Contexte de travail Le travail de thèse se déroulera en collaboration entre le CTDEC et le laboratoire GSCOP de Grenoble sous la responsabilité scientifique de Henri PARIS. Le travail de thèse sera co-dirigé opar Joël RECH (MdCf) du laboratoire LTDS en poste à l'ENI de Saint-Etienne. Le travail de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet dénommé FGVV (Forage à Grande Vitesse Vibratoire) soutenu par le FCE (pôles de compétitivité VIAMECA et ARVES INDUSTRIES). Objectifs industriels et scientifiques Ce projet FGVV vise essentiellement à maîtriser et à industrialiser la technologie dite de « forage vibratoire ». Cette technologie permet de réaliser des trous de très grandes profondeurs grâce à une vibration axiale du foret conduisant à une fine fragmentation des copeaux qui s'évacuent alors naturellement sans aucune difficulté. Le projet fait suite à plusieurs années de travaux scientifiques et technologiques, qui ont montré la viabilité technique et économique de ce procédé. L'objectif de cette thèse est d'étendre l'utilisation de cette technologie à des applications concernant des diamètres plus petits et sur des matériaux plus difficile à usiner. Le domaine du décolletage est souvent confronter à des perçages de petit diamètre, voire très petit diamètre (<1mm) dans des matériaux difficile à usiner (acier inox, titane, …). Dans ces applications, l'incidence de l'âme du foret devient importante et les modèles mis en place trouve leurs limites. De plus, les aspects thermiques et tribologiques à l'interface copeau outil ne sont pas simples à maîtriser et génèrent un amortissement qui peut être préjudiciable au bon fonctionnement de la tête de perçage vibratoire. Il s'agit, dans un premier temps, à l'aide de résultats expérimentaux d'identifier les phénomènes liés à coupe de ces matériaux qui sont les plus influents sur le comportement dynamique de la tête de perçage vibratoire. Dans un deuxième temps, cette caractérisation devrait permettre de mettre en place des modèles permettant de prédire le comportement et ainsi d'identifier des points de fonctionnement intéressants. Ces modèles seront alors intégrés dans un outil de simulation permettant de prédire le fractionnement du copeau et plus largement le comportement du système composé de la tête de perçage vibratoire, du foret et de la pièce. Dans un troisième temps, l'extension vers les très petits diamètres nécessite une bonne compréhension et un modélisation de l'amortissement issu de l'âme du foret qui devient prépondérant est nécessaire. Enfin, une optimisation des paramètres autour des points de fonctionnement identifiés permettra de répondre au mieux aux contraintes de productivité. Une re conception de la tête, intégrant ces nouvelles connaissances, est alors prévue pour répondre au mieux aux applications industrielles. Les modèles mis en place devraient aussi permettre une extension vers les applications sur des pièces en alliages d'aluminium moulées car les phénomènes de collage du copeau et son l'incidence sur la comportement dynamique de la tête de perçage vibratoire sont aussi présent sur ce type de matériau. / Background work The thesis work is conducted in collaboration between the laboratory and CTDEC GSCOP Grenoble in the scientific responsibility of Henri PARIS. This thesis will be co-directed by Joël RECH (MdCf) laboratory LTDS stationed in ENI Saint-Etienne. This thesis is part of a project called FGVV (Forage Vibratoire a Grande Vitesse) supported by the CFE (competitiveness clusters VIAMECA and ARVES INDUSTRIES). Objectives industrial and scientific This project focuses FGVV control and industrialize a technology called "drilling vibration." This technology can make holes very deep thanks to an axial vibration of drills leading to fragmentation of a thin shavings which go out then naturally without any difficulty. The project follows several years of scientific and technological work, which demonstrated the technical and economic viability of this process. The objective of this thesis is to extend the use of this technology in applications involving smaller diameters and materials more difficult to machine. The field of cutting is often confronted with small-diameter holes, even very small diameter (<1 mm) in materials difficult to machine (stainless steel, titanium,…). In these applications, the impact of the soul of drills becomes important and models introduced found their limits. In addition, thermal and tribological aspects to the interface chip tool are not easy to control and generate an amortization, which may adversely affect the proper functioning of the head of drilling vibration. In a first step, using experimental results to identify phenomena related to cutting of these materials which are most influential on the dynamic behavior of the head of drilling vibration. In a second time, this characterization is expected to introduce models to predict the behaviour and identify points of operation interesting. These models are then integrated into a simulation tool to predict splitting chip and more broadly the behaviour of the system composed of the head drilling vibration, and the drill room. In a third time, extending to the very small diameters requires a good understanding and modeling of depreciation from the soul of drills that becomes dominant is necessary. Finally, an optimization settings around the operating points identified will best respond to constraints on productivity. A re design of the head, incorporating this new knowledge, is then scheduled to suit the industrial applications. The models put in place should also allow an extension to the applications on parts of aluminum alloy castings as the phenomena of bonding the chip and its impact on the dynamic behavior of the head drilling vibration are also present on this type material.

