Reproduction de : Thèse de doctorat : Sciences de l'ingénieur. Option Mécanique : Metz : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliographiques.

Thèse de doctorat : Mécanique : Mécanique-Productique : Metz : 2006. / Thèse soutenue sur ensemble de travaux. Bibliogr. p. 53, 96, 140, 171.

Thèse de doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2003. / 99 réf.

Thèse de doctorat : Sciences. Mécanique : Ecole centrale de Lyon : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre. 99 réf.

Les céramiques à base d’Al2O3 et de 3Y-ZrO2 à structures submicroniques présentent, au vu de leurs propriétés physiques et mécaniques, un fort potentiel pour l’usinage de composites en bois. Neuf nuances ont été développées par coulage-gélification (CG) et par pressage isostatique à froid (CIP). Elles ont ensuite été testées en usinage dans des conditions industrielles de coupe. L’objectif de la thèse a été la compréhension, à partir de ces résultats, des mécanismes d’usure, afin d’identifier les propriétés physiques et mécaniques nécessaires pour l’usage d’un matériau nouveau pour cette application. Des outils prototypes de fraisage et de tournage ont été conçus. L’état d’endommagement et les contraintes résiduelles dans la céramique, dus aux étapes de fabrication des prototypes, ont été déterminés. Les résultats des expérimentations de coupe montrent que différents mécanismes opèrent sur l’usure des céramiques. Pour les nuances d’alumine, l’usure de l’arête se fait par arrachement cyclique de grains, tandis que les nuances à base de zircone se déforment plastiquement. Il apparaît que les propriétés physiques, telles que la taille de grain et la densité, sont prédominantes sur les propriétés mécaniques. L’utilisation de céramiques à structure submicronique avec des densités supérieures à 99 % améliore les performances en usinage. C’est la nuance Al2O3-10 % ZrO2 produite par CG qui a montré la meilleure résistance à l’usure. Lors de l'affûtage et de la coupe, l'oxyde de zirconium non stabilisé opère un changement de phase qui induit des contraintes de compression au sein de la microstructure et augmente ainsi la résistance micromécanique des joints de grain. / High mechanical properties of sub-μm grain Al2O3 and 3Y-ZrO2 present high potential for the cutting of wood-based materials. Nine grades were produced by gelcasting (GC) and cold isostatic pressing (CIP). They were tested in real industrial conditions. From those results, this thesis’ aim was to highlight the wear mechanisms in cutting, and then deduce major physical and mechanical properties that are task of material development. Consequently, prototypes for cutting trials have been developed. As a result, the manufacturing of prototype tools, X-Ray diffraction, analytical and numerical investigations were performed to quantify residual stress that occurred in ceramic. Observation of the results of experimentations in machining showed different wear modes. For alumina’s grade, single grain pull-out was the main wear mechanism of the cutting edge, while microplastic deformation occurred in zirconia’s composition. Physical properties of ceramic structure, like grain size and density, are more important than mechanical properties. To improve cutting lifetime, density must be higher than 99%, with a structure with sub-μm grain size. It appeared that there was a predominant role of micromechanical stability while cutting abrasive materials. Fracture toughness or thermal shock resistance seem to have marginal influence when ceramic were produced by low-defect process like GC. Regarding all ceramic grades the Al2O3-10ZrO2 made by GC showed the highest wear resistance in machining. Unstabilized zirconia brought micromechanical stability between grains of the cutting edge while working.

