La résistanceet l'inductance des décharges ont été déterminées expérimentalement puis intégrées dans unmodèle permettant de prévoir la durée des impulsions de courant et leur intensité. Des pistes pourl'amélioration de la résolution d'usinage sont proposées en conclusion de ce travail.

Dans le processus de fabrication en fraisage à grande vitesse ‘FGV’, l’étude de la réaction de la machine au cours de l’usinage est une tâche très délicate et importante. En effet, l’identification du comportement de la machine nécessite la modélisation de la loi de mouvement des axes et de la trajectoire réelle aux niveaux des discontinuités. Le nombre important de discontinuités engendrent une instabilité de la vitesse de déplacement des axes, ce qui implique une augmentation du temps d’usinage et un non-respect de la vitesse d’avance programmée, se traduisant par des problèmes de productivité et une sous-estimation du coût de l’usinage pour l’industriel. L’objectif de cette thèse est de développer un outil informatique qui permet de calculer la vitesse d’avance et de faire une estimation précise du temps de cycle pour n’importe quelle trajectoire générée par un logiciel de FAO. Pour ce faire, nous avons déterminé un modèle qui permet d’identifier le comportement cinématique des axes d’un centre d’usinage en FGV pour toute forme de trajectoire. À partir de la modélisation de la variation de la vitesse d’avance, nous avons déterminé le temps réel selon les trajectoires et l’erreur imposée par le bureau des méthodes. Enfin, nous utilisons ces résultats pour mettre en place une méthodologie pour l’aide au choix du diamètre de l’outil et de la stratégie d’usinage. Afin de valider les modèles et les méthodologies développés, une étude expérimentale a été réalisée sur des applications didactiques et industrielles. / In the context of high speed milling ‘‘HSM’’, the feed rate does not always reach the programmed value during the machining process which implies an increase of machining time and non-compliance with the programmed feed rate. This phenomenon leads to productivity issues and an underestimation of the cost of machining for the industry.The aim of this study is to develop a computerised tool in order to automate the determination process of the evolution of the feed rate for an imposed error and the estimation of cycle time and production cost. To begin with,a modeling approach in order to evaluate feed rate during any type of discontinuity between linear and circular contours in different combination by taking into account the specific machining tolerances.is presented. Then, the cycle time will be estimated with a maximum error of 7% between the actual and the prediction cycle time. The proposed method permits to develop a methodology to determine the optimal diameter of the tool and the optimal strategy. Finally, an industrial application was carried out in order to validate models and to determine the influence of feed rate evolution on the cycle time.

L’objectif de ces travaux de thèse est l’optimisation par une approche expérimentale d’un modèle de micro-fraise hémisphérique en carbure de tungstène revêtu, de diamètre 0,5 mm, destiné à l’usinage des aciers durs. Les données expérimentales obtenues résultent donc de l’usinage d’un acier 40NiCrMo16 à l’état trempé (54 HRC). Les résultats permettent de mettre en évidence certains phénomènes de coupe, d’usure et de comportement dynamique de l’outil liés au procédé, et leur évolution en fonction du type de fraise considéré et des conditions de coupe choisies. La géométrie de l’outil et son comportement dynamique sont ici principalement commentés. Dans un premier temps, l’étude de différentes nuances de carbure, préparation de surface ainsi que l’optimisation des géométries globale et locale des micro-fraises a permis de proposer un modèle optimisé pour notre partenaire outilleur Magafor. Dans un second temps, une approche numérique du micro-fraisage a été utilisée. Un premier modèle de calcul analytique des efforts de coupe a été testé et il a été mis en évidence les limites d’identification des coefficients spécifiques de coupe dans notre cas. Ensuite, une modélisation numérique par éléments finis du micro-fraisage a été réalisée afin d’appréhender l’étude du comportement dynamique des micro-fraises en fonction de la géométrie globale de l’outil développé. / The aim of this PhD work is optimized by experimental approach with 0.5 mm diameter micro-ball-end mills made from micro-grain tungsten carbide and PVD coated for hardened tool steels machining. The experimental data are obtained on machining of hardened steel (54/55HRC), typically used for the production of plastic injection molds. Results permit to highlight some cutting phenomena of wear and dynamic behavior of the process related tool, and changes depending on the type of milling considered and selected cutting conditions. The geometry of the tool and dynamic behavior are primarily discussed here. As a first step, the study of different carbide grades, surface preparation and optimization of global and local geometries of micro-cutters helped provide an efficient model for our partner Magafor toolmaker. In a second step, the modelling of micro-milling is discussed and an analytical model for cutting forces calculation is introduced. It was demonstrated the identifying limits of the specific cutting coefficients in our case. Then, a test of finite element modelling of micro-milling is made in order to estimate the potential of such a method for the study of the dynamic behaviour of micro-mills.

