Cette thèse est consacrée à la réalisation de composites constitués d’inclusions ferromagnétiques dispersées dans une matrice diélectrique en vue d’obtenir des absorbeurs hyper fréquences dans la gamme 1 GHz – 5 GHz. La principale originalité de notre étude repose sur l’utilisation de particules à forte anisotropie géométrique dites sous forme de «pétales». En raison de leurs bonnes propriétés magnétiques (perméabilité et aimantation à saturation élevées), notre choix s’est porté sur l’utilisation d’alliages NiFeMo et FeSiAl pour cette étude. Dans un premier temps, les particules sous forme de pétales sont obtenues par mécanosynthèse. Un ajustement des paramètres de broyage a permis d’obtenir des pétales avec différents rapports de forme (longueur latérale sur épaisseur). Les particules sont ensuite incorporées à une barbotine constituée d’un liant et d’un plastifiant qui est par la suite coulée en bandes selon le procédé Doctor Blade. Les propriétés structurales et magnétiques des particules broyées ainsi que l’orientation des particules dans le composite ont été caractérisées. Dans une seconde partie, les spectres de perméabilité et de permittivité des composites ont été mesurés en cellule monospire et en ligne coaxiale APC7. Les évolutions des spectres en fonction de la quantité de particules dans le composite ainsi qu’en fonction du rapport de forme des particules ont été étudiées. Il a été montré que la transformation en pétales permettait d’obtenir des niveaux élevés de perméabilité et de permittivité. Ainsi, afin d’avoir un absorbeur de qualité, il est nécessaire de limiter les niveaux de permittivité en enrobant les particules. Les pétales NiFeMo ont été enrobés par de la silice selon le procédé Stöber et ceux à base de FeSiAl par oxydation partielle. Les propriétés magnétiques et électriques dynamiques de composites chargées par des pétales enrobés ont également été étudiées. Des modèles analytiques (loi de mélange de Maxwell-Garnett pour la perméabilité et lois d’Odelevsky et de Mclachlan pour la permittivité) ont été utilisés pour reproduire les principales caractéristiques radioélectriques des spectres de perméabilité et de permittivité Enfin, les performances électromagnétiques de ces composites ont été évaluées en considérant le problème générique de la réflexiond’une onde plane sur des revêtements recouvrant un support métallique. Le passage sous forme de pétales a permis de gagner en taux de charge et en épaisseur de couche absorbante par rapport aux composites chargés par des sphères. Cependant, un taux de charge élevé en pétales entraine une augmentation importante de la permittivité réelle et nuit à la condition d’accord. L’enrobage à la silice des pétales NiFeMo a permis de réduire la permittivité et d’atteindre un niveau d’absorption plus important. Ainsi, nous avons pu réaliser des matériaux composites plus légers et plus minces, absorbants dans la gamme de fréquence recherchée / This thesis deals with composites material containing ferromagnetic flaky-shaped particles (high length to thickness ratio) which exhibit improved microwave properties in terms of permeability spectra. It aims at obtaining effective absorbers in the 1 GHz – 5 GHz range. Because of their good magnetic properties (high permeability and saturation magnetization), NiFeMo and FeSiAl alloys were chosen as fillers. Firstly, composite sheets containing flaky-shaped particles were elaborated. Particles with different aspect ratios were obtained through a ball-milling process and then mixed with polymers in a slurry which is casted into sheets by using the Doctor Blade method. Structural and magnetic properties of milled particles and their orientation in the dielectric matrix were investigated. Then, permeability and permittivity spectra measurements were carried out using a single coil permeameter and a standard APC-7 coaxial line. Their evolutions with the particles aspect ratio and the particles volume content in the matrix were studied. It was shown that flaky shaped particles exhibit higher permeability and permittivity levels. Hence, to avoid impedance mismatch, lowering permittivity levels by using an insulating layer is necessary. Consequently,NiFeMo flakes were coated with a silica layer through the Stöber process and FeSiAl flakes with an oxide layer through oxidation. Electromagnetic properties of composites filled with coated flakes were also studied. In addition, permeabilityspectra were fitted combining the Landau-Lifshitz-Gilbert equation and the Maxwell-Garnet mixing rule. Permittivity spectra were fitted using Odelevsky and Mclachlan laws. Finally, their efficiency as a microwave absorber is estimated by calculating the reflection loss of a normal incident electromagnetic wave on an absorbing layer backed by a perfect conductor. Using flaky particles instead of spherical ones allowed the use of lighter and thinner layer. However, it resulted in high permittivity levels and lead to impedance mismatches. Insulating NiFeMo flakes with a silica layer reduced permittivity levels and allowed better absorbing properties. By using flaky shaped particles, we elaborated thinner and lighter microwave absorbers in the 1 GHz – 5 GHz range.

