L’objet de cette thèse est la prise en compte des effets du fraisage de finition dans un modèle d’endommagement en fatigue. Les procédés d’usinage tels que le fraisage sont connus pour imposer de fortes sollicitations thermomécaniques, pouvant altérer les propriétés géométriques (rugosité, arrachements) et mécaniques (contraintes résiduelles, écrouissages) en surface et sous-surface des pièces produites. Ces propriétés, regroupées sous le terme d’intégrité de surface, sont susceptibles d’affecter significativement la tenue en fatigue des pièces fabriquées. Cette problématique a été traitée pour le cas particulier du fraisage de finition à l’outil hémisphérique d’aciers à microstructure bainitique. Plusieurs axes d’étude ont été suivis, à commencer par la mesure et la caractérisation de l’intégrité de surface, et en particulier de son caractère anisotrope. Dans un deuxième temps, le rôle joué par l’intégrité de surface lors de sollicitations en fatigue a été mis en évidence au travers d’une campagne d’essais de flexion portant sur différents types de surface. Ces travaux à dominante empirique ont été complétés par l’étude et l’amélioration d’une approche hybride visant à mêler données expérimentales et modélisation pour prévoir rapidement et efficacement les profils de contraintes résiduelles induits par le procédé. Enfin, la dernière partie de l’étude a porté sur la prise en compte des résultats ainsi obtenus dans un modèle d’endommagement dit à deux échelles, dans le but de représenter, et dans la mesure du possible de prévoir, l’effet de l’intégrité de surface sur le comportement en fatigue du matériau. / This thesis focuses on the effects of finishing milling on fatigue damage. Machining processes such as milling are known to incur high thermomechanical loadings, which alter the geometrical (roughness) and mechanical (residual stresses, strain hardening) properties of the surface and sub-surface of produced parts. These properties, designated as surface integrity, are likely to affect significantly the fatigue strength of machined parts. The problem has been studied here in the case of the ball-end tool finishing milling of bainitic steels. Several approaches were followed, starting with the measurement and characterization of surface integrity, and especially of its anisotropic nature. Secondly, the role played by surface integrity during fatigue behaviour was highlighted through a bending test campaign including different surface types. These mainly empirical works were completed with the study and improvement of a hybrid approach aiming at combining experimental data and modelling in order to predict quickly and efficiently the residual stress profiles induced by the process. Finally, the last part of the study has dealt with taking account of the results thus obtained in a so-called two-scale damage model, in order to describe, and insofar as possible, to predict the fatigue behaviour of the machined material.

Dans l'industrie de fabrication mécanique et notamment pour l'utilisation des centres d'usinage haute vitesse, la connaissance des propriétés dynamiques du système broche-outil-pièce en opération est d'une grande importance. L'accroissement des performances des machines-outils et des outils de coupe a œuvré au développement de ce procédé compétitif. D'innombrables travaux ont été menés pour accroître les performances et les remarquables avancées dans les matériaux, les revêtements des outils coupants et les lubrifiants ont permis d'accroître considérablement les vitesses de coupe tout en améliorant la qualité de la surface usinée. Cependant, l'utilisation rationnelle de cette technologie est encore fortement pénalisée par les lacunes dans la connaissance de la coupe, que ce soit au niveau microscopique des interactions fines entre l'outil et la matière coupée, aussi bien qu'au niveau macroscopique intégrant le comportement de la cellule élémentaire d'usinage, si bien que le comportement dynamique en coupe garde encore une grande part de questionnement et exige de l'utilisateur un bon niveau de savoir-faire et parfois d'empirisme pour exploiter au mieux les capacités des moyens de production. Le fonctionnement des machines d'usinage engendre des vibrations qui sont souvent la cause des dysfonctionnements et accélère l'usure des composantes mécaniques (roulements) et outils. Ces vibrations sont une image des efforts internes des systèmes, d'où l'intérêt d'analyser les grandeurs mécaniques vibratoires telle que la vitesse ou l'accélération vibratoire. Ces outils sont indispensables pour une maintenance moderne dont l'objectif est de réduire les coûts liés aux pannes