Les procédés de mise en forme par enlèvement de matière introduisent, lors de la formation du copeau,des phénomènes complexes et rendent difficiles la maîtrise des grandeurs énergétiques. Des mesuresréalisées à l’aide d’un dynamomètre à six composantes permettent de mieux appréhender ces phénomènes.Ce dynamomètre permet de mesurer l’ensemble des actions mécaniques transmises par la liaison mécaniqueentre la matière usinée (copeau et pièce) et l’outil de coupe. Les mesures révèlent alors la présence demoments, à la pointe de l’outil, non évalués par les modèles de coupe classiques. Cependant, les lois decomportement actuelles ne permettent pas d’exprimer complètement ces phénomènes complexes (gradientsde déformations) lors de la formation du copeau. Actuellement, une modélisation analytique ou numérique etrendant compte de ces phénomènes est donc exclue. Des approches expérimentales ont alors été menées entournage et en perçage. Aujourd’hui ces recherches s’étendent au cas du fraisage.Pour ceci, un nouveau dynamomètre à six composantes adapté au fraisage a été conçu, réalisé etétalonné. Une démarche expérimentale a alors été mise en place afin de modéliser le moment de coupeconsommateur de puissance. Ce moment est alors étudié dans une configuration de coupe orthogonale enfraisage. Un modèle expérimental du moment de coupe est alors proposé. Cette modélisation fait intervenir lasection de copeau réelle instantanée et un nouveau critère énergétique : la densité de moment. Une étude surles paramètres cinématiques réels de l’outil montre la nécessité de prendre en compte la section de copeauinstantanée réelle. Celle–ci est alors calculée à partir de la position réelle de l’outil déduite des donnéescinématiques extraites des codeurs de position des axes et de la broche de la machine outil. Les paramètresinfluents sur la densité de moment ont été mis en évidence par un plan d’expériences et une analyse de lavariance. Une modélisation de ce critère similaire aux coefficients spécifiques de coupe a par la suite étédéveloppée.Enfin, le bilan énergétique de l’opération de coupe étudiée est considéré. Une démarche pratiqued’évaluation rapide de la puissance maximale de coupe est présentée en intégrant la modélisation du momentproposée. L’intérêt et l’importance de la prise en compte du moment de coupe sont alors confirmés pourprédire et définir les énergies mises en jeu par le processus de coupe. / In the cutting process, during the chip formation, complex phenomena occur and the control of theenergy parameters is difficult. Information about these phenomena are given with the measurement of the sixcomponents of the mechanical actions. This dynamometer allows to measure the six mechanical actions (3forces and 3 moments) between the chip, the workpiece and the tool during the chip formation. Themeasurement of the moments at the tooth tip is not inclued in the classical cutting model.However, actual behaviour laws cannot express all the phenomena occurred during the chip formation.Thus, analytical or numerical cutting model taking into account these phenomena is not possible. Previousstudies have been performed in turning and drilling and allow to extend these works to milling.A new six components dynamometer suitable to milling have been designed and calibrated. Anexperimental approach is proposed in order to model the cutting moment involved in the cutting energybalance. The study is performed in orthogonal cutting configurations. A model of cutting moment is proposedand depends on the instantaneous undeformed chip section and a new criteria : the moment density. A studyon real kinematic parameters shows that the instantaneous undeformed chip section have to take intoaccount. The instantaneous undeformed chip section is computed with real position of the tool obtained withthe encoders of linear axes and spindle of the CNC Machine. Design of experiments and variance analysis haveshown influent parameters on the moment density. A model of the moment, close to specific pressurecoefficient, has been developed.Finally, the cutting energy balance of the milling operation used is studied. A practical approach includedthe moment model allow an accurately evaluation of the energy balance. In milling operation, the studyconfirms the cutting moment at the tool tip and shows the necessity to take into account moments in theenergy balance.