Le diagnostic des outils de coupe joue un rôle dans l’industrie où il est important de maîtriser les coûts ainsi que la qualité des produits finis tout en maintenant la sécurité et la sûreté des biens et des personnes. L’objectif de cette thèse est l’analyse vibratoire des outils de coupe d’une opération de fraisage pour le diagnostic de leur état de dégradation. Dans une première partie nous avons étudié les possibilités offertes par les traitements statistiques synchrones des signaux vibrations issus d’une opération d’usinage pour étudier leur état de fonctionnement. Les signaux vibratoires traités ont la particularité d’être cyclostationnaires, c'est-à-dire périodiques dans leurs propriétés statistiques. La prise en compte de cette propriété permet l’utilisation des descripteurs capables de caractériser instantanément les processus vibratoires, en liaison avec la cinématique mécanique de l’opération d’usinage. De plus lorsque associé à l’échantillonnage angulaire, la cyclostationnarité conduit vers la proposition d’estimateurs statistiques synchrones commodes à mette en œuvre. Les statistiques synchrones d’ordre l et d’ordre 2, la corrélation spectrale ainsi que le bispectre cyclique sont définis avec leurs interprétations et leurs estimateurs. Un modèle des signaux de fraisage est donné. Cette modélisation vise à démontrer la cyclostationnarité de ces signaux. L’emploi de ces indicateurs est illustré sur des signaux réels et comparé avec des indicateurs classiques pour le diagnostic de dégradation des outils de coupe. Dans une deuxième partie, la déconvolution aveugle de la réponse impulsionnelle d’un processus cyclostationnaire est réalisé, en utilisant seulement les statistiques d’ordre deux. Pour cela on exploite la propriété de cyclostationnarité pour estimer la phase du système, même si le système est à phase non minimale. Deux méthodes sont présentées, paramétrique Ding-p et non paramétrique Ding-n. Ces méthodes ont été validées sur des signaux de simulation des signaux vibratoires issus des machines tournantes. Deux applications ont été faites, la première est d’estimer la réponse impulsionnelle d’un système broche-outil-pièce de fabrication. La deuxième c’est de reconstruire les forces de coupe, exerçants sur la pièce de fabrication, afin de faire le monitoring / The identification of the state of a cutting tool is important in any metal cutting process. An additional cost - in terms of scrapped components, machine tool breakage and unscheduled downtime - occurs as a result of tool defects. The thesis objective is the cutting tool vibration analysis of a milling operation for the diagnosis of their state of degradation. In the first part, the possibilities offered by the synchronous statistics, applied to vibration signal captured from a milling process, are studied to examine the cutting tool condition. The processed vibration signals are cyclostationary, i.e their statistical properties are periodic. Taking into account this property, the use of descriptors able to characterize the process, in conjunction with the kinematics of the mechanical machining operation. Furthermore, when combined with the angular sampling, the cyclostationarity led to the proposed synchronous statistical estimators convenient to implement. First order and second order synchronous statistics, the spectral correlation and the cyclic bispectrum are defined with their interpretations and estimators. A model of milling vibration signal is given. This model aims to demonstrate the cyclostationarity of the signals. The use of these indicators is illustrated on real signals and compared with conventional indicators for diagnosing degradation of cutting tools.In the second part, the blind deconvolution of the impulse response of a cyclostationary process is