Dans les approches numériques pour l'usinage à grande vitesse, le comportement rhéologique des matériaux usinés est généralement décrit par une loi de Johnson Cook et le frottement à l’interface par un coefficient constant de type Coulomb. Une première approche propose de déterminer une loi de frottement à paramètres multiples pour des basses températures combinées à des vitesses de glissement élevées au moyen d'un tribomètre. Les résultats expérimentaux sont comparés à un modèle numérique et une méthode inverse est utilisée pour minimiser l'erreur entre des simulations numériques et expérimentales sur les forces tangentielles et normales. Cette méthode permet de récupérer un coefficient de frottement de type Coulomb qui est associé à la pression locale, la température et la vitesse de glissement. La réalisation de plusieurs essais fournit une loi de frottement à paramètres multiples pour des vitesses de glissement élevées et des basses températures. Une seconde étude est menée sur les phénomènes microstructuraux intervenant à l’interface outil-copeau. De nombreuses études ont montré que les phénomènes de recristallisation dynamique apparaissent lors de l'usinage dans l'interface outil-copeau. La loi de Johnson Cook ne comprend pas de tels phénomènes. Ainsi, les modèles rhéologiques spécifiques basés sur la métallurgie sont introduits pour tenir compte de ces phénomènes de recristallisation dynamique. Un modèle éléments finis de la coupe orthogonale à deux dimensions est développé avec le logiciel Abaqus Explicit en utilisant une formulation ALE. Ce modèle éléments finis peut alors prédire la formation des copeaux, les températures d'interface, les longueurs de contact et les forces de coupe. De nombreux essais spécifiques sont réalisés sur un banc d'essai de coupe orthogonale et un tribomètre grande vitesse sur un acier AISI 1045 et avec un outil en carbure non revêtu. Les résultats expérimentaux sont ensuite comparés aux simulations numériques. Ces deux approches montrent qu’il est nécessaire, afin d’optimiser les modèles de coupe orthogonale, de prendre en compte une loi de frottement à paramètres multiples qui tient compte des pressions, températures et vitesses de glissement locales et d’intégrer une loi de comportement rhéologique à base métallurgique. / In numerical approaches for high speed machining, the rheological behavior of machined materials is generally described by Johnson Cook law and the friction at the interface by a constant coefficient of Coulomb. A first approach proposes to determine a multiparameter friction law for low temperatures in combination with high sliding speeds by means of a tribometer developed by Meresse et Al. [Mer11]. The experimental results are compared to a numerical model and a inverse method is used to minimize the error between the numerical and experimental simulations on tangential and normal forces. This method allows to recover a Coulomb friction coefficient. This one is associated with the local pressure, temperature and sliding velocity. Several tests provide a multiparameter friction law for higher sliding speeds and low temperatures. A second study is conducted on the microstructural phenomena occurring at the tool-chip interface. Numerous studies have shown that the dynamic recrystallisation phenomena appear during machining at the interface. Johnson Cook law excludes such phenomena. Thus, specific rheological models based on metallurgy are introduced to take into account the dynamic recrystallization phenomena. Two empirical models proposed by Kim et al. [Kim03] and Lurdos [Lur08] are studied. A two-dimensional finite element model of the orthogonal cutting is developed with Abaqus Explicit software using an ALE formulation. This finite element model can predict chip formation, interface temperatures, contact lengths and cutting forces. Many specific tests are performed with an orthogonal cutting test bench and with an high speed tribometer on an AISI 1045 steel. The experimental results are then compared with numerical simulations. Both approaches show that it is necessary to optimize the orthogonal cutting model, to take into account a multi-parameter friction law that considers the local pressures, temperatures, and sliding velocities and to integrate a rheological behavior law based on mettalurgy.

Cette étude est dédiée à l'influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l'intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface - microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage - est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l'outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l'enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d'entaille au fond des creux générés par l'outil.

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 en un temps minimal. Le problème abordé permet de déterminer l'influence de la structure sur la productivité et la qualité de la pièce usinée dans le contexte de l'Usinage à Grande Vitesse de pièces automobiles et aéronautiques. Ce travail propose alors des avancées suivant deux axes fondamentaux : - la modélisation du comportement anisotrope de la cellule d'usinage ; - la proposition de nouvelles méthodes d'adaptation du processus.Ces deux axes sont dans un premier temps abordés vis-à-vis d'un objectif d'amélioration des temps de déplacement d'outil hors matière. La méthode développée nécessite l'élaboration d'un modèle cinématique des déplacements hors matière spécifique à chaque structure de machine outil et basé sur l'utilisation d'une loi de commande articulaire. Un outil d'aide à la mise en place d'un usinage sur machine-outil à structure parallèle est ensuite proposé. Cet outil repose sur un modèle numérique de comportement cinématique utilisant une loi de commande de déplacement dans le repère lié à la pièce permettant de prédire le temps d'usinage en fonction des trajectoires. L'optimisation du processus d'usinage s'appuie également sur la prédiction de la qualité d'usinage. Pour cela, un modèle expérimental basé sur une campagne de mesures effectuée sur la machine-outil considérée a été développé. Ces approches sont appliquées à des usinages de pièces industrielles sur la machine-outil PCI Tripteor X7. Leur originalité réside dans l'amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle à partir de l'analyse du comportement durant l'usinage et permet, par conséquent, d'étendre leur domaine d'application.