La thèse concerne un procédé de fabrication par usinage dans son aspect le plus générique. L’objectif est de développer une approche intégrée aux systèmes CFAO permettant de prédire le comportement vibratoire d’un système usinant en fraisage régénératif multiaxe dans une échelle mésoscopique. Cela engage l’estimation des interactions Pièce / Outil instantanées, le calcul des forces de coupe et enfin, la détermination de la stabilité/instabilité du procédé sous certaines conditions de coupe. La géométrie de l’interaction est rendue particulièrement complexe à cause de la forme de l’outil et de la pièce ainsi que de leur position relative. Dans ces travaux, nous proposons une approche générique basée sur un système de CFAO pour l’extraction des éléments géométriques nécessaires au calcul des forces de coupe en chaque point de la trajectoire du fraisage. Et dans le dessein d’une meilleure prédiction, nous nous basons sur la discrétisation de la fraise en des arêtes infinitésimales. Particulièrement, cette approche est implémentée pour un cas d’usage simple. Par la suite, nous développons, sous Simulink/Matlab, un système de calcul permettant la visualisation des forces et de la dynamique de la coupe dans le domaine temporel. Ceci grâce aux modèles de comportement du système usinant identifiés expérimentalement et un modèle spécifique d’efforts de coupe intégrant le facteur retard. Par ailleurs, la stabilité liée à la coupe est déterminée à partir des critères de comportement applicables aux systèmes non linéaires héréditaires. L’interopérabilité de ces deux outils de calcul et de conception est couronnée par la production d’un démonstrateur de comportement vibratoire sur une trajectoire de coupe par fraisage régénératif. Enfin, une première étude expérimentale visant le recalage des modèles de comportement et d’efforts de coupe, ainsi que la validation de l’approche générique et du démonstrateur est produite pour différents processus de fraisage. / This research is a generic aspect enquiry on manufacturing process by machining. Its main objective is supporting CAD/CAM systems through an integrated approach aiming to determine vibratory behavior of multi-axis chatter milling. This involves estimating instantaneous Part / Tool interactions, calculating cutting forces and finally determining process stability or instability under certain cutting conditions. Interaction geometry is made particularly complex because of tool and workpiece’s geometry as well as their relative position. In this work, we propose a generic approach based on CAD/CAM systems to extract geometric elements needed to calculate cutting forces at each point of milling path. In addition, with a view to better prediction, we rely on milling tool discretization into infinitesimal edges while developing and implementing milling simulation system for cutting forces and dynamics calculation tool in Simulink/Matlab software. This, thanks to the behavior models of machining system identified experimentally and a specific model of cutting forces incorporating delay factor. In addition, the milling process behavior is determined by applying some criteria to the hereditary system. The interoperability of these two calculation and design tools is culminated with a visual demonstrator of vibration behaviors in milling tool path. Finally, a first experimental study aiming at behavior and cutting forces models adjustment, as well as the generic approach and the demonstrator validation is realized for different milling processes.

Dans un contexte d’optimisation des lignes de production, la maîtrise de la qualité des pièces et des capacités machines est primordiale. Plusieurs études se sont intéressées à la formation des bavures en usinage mais les mécanismes sont encore peu connus, bien qu’un lien fort avec les efforts de coupe soit établi par divers auteurs. Ainsi, la maîtrise des efforts de coupe a un intérêt double : optimiser les lignes de production et servir de donnée d’entrée pour la prédiction de la taille des bavures. Cette étude propose donc de renforcer les connaissances concernant les mécanismes de formation des bavures générées par un outil en sortie matière, et de prédire les efforts de coupe en fraisage grande vitesse, dans l’alliage d’aluminium AlSi7Mg0,3+0,5Cu. Divers mécanismes de formation de bavures sont étudiés en coupe élémentaire. Une nouvelle méthode de mesure in situ permet d’identifier l’influence des conditions opératoires sur l’évolution statistique de critères géométriques caractérisant les bavures générées de façon hétérogène dans le cas de l’alliage étudié, dont le comportement est fortement dépendant de son état de contrainte local ainsi que de sa microstructure. Une analyse des champs de déplacement et déformation par corrélation d’images couplée ainsi qu’un modèle de simulation par éléments finis permettent d’identifier plus finement les mécanismes de formation des bavures. Le surfaçage est étudié pour modéliser les efforts de coupe puis comparer les efforts produits lors de la sortie des dents avec les caractéristiques des bavures obtenues. Enfin, une stratégie de minimisation de la hauteur des bavures en surfaçage à la fraise grande avance est étudiée. / In a context of production lines optimization, parts quality and machine capabilities control is essential. Several studies have been carried out on machining burr formation but the mechanisms are not fully understood, although a strong link between burrs formation and cutting forces is established by several authors. Hence, controlling the cutting forces has two advantages: optimize the production lines and be used as input data for a burr height model. This study proposes to consolidate the knowledge on burr formation mechanisms during the exit of a tooth, and to predict cutting forces during high speed milling of the AlSi7Mg0.7+0.5Cu alloy. Various burr formation mechanisms are studied in orthogonal cutting. A new in situ measurement method allows to identify the statistical influence of some operational conditions on the evolution of some newly introduced geometrical parameters defining the burrs heterogeneously formed in the case of the studied alloy, whose behavior strongly depends on its local stress state as well as its microstructure. A displacement and strain field analysis using Digital Image Correlation, as well as a finite element model provide a better understanding of the burr formation mechanisms. Face milling is studied to model cutting forces and compare the forces produced during the exit of a tooth to the obtained burr morphologies. Finally, a burr height reduction strategy is proposed using a high feed mill.