Le contrôle de l’usure des couteaux de découpe est un grand défi dans l’industrie de la première transformation du bois. En contrôlant le niveau d’usure, les coûts de maintenance sont diminués et une meilleure qualité des produits est obtenue. Les mécanismes d’usure des outils de coupe dans un environnement industriel de transformation du bois sont particulièrement complexes. Dans le présent projet, une caractérisation des principaux mécanismes d’usure a été faite afin de comprendre les conditions de travail en première transformation du bois. Fort de ces résultats, une analyse du choix des matériaux ainsi que différentes conditions de traitement thermique ont été faites afin d‘optimiser la durée de vie des outils de coupe. Trois différents aciers à outil ont ainsi été choisis. Les traitements thermiques ont été effectués selon neuf conditions différentes par acier. Les essais de dureté, d’impact et d’usure par abrasion avec sable (DSRW) selon la norme ASTM G65 ont été effectués. La dernière partie de projet a été axée sur la caractérisation des performances en usure de revêtements céramiques obtenus par la méthode de dépôt physique par phase vapeur (PVD) appropriés pour les conditions d’utilisation retrouvées dans la première transformation du bois. Les essais ont été réalisés sur les échantillons préalablement traités thermiquement selon les conditions optimales déterminées. Six revêtements différents ont été choisis pour faire face aux conditions pour lesquelles la résistance à l’abrasion et aux impacts périodiques sont importantes. Un appareil d’essai de fatigue par impact a été fabriqué pour évaluer la résistance des revêtements aux chocs périodiques sur la surface. De plus, des essais de micro-dureté et de l’usure par abrasion avec sable ont été faits. Afin d’évaluer la condition de la surface après chaque essai, l’analyse d’image par microscopie électronique à balayage (MEB) a été faite. Deux mécanismes dominants qui étaient observés sont la micro abrasion et l’écaillage de l’arête. La micro abrasion sur les surfaces de coupe et de dégagement est différente où il y a un grand écart en grosseur des traces d’abrasion. La résistance optimale pour l’usure par abrasion et impact a été obtenue avec l’acier AISI H13 trempé à 1040°C suivi par un double revenu à 580°C. Le revêtement d’AlCrTiN a été le meilleur pour améliorer la résistance de l’acier AISI A8 à l’usure par abrasion et fatigue d’impact. Pour les aciers AISI S1 et AISI H13, le revêtement de TiAlCrN a fourni la résistance optimale en terme de résistance à l’abrasion qui est la première cause d’usure des outils de coupe utilisés dans le procédé d’équarrissage-fragmentation. / Controlling cutting knife wear is a big challenge in industry of primary transformation of wood. By controlling the knife wear, maintenance cost will be reduced and higher quality of products will be achieved. Wear conditions in the wood transformation industry is very intricate. In this project, wear study was performed in order to understand the work condition in primary transformation of wood. Microscopic analysis was conducted to investigate wear mechanisms on the edge of knives. Wear properties on both rake face and clearance face were studied. Material selection and heat treatment practices were done in the second part of the project in order to optimize the tool life. Three steels from different tool steel categories were selected. Heat treatment tests were carried in nine different conditions per steel. Hardness, impact and dry-sand-rubber-abrasion-wear according to ASTM G65 standard (DSRW) tests were applied for evaluating the samples. Last part of this project was about evaluating of industrial coatings by physical vapour deposition (PVD) method for the working condition in primary transformation of wood. Tests were done on optimized samples from heat treatment study. Six different coatings were selected in order to perform high resistance to conditions where both abrasion and periodic impact are present. Impact Fatigue test machine was fabricated in order to evaluate the resistance of coatings to working conditions of periodic shock on the surface. Micro-hardness and DSRW test were done as well. In order to evaluate the surface change after each experiment, SEM imaging was done. The two dominant mechanisms that were observed are micro abrasion and edge chipping. The micro-abrasion patterns found on rake and clearance surfaces were dissimilar and there was a significant difference in size and shape of abrasion marks. The optimum resistance to abrasion wear and impact was achieved for AISI H13 tool steel quenched from 1040°C followed by double-tempering at 580°C. AlCrTiN coating was the best coating to improve the resistance of AISI A8 tool steel to both abrasive and impact fatigue wear. For both AISI S1 and AISI H13 steel, TiAlCrN coating has performed optimum resistance to abrasive working condition which is major cause of tool wear in chipper-cantering.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concernent la prédiction et l'amélioration des performances des machines outils à structure parallèle dans le but de produire des pièces conformes à la qualité requise. Ces travaux s'inscrivent dans une problématique global d'optimisation du triplet pièce/ processus/ machine. Le problème posé se situe au niveau de l'influence de la structure sur la qualité de la pièce usinée. La thèse l'illustre à travres l'analyse de l'influence des comportements statique et gèométrique des structures parallèles sur la forme des surfaces usinées. Ce travail prppose alors des avancées suivant deux axes fondamentaux : La définition d'un espace de travail statistiquement admissible, La proposition d'une méthode d'identification du processus. Ces approches sont alors projetées dans un contexte industriel, permettant ainsi de définir le concept de maintenance géométrique de la machine et d'identification global / local

