Ce travail, mené dans le cadre d’une thèse CIFRE en collaboration avec le fabricant d’outil de coupe ValeniteSafety et le Laboratoire de Mécanique et Rhéologie EA 2640 de l’Université François Rabelais de Tours (Polytech’Tours), a été réalisé au sein du Centre d’Etude et de Recherche sur les Outils Coupants (CEROC). Il s’agit d’étudier le rayon d’arête noté ER et son influence sur l’intégrité de surface lors d’une opération de tournage à sec sur l’acier 27MnCr5. L’usinage par enlèvement de matière résulte du cisaillement de matière par l' arête de coupe, partie active d’une plaquette. C’est l'élément le plus sollicité pendant la coupe. Une plaquette est caractérisée par son substrat, son revêtement, la géométrie de la zone de coupe et sa micro géométrie d’arête qui influence intimement le cisaillement de la matière. Elle conditionne ainsi l’intégrité de surface usinée. Théoriquement une finition d’arête idéale au bon cisaillement de la matière doit être « vive ». En réalité, dans un grand nombre de cas les arêtes ont un mouchage (arrondie). L’objectif de cette étude est d’analyser le comportement des rayons d’arête. La maîtrise de la finition d’arête peut augmenter de façon significative la durée de vie de la plaquette et assurer la reproductibilité de la qualité de surface usinée. Après un rappel des principes généraux de la coupe, nous nous attachons à décrire la micro géométrie d’arête et son influence lors du procédé d’usinage à sec. Nous présentons ensuite la procédure suivie pour la détermination des conditions d’utilisations de l’outil. Puis nous décrivons les protocoles expérimentaux de préparation des pièces à usiner et des arêtes de coupe de la plaquette. Pour caractériser l’intégrité des surfaces usinées et le comportement des rayons d’arête nous employons plusieurs techniques telles que la Microscopie Electronique à Balayage, la Microscopie Interférentielle, la Micro indentation. Des paramètres tels que les efforts de coupe, les phénomènes d’usures développées pendant les tests de durée de vie, la topographie et la métallurgie de surface ont été analysés. Ces analyses permettent de quantifier le comportement des rayons d’arête et l’influence des tolérances de fabrication sur l’intégrité de surface de la pièce. / This work performed at the Research Cutting Tools Centre “CEROC” has been carried out in the framework of a collaboration with the cutting tool manufacturer ValeniteSafety and the Mechanical & Rheology Laboratory EA 2640 of the University François Rabelais of Tours (Polytech’Tours). It’s devoted to investigate the behaviour of the cutting edge radius denoted ER on the surface integrity of worked piece after dry turning of 27MnCr5 steel. Cutting process involving material removal occurs by a large plastic deformation in a zone of concentrated shear due to the cutting edge. Cutting edge radius is the essential working part of the insert during machining process. An insert is a combination of a substrate, a coating, the geometry of a cutting zone and the edge finish geometry. These parameters related to the shearing property of the worked piece are critical for the quality of the surface integrity. Sharp edge is considered as an ideal edge in theory. However, in many cases, the cutting edges are “honed” on purpose during the manufacturing process of the insert. The aim of this research work is to establish correlations between relevant parameters and examine how the surface integrity of machined steel and tool life can be affected by the cutting tool edge preparation. Control of the micro edge radius geometry can considerably increase the tool life and assure the reproducibility of the machined surface quality. After a summary of the metal cutting principles, we describe how the presence of a honed edge affects the performance of machining operation in different ways. We present the procedures followed to determine the cutting conditions adapted to our cutting tool and material during dry turning. The experimental procedure of machined samples and edge radius preparation methods used in this study are illustrated. Scanning Electronic Microscope, White Light Interferometry and Micro Indentation, were the employed techniques to understand the impact of honed insert edges in the surface integrity of the worked piece and to investigate tool life performances. Parameters such as: cutting efforts, wear types generated during life time tests, topographic and metallurgic surface were evaluated and allow to quantify the effect of the variation of the cutting edge radius “manufacturing spread” on the life time of the insert and the surface finish of the worked piece.

