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

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.

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.

Le micro-fraisage (diamètre fraise < 1 mm) permet l’usinage précis de structures en 3D, à des dimensions micrométriques, dans desmatériaux d’ingénierie, se plaçant aux frontières de deux mondes : d’une part, le fraisage traditionnel appelé « fraisage macro » et d’autre part,la micro-fabrication et ses techniques dites de « salle blanche ».L'étude innovante porte sur le micro-fraisage d’aciers inoxydables 316L avec des micro-fraises cylindriques en carbure de tungstèneavec un équipement industriel (machine outil commercialisée et non optimisée) permet d’accentuer les nombreuses difficultés technologiquesliées à la mise en oeuvre du micro-fraisage et d’effectuer directement un transfert de compétences vers l’industrie. L’acier 316L(biocompatible, réputé de difficilement usinable) n’a jamais été étudié en micro-fraisage.L’étude aborde, au travers de neufs ratios caractéristiques du micro-fraisage, les problématiques de choix de moyens et de méthodespour caractériser la technique du micro-fraisage.Après analyses des paramètres de l’étude et des caractérisations des usinages, la définition géométrique optimale d’une micro-fraiseinnovante est proposée. Sa tenue en service est validée par des tests en usinage dans l’acier 316L, répondant ainsi, à une problématique decoupe négative à basse vitesse de coupe avec des effets d’échelle du matériau.Une originalité de l’étude est d’aborder l’effet de la population inclusionnaire visant à améliorer l’usinabilité. En comparant lesrésultats obtenus par micro-fraisage de 2 nuances d’acier 316L, la population inclusionnaire de l’acier 316L n’est pas identifiée comme unfacteur améliorant l’usinabilité à l’échelle de la coupe micro. / The micro-milling ( tool diameter < 1 mm) target the precise machining of 3D structures to micrometric dimensions, in engineeringmaterials, to be placed at the borders of two worlds : the one hand , the traditional milling called "macro milling" and other hand, the microfabricationand its so-called "clean room" techniques.The innovative study focuses on the micro-milling of 316L steel with carbide micro end mills with industrial equipment (machine toolmarketed unoptimized) can caricature the many technological challenges related to the implementation of the micro-milling and make a directtransfer of skills to the industry. 316L steel (biocompatible, reputed difficult to machine) has never been studied in micro-milling.The study looks at ratios through new features of the micro-milling, the problems of choice of means and methods to characterizemicro-milling.After analysis study parameters and machined parts, the optimal geometric definition of an innovative micro end mill is proposed.Service behavior is validated by testing machining in 316L steel, responding to a question of negative cutting with low cutting speeds andscale effects of the material.An originality of the study is to address the effect of the inclusion population to improve machinability. Comparing the resultsobtained by micro-milling two 316L steel grade, the inclusion population of 316L steel is not identified as a factor improving themachinability cutting at micro scale.