This thesis presents a method for modeling energy consumption in the milling process to assess their environmental impact, using a simple experimental approach. The factors influencing the environmental impact in milling processes are analyzed with life cycle assessment principles, and their climate change impact is calculated with examples of dry milling experiments. The model for predicting energy consumption is inspired by the mechanistic model of milling operation. The tangential cutting force coefficients are approximated using experimental data to estimate the spindle power. The developed model can predict energy consumption for given cutting parameters and conditions. The results of the study indicate that 1) the energy consumption of the milling process estimated by the proposed mechanistic-based model aligns well with the experimentally measured results, 2) the experimental approach used to build the model is both easy and fast, and 3) the consumption of the solid cutting tool contributes the most to the environmental impact in dry milling processes. Furthermore, the analysis presented in this thesis provides insight into how to improve energy efficiency and reduce the environmental impact of milling processes. / Denna avhandling presenterar en metod för att modellera energiförbrukning i fräsningsprocessen för att bedöma deras miljöpåverkan genom en enkel experimentell metod. Faktorer som påverkar miljöpåverkan i fräsningsprocesser analyseras med principer för livscykelbedömning och deras klimatpåverkan beräknas med exempel på torrfräsningsförsök. Modellen för att förutsäga energiförbrukningen är inspirerad av den mekaniska modellen för fräsningsoperation. Koefficienter för tangentiell skärkraft approximeras med experimentella data för att uppskatta spindelkraften. Den utvecklade modellen kan förutsäga energiförbrukningen för givna skärparametrar och villkor. Resultaten visar att 1) energiförbrukningen i fräsningsprocessen uppskattad med den föreslagna mekanikbaserade modellen överensstämmer bra med experimentellt uppmätta resultat, 2) den experimentella metoden för att bygga modellen är enkel och snabb, och 3) förbrukningen av det fasta skärverktyget bidrar mest till miljöpåverkan i torrfräsningsprocesser. Analysen som presenteras i denna avhandling ger också insikt i hur man kan förbättra energieffektiviteten och minska miljöpåverkan i fräsningsprocesser.

Der Prozess des orthogonalen Drehfräsens ermöglicht eine hohe Produktivität, eine hohe geometrische Flexibilität hinsichtlich erzeugbarer Mantelflächenformen, einen gesicherten Spanbruch sowie die Herstellung drallfreier Oberflächen. Die derzeit erreichbare Form- und Maßgenauigkeit sowie Oberflächenqualität, die mit diesem Verfahren erzielt werden können, lässt bei Bauteilen mit hohen konstruktiven Anforderungen keine Substitution des etablierten Rundschleifprozesses zu. Das dynamische Verhalten der Prozesskräfte und der differente Schneidkantenverschleiß entlang der im Eingriff befindlichen Schneidkante sind die Haupteinflussgrößen für Geradheitsfehler der Mantellinie und damit verantwortlich für Abweichungen von der gewünschten Bauteilgeometrie. Durch die Lokalisierung des Spanprozesses auf die Stirnschneide können die Eingriffsverhältnisse und die auftretenden Prozesskräfte beim orthogonalen Drehfräsen exakt bestimmt und prozessspezifische Werkzeuggeometrien mithilfe des entwickelten Prozessmodells abgeleitet werden. Das Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung einer Prozessstrategie zur Reduktion von Geometrieabweichungen zylindrischer Bauteile durch einen robusten Prozess des exzentrisch-orthogonalen Drehfräsens ohne Axialvorschub. Dadurch lassen sich ökonomische und ökologische Vorteile hinsichtlich einer Substitution der Rundschleifbearbeitung durch die Komplettbearbeitung komplexer Bauteile in Dreh-Fräsbearbeitungszentren erzielen. Aus dem Stand der Forschung und Technik ist bekannt, dass beim orthogonalen Drehfräsen prozessbedingte Gestaltabweichungen erster bis vierter Ordnung an der Werkstückmantelfläche auftreten können. In Abhängigkeit von den konstruktiv geforderten Toleranzen bei Bauteilen mit zylindrischen und konvex gekrümmten Mantelflächen, kann die prozesssichere Anwendung des orthogonalen Drehfräsens derzeit der Schrupp- und Vorschlichtbearbeitung zugeordnet werden. Ergebnisse zur prozesssicheren Substitution der Außenrundschleifbearbeitung durch orthogonales Drehfräsen wurden bislang nicht veröffentlicht. Daraus leitete sich die Forschungsfrage ab, ob