L'étude présente les méthodes pour identifier et simuler les défauts de fabrication tridimensionnels. Les méthodologies ont été élaborées sur la base des travaux antérieurs, tels que la méthode de simulation MMP (Model of Manufactured Part) présentée par F. Villeneuve et F. Vignat, associée à la méthode de la double mesure présentée par S. Tichadou.Dans cette thèse, la première méthode proposée, basée sur la méthode des petits déplacements (TPD) est présentée et permet l'identification des défauts de fabrication. Cette méthode permet de distinguer les défauts d'usinage et les défauts de positionnement d'un lot de pièces au cours d'un processus de fabrication. Les résultats obtenus dans cette méthode représentent les dispersions géométriques des pièces usinées. En outre, une méthode d'analyse modale de défauts a été réalisée pour analyser les défauts de forme d'une pièce mesurée sur une MMT avec un nombre restreint de points de mesure (10 points sur chaque surface usinée). Les résultats montrent que les modes des défauts de forme sont obtenus correctement (bombé, ondulation, vrillage, etc.)En raison de l'importance du rôle du défaut de positionnement dans la qualité d'un produit en cours de fabrication, ensuite deux indicateurs simples ont été proposés pour évaluer la qualité globale d'un montage de fixation de pièces.Par ailleurs, un modèle permettant de simuler les défauts de positionnement d'une pièce fixée sur un mandrin à trois mors a été développé. Le modèle final de simulation est une combinaison de trois méthodes: plan d'expérience, simulation par éléments finis, et simulation de Monte Carlo. Pour la méthode des plans d'expérience, trois facteurs, qui sont supposés être les plus importants dans les défauts de positionnement, sont utilisés dans le modèle. Les résultats obtenus à partir des simulations sont exprimés sous forme de distributions et de paramètres statistiques caractéristiques. Ceux-ci sont ensuite utilisés pour effectuer les simulations en appliquant la méthode de Monte Carlo.Enfin, un modèle global est proposé, pour simuler la gamme de fabrication d'une pièce fraisée. Ce modèle permet de vérifier la gamme choisie avec des tolérances fonctionnelles de la pièce imposée. De plus, cette méthode permet de vérifier une gamme de fabrication en garantissant les tolérances fonctionnelles imposées ou une utilisation inverse qui permet de déterminer les tolérances garantissant un nombre de pièces usinées hors des zones de tolérance.

L'étude présente les méthodes pour identifier et simuler les défauts de fabrication tridimensionnels. Les méthodologies ont été élaborées sur la base des travaux antérieurs, tels que la méthode de simulation MMP (Model of Manufactured Part) présentée par F. Villeneuve et F. Vignat, associée à la méthode de la double mesure présentée par S. Tichadou.Dans cette thèse, la première méthode proposée, basée sur la méthode des petits déplacements (TPD) est présentée et permet l'identification des défauts de fabrication. Cette méthode permet de distinguer les défauts d'usinage et les défauts de positionnement d'un lot de pièces au cours d’un processus de fabrication. Les résultats obtenus dans cette méthode représentent les dispersions géométriques des pièces usinées. En outre, une méthode d’analyse modale de défauts a été réalisée pour analyser les défauts de forme d'une pièce mesurée sur une MMT avec un nombre restreint de points de mesure (10 points sur chaque surface usinée). Les résultats montrent que les modes des défauts de forme sont obtenus correctement (bombé, ondulation, vrillage, etc.)En raison de l'importance du rôle du défaut de positionnement dans la qualité d'un produit en cours de fabrication, ensuite deux indicateurs simples ont été proposés pour évaluer la qualité globale d’un montage de fixation de pièces.Par ailleurs, un modèle permettant de simuler les défauts de positionnement d'une pièce fixée sur un mandrin à trois mors a été développé. Le modèle final de simulation est une combinaison de trois méthodes: plan d’expérience, simulation par éléments finis, et simulation de Monte Carlo. Pour la méthode des plans d’expérience, trois facteurs, qui sont supposés être les plus importants dans les défauts de positionnement, sont utilisés dans le modèle. Les résultats obtenus à partir des simulations sont exprimés sous forme de distributions et de paramètres statistiques caractéristiques. Ceux-ci sont ensuite utilisés pour effectuer les simulations en appliquant la méthode de Monte Carlo.Enfin, un modèle global est proposé, pour simuler la gamme de fabrication d’une pièce fraisée. Ce modèle permet de vérifier la gamme choisie avec des tolérances fonctionnelles de la pièce imposée. De plus, cette méthode permet de vérifier une gamme de fabrication en garantissant les tolérances fonctionnelles imposées ou une utilisation inverse qui permet de déterminer les tolérances garantissant un nombre de pièces usinées hors des zones de tolérance. / The research presents methodologies to identify and simulate manufacturing defects in three-dimension. The methodologies have been developed based on the previous works, such as the MMP (Model of Manufactured Part) simulation method presented by F. Villeneuve and F. Vignat, and