L’allégement des structures aéronautiques conduit à associer par stratification les composites aux métaux : on parle alors de multi-matériaux. L’assemblage mécanique des empilages nécessite au préalable des opérations de perçage qui s’effectuent majoritairement sur Unité de Perçage Automatique (UPA). L’objectif des travaux présentés dans ce mémoire est d’optimiser les opérationsde perçage effectuées sur UPA dans des multi-matériaux CFRP-7175-TA6V. Trois axes de recherche ont ainsi été étudiés. Le premier concerne l’optimisation de l’outil. L’utilisation d’une méthode de conception adaptée a conduit vers plusieurs pistes d’améliorations de la géométrie d’un foret. Le deuxième axe traite de la modélisation du perçage vibratoire. Cette méthode consiste à ajouter un mouvement de vibration axiale, au mouvement de coupe. Le dernier axe développe la technique du perçage auto-adaptatif. Une nouvelle méthode est proposée pour identifier les différents matériaux constituants l’empilage. / The weight reduction of aero structures has led to use composite materials combined to metallicparts to form multilayer materials. Stacked materials are drilled in one-shot during the assemblyprocess. The objective of this work is to find optimised parameters to drill efficiently CFRP-7175-TA6Vmaterial stack using Automatic Drilling Units (ADU). Three research areas have been explored. Thefirst one concerns drill bit optimisation. A customized functional analysis had led to several toolimprovements. The second area focuses on vibration-assisted drilling. This method consists in addinga reciprocating axial displacement. Formerly under ribbon form, the chips become well broken withthe vibrations and their evacuation gets better. At last, the self-adaptive drilling technique is studied.A new methodology for real-time material identification is proposed.

L'allégement des structures aéronautiques conduit à associer par stratification les composites aux métaux : on parle alors de multi-matériaux. L'assemblage mécanique des empilages nécessite au préalable des opérations de perçage qui s'effectuent majoritairement sur Unité de Perçage Automatique (UPA). L'objectif des travaux présentés dans ce mémoire est d'optimiser les opérationsde perçage effectuées sur UPA dans des multi-matériaux CFRP-7175-TA6V. Trois axes de recherche ont ainsi été étudiés. Le premier concerne l'optimisation de l'outil. L'utilisation d'une méthode de conception adaptée a conduit vers plusieurs pistes d'améliorations de la géométrie d'un foret. Le deuxième axe traite de la modélisation du perçage vibratoire. Cette méthode consiste à ajouter un mouvement de vibration axiale, au mouvement de coupe. Le dernier axe développe la technique du perçage auto-adaptatif. Une nouvelle méthode est proposée pour identifier les différents matériaux constituants l'empilage.

Le perçage vibratoire auto entretenu propose la rupture technologique nécessaire à une augmentation de la performance du perçage profond. Un porte outil spécifique a été conçu pour permettre les vibrations axiales, et se présente sous la forme d'un système masse ressort, dont les caractéristiques sont identifiés par l'utilisation de la théorie des lobes de stabilité. L'identification des caractéristiques géométriques d'un outil optimal passe par la caractérisation des aspects tribologiques, des caractéristiques mécaniques du matériau usiné, ainsi que la définition d'une préparation d'arête adéquate. Enfin, ce procédé étant piloté par l'énergie de la coupe, deux modèles d'effort ont été identifiés. La méthode CAM repose sur la discrétisation de l'effort de perçage lors de la phase de pénétration, alors que l'approche analytique permet de prédire l'effort à partir d'un modèle de coupe analytique identifié à partir d'essais de coupe oblique. / Self-sustained vibration drilling offers the technological breakthrough needed to increase the performance of deep drilling. A special tool holder is designed to allow axial vibration, and comes as a spring mass system, whose characteristics are identified by the use of the theory of stability lobes. Identification of the geometric characteristics of an optimal tool requires the characterization of tribological aspects, mechanical properties of the machined material, and the definition of a proper edge preparation. Finally, this process is driven by the energy of the cut, and two types of effort have been identified. The Edge-Material-Pair Method is based on the discretization of the drilling thrust force during penetration phase, while the analytical approach can predict forces from a cut pattern identified from oblique cutting tests.