eine Fertigbearbeitung von zylindrischen Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen, die bisher toleranzbedingt spanenden Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide vorbehalten blieb, grundsätzlich möglich ist. Desweiteren leiteten sich auch Forschungsfragen zu den genauen Ursachen und der Beeinflussbarkeit dieser prozessbedingten Gestaltabweichungen beim orthogonalen Drehfräsen ab. Ein erstes Ziel dieser Arbeit war die Herleitung und Systematisierung der technologischen Grundlagen des Verfahrens orthogonales Drehfräsen, um den Stirnschneideneingriff, der die finale Mantelfläche erzeugt, mathematisch beschreiben zu können. Abgrenzend zum Stand der Technik wurde ein neuartiges Prozessmodell zur Schlichtbearbeitung zylindrischer Mantelflächen durch orthogonales Drehfräsen ohne Axialvorschub vorgestellt, das eine geometrische Ableitung aller technologischen Parameter auf Basis der Werkstückgeometrie (Mantellinienbreite und Durchmesser) ermöglicht. Das umfasst die Spezifikation der Werkzeuggeometrie und die Bestimmung sämtlicher Einstellgrößen im Prozess. Desweiteren erlaubt dieses Modell eine genaue Bestimmung der Fehlereinflüsse auf die resultierende Zylindrizität der Mantelfläche. Ein weiteres Ziel der Arbeit war die Verifikation des Prozessmodells durch empirische Untersuchungen an Proben mit zylindrischen Mantelflächen mithilfe von Prozesskraftmessungen. Dabei sollte das dynamische Verhalten der Prozesskräfte durch den variierenden Stirnschneideneingriff nachgewiesen werden. Anschließend erfolgte ein empirischer Nachweis zur Verringerung der Prozesskraftdynamik, um steifigkeitsbedingte Fehlereinflüsse durch ungewollte Relativbewegungen zwischen Schneide und Werkstückmantellinie kompensieren zu können. Da sich entlang der Schneidkante beim orthogonalen Drehfräsen differente Verschleißzustände ausbilden, wurde in empirischen Untersuchungen der Schneidkantenverschleiß über den Standweg dokumentiert und ausgewertet. Damit konnten der Verschleißeinfluss des Belastungskollektivs sämtlicher Spanungsparameter in diskreten Abständen entlang der Schneidkante ermittelt und die Ableitung des mechanisch haltbaren Optimums für jeden Schneidenbereich im arbeitsscharfen Zustand ermöglicht werden. Auf Grundlage des entwickelten Prozessmodells zum orthogonalen Drehfräsen wurde auch eine darauf angepasste Prozessstrategie vorgestellt, mit der die Bewegungen für die Zustellung, den Vorschub und den Rückzug des Werkzeuges relativ zur Werkstückmantelfläche definiert wurden. Diese Bewegungen verursachen stets Unstetigkeiten im Prozess, die einen maßgeblichen Einfluss auf den resultierenden Rundheitsfehler an der Werkstückmantelfläche haben. Die Prozessstrategie ermöglichte eine Minimierung steifigkeitsbedingter Fehlereinflüsse auf die Rundheit und damit auf die resultierende Zylindrizität der Werkstückmantelfläche.:1. Einleitung .......................................................................................................... 1 2. Stand der Forschung und Technik .................................................................... 4 2.1. Gestaltabweichungen an zylindrischen Mantelflächen ................................ 8 2.1.1. Rundheit ............................................................................................... 9 2.1.2. Geradheit ............................................................................................ 10 2.1.3. Zylindrizität .......................................................................................... 11 2.2. Technologieentwicklung des orthogonalen Drehfräsens ........................... 12 2.3. Anwendungen............................................................................................ 28 2.4. Stand der Werkzeugentwicklung ............................................................... 36 2.5. Untersuchungen zu Prozesskräften und deren Dynamik ........................... 39 2.6. Untersuchungen zum Einfluss der Exzentrizität auf die Werkstückmantellinie ................................................................................. 44 2.7. Untersuchungen zur Oberflächenstrukturierung ........................................ 47 2.8. Untersuchungen zum Werkzeugverschleiß ............................................... 49 2.9. Schneidkantendefinition und Mikrospanbildung......................................... 52 2.10. Defizite im Stand der Forschung und Technik ........................................... 62 3. Vorgehensweise ............................................................................................. 