Ces travaux contribuent à l'amélioration de la fabrication de pièces complexes de turbomachine. Elles sont principalement composées de veines fluides souvent délimitées par des pales, dont la fonction première est de transférer de l'énergie entre un fluide et une partie mécanique. Dans ce cas précis, la géométrie de ces pièces est essentielle pour obtenir un bon rendement du mécanisme. Cependant, lors de l'usinage, les flexions des pales et/ou de l'outil ainsi que les interférences locales occasionnent des défauts géométriques pouvant nuire à l'efficacité du système. Dans le but de résoudre cette problématique, une approche globale est utilisée dans ce mémoire. Elle débute par l'étude de la conception de ces pièces, en introduisant des concepts de Design For Manufacturing, utilisables grâce à la proposition d'indicateurs de fabricabilité par usinage 5-axes de pièces de turbomachine. Cette démarche permet donc de garantir que les pièces conçues sont économiquement réalisables. Les travaux ont continué avec la mise en place d'une méthodologie d'aide au choix de la meilleure stratégie d'usinage basée sur des critères de respect des besoins fonctionnels de la pièce et des critères économiques. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l'étude d'une approche novatrice permettant la réduction des interférences locales lors de l'usinage par le flanc de surfaces non développables. Cette méthode, baptisée Computation of Adapted Tool Shape, optimise la forme de l'outil, pour une trajectoire et une surface données, afin d'obtenir un meilleur respect des besoins fonctionnels de la pièce. La dernière partie de ces travaux définit le domaine d'application de cette nouvelle méthode par sa mise en oeuvre sur des études de cas académiques et industriels.

Le processus de fabrication des pièces usinées arrive à maturité concernant la fabrication assistée par ordinateur et la maîtrise du procédé d'usinage. Aujourd'hui, les perspectives d'améliorations importantes sont liées à l'optimisation de la commande numérique et de ses interactions avec le reste du processus de fabrication. L'objectif de cette thèse est donc de maîtriser les briques de base de la commande numérique pour optimiser le processus d'usinage 5 axes grande vitesse des surfaces complexes. La création d'une commande numérique ouverte nécessite le développement des algorithmes qui transforment le programme d'usinage en consignes échantillonnées pour les axes de la machine. La première partie des travaux consiste à rendre la géométrie suffisamment continue notamment pour les trajets interpolés linéairement en 5 axes qui présentent des discontinuités en tangence. Ensuite, l'interpolation temporelle du trajet crée la trajectoire d'usinage respectant les contraintes cinématiques et en particulier le jerk de chacun des 5 axes de la machine. L'implémentation matérielle de ces algorithmes permet de piloter une machine d'usinage grande vitesse 5 axes avec une commande numérique ouverte. Ainsi, les verrous technologiques associés aux commandes numériques industrielles sont levés et la chaîne numérique est entièrement contrôlée de la CFAO jusqu'au déplacement des axes. La maîtrise complète de la commande numérique offre la possibilité de définir exactement le trajet d'usinage à partir de la CAO sans introduire les écarts géométriques inhérents aux formats de description standards. L'interpolation de la trajectoire d'usinage directement sur la surface à usiner améliore de manière significative la qualité et la productivité de l'usinage des surfaces complexes. La commande numérique PREMIUM-OpenCNC permet la validation expérimentale de ces travaux et ouvre de nombreuses autres voies d'amélioration du processus de fabrication.