La scie circulaire munie de dents en carbure de tungstène cémenté est largement utilisée dans la première transformation du bois. L'usure des dents a un effet négatif sur la qualité de la surface, la précision du sciage, la récupération du bois, le coût de production et la fiabilité du processus des scieries. Dès lors, l'amélioration de la résistance à l'usure de la scie circulaire est d'une grande importance. Le but du présent travail de recherche était de prolonger la durée de vie des scies circulaires utilisées dans la première transformation du bois. L'objectif a été atteint grâce à l'optimisation de la micro-géométrie de leurs arêtes de coupe, jumelée à la technique de dépôt physique en phase vapeur (PVD). Une série d'expériences industrielles et de laboratoire ont été menées. La première partie de cette recherche a montré que la modification de micro-géométrie des arêtes de coupe permettait de diminuer l'usure des scies de 2 à 3 fois par rapport aux scies conventionnelles. Cela s'explique par les changements que la géométrie des arêtes de coupe induit sur les mécanismes d'usure. Ainsi, pendant que les dents de géométrie conventionnelle s'usaient par écaillage, fissuration, abrasion et déformations plastiques, celles modifiées présentaient une diminution significative de l'usure par écaillage et fissuration. De plus, la modification des arêtes de coupe a contribué à réduire les variations de sciage entre et à l'intérieur des planches ainsi que la variation totale de sciage de 36 %, 38 % et 35%, respectivement. La deuxième phase de cette recherche s'est concentrée sur l'effet de la micro-géométrie d'ingénierie variable sur la qualité de surface des planches d'épinette, de pin gris et de sapin baumier (SPF). Une stratégie a été élaborée pour couper le bois sur le banc d'essai où les paramètres de coupe ont été choisis pour être identiques à ceux de la scierie. Des scies à trois niveaux d'usure (après 0, 255 et 900 min de travail dans une scierie) ont scié des équarris dans des conditions de bois gelé et non gelé. La qualité de surface des planches produites sur le banc d'essai a été évaluée à l'aide de paramètres standard de rugosité et d'ondulation. Les résultats de l'analyse de covariance (ANCOVA) ont révélé que les scies modifiées surpassaient considérablement la scie conventionnelle en termes de finition de surface du bois. La dernière partie de ce travail a porté sur la caractérisation de l'efficacité de la modification de la micro-géométrie d'ingénierie variable des arêtes de coupe des scies en combinaison avec l'utilisation de revêtements PVD des dents sur leur résistance à l'usure. Quatre revêtements multicouches ont été déposés sur des substrats WC-Co pour évaluer leurs propriétés tribo-mécaniques. Le CrN/CrCN s'est avéré le meilleur revêtement en termes d'adhérence et de résistance à l'usure. Suite à cela, des essais de caractérisation d'usure de scies ont été effectués dans des conditions de production industrielle avec trois types de scies: 1-revêtue et l'arête de coupe modifiée, 2-non revêtue et l'arête de coupe modifiée, et 3-revêtue et telle que fabriquée (non modifiée). La scie 1 a réduit le taux d'usure de 46 % et 16 % par rapport aux scies 3 et 2, respectivement, lors des premiers 480 min de sciage. Cette réduction a atteint 73 % et 41 %, respectivement, lorsque le sciage s'est poursuivi jusqu'à 960 min. / Circular saws with cemented tungsten carbide teeth are broadly used in primary wood processing. The wear of teeth has an adverse effect on surface quality, sawing accuracy, lumber recovery, production cost, and process reliability of sawmills. Therefore, improving the wear resistance of circular saws is of great importance. The goal of this research was to extend the life of circular saws used in primary wood processing. This was accomplished through optimization of the micro-geometry of cutting edges of saws and the application of coatings via the physical vapor deposition (PVD) technique. A set of industrial and laboratory experiments were conducted. The first part of this research showed that the modification of the micro-geometry of the cutting edges made it possible to reduce the wear of the saws by 2 to 3 times compared to conventional saws. This is explained by the changes that the geometry of the cutting edges induces on the wear mechanisms. Thus, while teeth with conventional geometry wear by chipping, cracking, abrasion and plastic deformation, the modified ones showed a significant reduction in wear by chipping and cracking. In addition, the modification of the cutting edges helped to reduce sawing variations between and within the boards as well as the total sawing variation by 36%, 38% and 35%, respectively. The second phase of this research focuses on the effect of variable engineered micro-geometry on the surface quality of spruce-jack pine-balsam fir (SPF) boards. Therefore, a strategy was devised to cut the wood on a test bench where the cutting parameters were selected to be identical as those of the sawmill. Saws with three levels of wear (after 0, 255, and 900 min of working at a sawmill) processed the cants under frozen and unfrozen wood conditions. The surface quality of boards produced on the test bench was assessed using standard roughness and waviness parameters. The results of the analysis of covariance (ANCOVA) revealed that the saw with a waterfall hone edge profile significantly outperformed the conventional saw in terms of wood surface finish. The final part of this work focused on characterizing the effectiveness of modifying variable engineering micro-geometry of saw cutting edges in combination with the use of PVD coatings of the teeth on their wear resistance. Four multilayer coatings were deposited on WC-Co substrates to evaluate their tribo-mechanical properties. CrN/CrCN proved to be the best coating in terms of adhesion and wear resistance. Following this, the wood processing was conducted under industrial production conditions with three types of saws: 1- coated and the modified cutting edge, 2- uncoated and the modified cutting edge, and 3- coated and as manufactured (unmodified). Saw #1 reduced the wear rate by 46% and 16% compared to saws #3 and #2, respectively, during the first 480 min of sawing. This reduction reached 73% and 41%, respectively, when sawing continued for up to 960 min.