64 4. Prozessgestaltung .......................................................................................... 69 4.1. Systemgrößen ........................................................................................... 69 4.1.1. Werkstückgeometrie ........................................................................... 69 4.1.2. Geometrisches Prozessmodell ........................................................... 70 4.1.3. Werkzeuggeometrie ............................................................................ 79 4.1.4. Prozesskühlung .................................................................................. 90 4.1.5. Werkzeugmaschine ............................................................................ 91 Inhaltsverzeichnis II 4.2. Einstellgrößen ............................................................................................ 92 4.2.1. Zahnvorschub ..................................................................................... 92 4.2.2. Schnitttiefe .......................................................................................... 94 4.2.3. Exzentrizität ........................................................................................ 95 4.2.4. Schneidenanzahl .............................................................................. 106 4.2.5. Schneidenvorversatz ........................................................................ 109 4.2.6. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 113 4.2.7. Kinematik der Werkzeugzustellbewegung ........................................ 115 4.3. Prozessgrößen ........................................................................................ 123 4.3.1. Spanungsdicke ................................................................................. 124 4.3.2. Spanungsquerschnitt ........................................................................ 128 4.3.3. Prozesskraftverlauf ........................................................................... 129 4.4. Ergebnisgrößen ....................................................................................... 134 4.4.1. Geradheit der Mantellinie .................................................................. 134 4.4.2. Rundheit ........................................................................................... 140 5. Experimentelle Untersuchungen ................................................................... 144 5.1. Festlegung der Systemgrößen ................................................................ 145 5.1.1. Werkzeuggeometrie .......................................................................... 145 5.1.2. Werkstückgeometrie ......................................................................... 148 5.1.3. Werkzeugmaschine und Prozesskühlung ......................................... 149 5.2. Festlegung der Einstellgrößen ................................................................. 151 5.2.1. Zahnvorschub, Schnitttiefe und Exzentrizität .................................... 151 5.2.2. Werkzeugdrehzahl ............................................................................ 152 5.2.3. Werkzeugzustellbewegung ............................................................... 153 5.3. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen ................................... 155 5.3.1. Analyse des dynamischen Prozesskraftverhaltens ........................... 155 5.3.2. Analyse der Werkstückgeometrieabweichungen .............................. 169 5.3.3. Analyse des Werkzeugverschleißes ................................................. 183 Inhaltsverzeichnis III 6. Fazit .............................................................................................................. 206 7. Zusammenfassung ....................................................................................... 210 8. Ausblick ........................................................................................................ 213 9. Anlagen ......................................................................................................... 9-1 9.1. Ergebnisse der Schneidkantenpräparation ............................................... 9-1 9.2. Ergebnisse zur Prozesskraftdynamik ....................................................... 9-4 9.3. Ergebnisse der Werkstückgeometrieuntersuchungen ............................ 9-24 9.4. Ergebnisse zum Werkzeugverschleißverhalten ...................................... 9-35