the double measurement method is presented by S. Tichadou.In this thesis, the first proposed method based on the Small Displacement Torsor (SDT) concept is presented for identification of manufacturing defects. This method allows distinguishing the machining defects and positioning defects of a batch of parts during a process plan. The results obtained in this method represent geometric dimension errors of machined parts. In addition, we applied the parameterization method, which is usually used to analyze form defects of a part measured on a CMM with hundreds of measurement points, to complete the analysis of the form defects with a restricted number of measurement points (10 points on each machined surface). Even though this number appears to be low, the modes of the form defects are almost obtained (comber, undulation, twist, etc).Because of the important role of the positioning defect in the quality of a product during manufacturing, we then propose two simple indicators for evaluating the global quality of a fixture.Furthermore, we developed a model for simulating positioning defects of a workpiece fixed on a three-jaw chuck. The model is a combination of three methods: design of experiments, finite element simulation, and Monte Carlo simulation. Three factors, which are assumed to be the most important in positioning defects, are used in this model. Based on the simulated results, the influences of these factors are estimated. The results obtained from simulations can be expressed by form of distributions or statistical parameters. These allow using simulation of tolerance analysis based on Monte Carlo simulation.Finally, a model is developed based on MMP for tolerance analysis. This model allows us to verify a given process plan with functional tolerances of the machined part by determination of a number of machined parts out of tolerance zones or determine functional tolerances of a batch of machined parts based on a given process plan (without functional tolerances) and a number of rejected parts per million.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet.

Les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) à base d'antimoniures dans le moyen infrarouge permettent le développement et l'amélioration d'applications telles que la détection de gaz polluants. De nouveaux miroirs à réseaux à haut contraste d'indice (HCG) ont montré un pouvoir réflecteur comparable voire supérieur aux miroirs de Bragg conventionnels avec un gain d'épaisseur d'un facteur 10 tout en offrant un effet polarisant. L'insertion de ce nouveau type de miroir au sein d'une structure VCSEL présente ainsi des avantages prometteurs pour améliorer les propriétés de ces composants pour une émission dans le moyen infrarouge. Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse concerne la conception de miroirs HCG qui répondent aux exigences d'une intégration VCSEL en prenant en compte les contraintes technologiques et la tolérance aux erreurs de fabrication. Pour cela, dans un premier temps, un algorithme d'optimisation global a été combiné à une méthode de simulation numérique de réseaux (RCWA) afin d'automatiser la conception de miroirs. L'étude précise des tolérances des paramètres géométriques du réseau a été menée pour pouvoir ensuite développer un algorithme d'optimisation robuste. Cet algorithme permet ainsi d'obtenir non seulement un miroir répondant aux exigences de réflectivités définies par l'utilisateur mais également de conserver ces performances pour de larges gammes de tolérances. Enfin, dans une dernière partie, l'intégration du miroir à réseau dans un VCSEL a été simulée par une méthode aux différences finies (FDTD) pour étudier le fonctionnement d'un composant complet. / In the mid infrared wavelength range, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSEL) based on the antimony alloy is a promising solution to develop and enhance numerous applications such as polluting gas sensing. A new type of mirror based on High Contrast Grating (HCG) structures has shown similar reflectivities than the Bragg mirrors which are usually used in VCSELs. However, with a polarization selectivity and a reduction in thickness of a factor of 10, HCG mirrors can advantageously replace Bragg reflectors to enhance the properties of mid infrared VCSEL structures. The work presented in this manuscript is devoted to the design of high contrast grating mirrors for a VCSEL application and takes precisely into account the technological constraints and tolerance of fabrication. In a first part, a global optimization algorithm has been combined to a numerical analysis of grating structures (RCWA) to automatically design HCG mirrors for a VCSEL application. In a second part of this work, the tolerances of the grating dimensions have been precisely studied which has lead to the development of a robust optimization algorithm. This algorithm allows to design high contrast gratings which exhibit not only a high efficiency but also large tolerance values required by the manufacturing process. Finally, in a last part, a VCSEL structure using a high contrast grating as top mirror has been designed and simulated by FDTD to validate the use of HCG presented previously in a VCSEL structure.