Le fraisage est un procédé très répandu dans les industries mécaniques et micromécaniques. Ses qualités du point de vue du rendement, de la finition et de la précision en ont fait un domaine incontournable des procédés d'usinage. La compréhension des phénomènes physiques mis en oeuvre dans l'usinage est un enjeu majeur pour l'optimisation des procédés industriels. Ces travaux concernent le couplage étroit entre simulations et expérimentations. L'objectif est d'identifier les paramètres physiques intervenant dans les lois de comportement qui seront utilisées pour la modélisation et la simulation de l'usinage. La finalité consiste à fournir une nouvelle méthodologie, ainsi que les composants logiciels associés, pour permettre l'ajustement optimal des paramètres des procédés, tout au long des phases de développement relatives à l'utilisation de nouveaux matériaux ou de nouvelles conditions opératoires. L'investigation s'articule autour de trois principales activités : * La mise en place d'une instrumentation comprenant capteurs et chaînes d'acquisitions pour permettre, la mesure des efforts nécessaires à la coupe ainsi que la visualisation des formes de copeaux et des modes de fragmentation. Cette étude expérimentale s'accompagne aussi d'une campagne d'essais de caractérisation dans différentes configurations du comportement du matériau choisi pour l'étude (l'acier inoxydable 304L). * Par la suite, le développement des simulations numériques sous LS-DYNA des procédés d'usinage en utilisant les différents résultats obtenus sur le matériau. L'objectif étant de développer un modèle numérique fiable du procédé de fraisage permettant d'obtenir des formes et des valeurs d'efforts de coupe comparables à celles observées expérimentalement. * Et pour finir, la réalisation de procédures d'identification par méthode inverse en corrélant des résultats expérimentaux et numériques provenant de modèle analytiques ou éléments finis, et en s'appuyant sur la mise en place de méthodes d'analyse de sensibilité couplées au logiciel de simulation. Afin de permettre l'ajustement optimal des paramètres des modèles intervenants dans les lois de comportement thermomécaniques du matériau témoin. L'objectif final étant d'obtenir des modèles prédictifs sur une large gamme d'utilisation.

Pour sécuriser le processus de fabrication, garantir la qualité des pièces et atteindre une pleine productivité, des Systèmes de Surveillance Automatiques de l'Usinage (SSAU) sont nécessaires. Cependant, si des solutions sont proposées pour la production de grandes séries, il n'existe pas actuellement de SSAU pour les systèmes de production flexible en fraisage (ces derniers fabriquant notamment les pièces complexes à forte valeur ajoutée). L'objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit, est donc de répondre à ce besoin industriel en proposant une solution efficace et fiable de Surveillance Automatique de l'Usinage pour la production flexible par fraisage. <br />Tout d'abord, plusieurs critères issus de la bibliographie et susceptibles de résoudre notre problématique, ont été testés dans des conditions de coupe et de trajectoires industrielles, ce qui n'avait pas été fait auparavant. L'analyse de leur comportement a permis de mettre en évidence leurs faiblesses et de faire évoluer notre réflexion, avant de proposer une nouvelle méthode : la Surveillance d'Usinage Intermittente. L'état de l'outil est estimé à partir des efforts de coupe, puis reporté sur une carte de contrôle. Pour plus de fiabilité, seules les zones où la coupe est stable sont surveillées. <br />Afin d'augmenter la précision, la robustesse et le domaine de validité de la méthode, des améliorations ont ensuite été apportées, quant au conditionnement et à l'analyse des signaux d'efforts. Par ailleurs, les estimations de l'état de l'outil sont affinées pendant l'usinage, grâce à des simulations numériques effectuées au préalable. Des expérimentations ont validé l'approche, par des détections fiables de l'état d'un outil possédant 5 dents (dont une endommagée ou non).<br />Enfin, nous avons montré que notre méthode permet de détecter de très faibles endommagements de l'outil, survenant au cours de l'usinage d'une pièce. Nous proposons également de coupler notre SSAU à un système d'inspection des outils hors-usinage pour confirmer les détections. Nous avons ensuite montré que notre méthode n'est pas perturbée par l'usure des outils. Une table dynamométrique n'étant pas viable industriellement, nous avons cherché des alternatives. Nous avons finalement montré que la mesure d'efforts peut être réalisée en instrumentant la broche par des capteurs inductifs. L'application de notre méthode permet alors, dans un cadre industriel, de détecter de très faibles endommagements de l'outil, lors de production flexible en fraisage.