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 en un temps minimal. Le problème abordé permet de déterminer l’influence de la structure sur la productivité et la qualité de la pièce usinée dans le contexte de l’Usinage à Grande Vitesse de pièces automobiles et aéronautiques. Ce travail propose alors des avancées suivant deux axes fondamentaux : - la modélisation du comportement anisotrope de la cellule d’usinage ; - la proposition de nouvelles méthodes d’adaptation du processus.Ces deux axes sont dans un premier temps abordés vis-à-vis d’un objectif d’amélioration des temps de déplacement d’outil hors matière. La méthode développée nécessite l’élaboration d’un modèle cinématique des déplacements hors matière spécifique à chaque structure de machine outil et basé sur l’utilisation d’une loi de commande articulaire. Un outil d’aide à la mise en place d’un usinage sur machine-outil à structure parallèle est ensuite proposé. Cet outil repose sur un modèle numérique de comportement cinématique utilisant une loi de commande de déplacement dans le repère lié à la pièce permettant de prédire le temps d’usinage en fonction des trajectoires. L’optimisation du processus d’usinage s’appuie également sur la prédiction de la qualité d’usinage. Pour cela, un modèle expérimental basé sur une campagne de mesures effectuée sur la machine-outil considérée a été développé. Ces approches sont appliquées à des usinages de pièces industrielles sur la machine-outil PCI Tripteor X7. Leur originalité réside dans l’amélioration des performances des machines-outils à structure parallèle à partir de l’analyse du comportement durant l’usinage et permet, par conséquent, d’étendre leur domaine d’application. / The research works presented here deal with the prediction and the performance improvement of parallel kinematic machine tools in order to produce machine parts with a specified quality level and in a minimum time. The problem treated allows determining the structure influence on the productivity and the machined part quality in the context of High Speed Machining for automotive and aeronautical parts.So, these works propose improvements along two fundamental ways : - modelling of the machine tool anisotropic behaviour ; - new methods of process adaptation. These approaches lead in a first time to a study of the time taken by the linking tool movement between cutting operations. The developed method is based on the definition of a kinematic model of linking tool movements, specific to each machine-tool and based on a command law defined in the joint workspace. A helpful resource for the setting up of machining with a parallel kinematic machine tool is then proposed. It is based on a numerical model of the kinematic behaviour using a command law of the movement defined in the programming workspace and providing a prediction of machining time. The process optimization is also based on the machining quality prediction brought by an experimental model enhanced by a measurement campaign realized on the considered machine tool. These approaches are applied to industrial parts with the PCI Tripteor X7 machine-tool. Their originality lies in the improvement of parallel kinematic machines tool performances from an analysis of the machine behaviour during the machining, and consequently allows extending their application field.

L’usinage 5 axes à grande vitesse est de plus en plus utilisé dans l’industrie pour réaliser des pièces de géométrie complexe à forte valeur ajoutée avec pour contrainte de respecter la qualité géométrique tout en maximisant la productivité. Dans ce contexte, la FAO et plus particulièrement la génération des trajectoires d’usinage jouent un rôle prépondérant. Ces travaux proposent de définir des trajectoires en fonction de la pièce à réaliser mais aussi de la structure poly articulée et de ses performances cinématiques. La grande diversité des structures en termes d’architecture et de cinématique impose une méthode de calcul générique facilitant la définition de trajectoires adaptées pour leur suivi. L’état de l’art des travaux réalisé dans les domaines de l’usinage et de la robotique pour répondre à cette problématique conduit à utiliser des polytopes de manipulabilité cinématique pour modéliser les contraintes cinématiques. L’analyse de ces polytopes et de la géométrie de la pièce à usiner permet de générer des trajectoires avec une vitesse outil/pièce maîtrisée et un temps de parcours réduit dans le cas de l’usinage 5 axes positionné et de l’usinage 5 axes continu. Ce formalisme met en avant les fortes dépendances entre les différents paramètres de la stratégie d’usinage (positionnement de la pièce, direction d’avance et orientation de l’outil) et permet de privilégier certaines combinaisons de ces paramètres pour maîtriser la vitesse d’exécution de la trajectoire. / 5 axes high speed milling is increasingly used for manufacturing high addedvalue parts with complex forms in order to respect surface quality while maximizing productivity. In this context, CAM and more specifically toolpath computations play a major part. This work proposes to define toolpath depending on the workpiece but also onkinematical capacities of the polyarticulated structure.The large variety of structure in terms of architecture and kinematic enforce a generic calculation method to simplify adaptative toolpath generation. A state of the art realized in machining and robotics proposes to investigate the use of kinematical manipulability polytopes to represent kinematical capacities. An analysis of the polytopes and of the workpiece allows to generate toolpaths with a controlled feedrate and a decreasing time in 5 axes positionned milling and in 5 axes continous milling. This formalism highlights strong interactions between milling strategy parameters (workpiece setup, feed direction, tool orientation) and allows to prioritize specific parameters mix to have a controlled execution feedrate.

Dans l’industrie de fabrication mécanique et notamment pour l’utilisation des centres d’usinage haute vitesse, la connaissance des propriétés dynamiques du système broche-outil-pièce en opération est d’une grande importance. L’accroissement des performances des machines-outils et des outils de coupe a œuvré au développement de ce procédé compétitif. D’innombrables travaux ont été menés pour accroître les performances et les remarquables avancées dans les matériaux, les revêtements des outils coupants et les lubrifiants ont permis d’accroître considérablement les vitesses de coupe tout en améliorant la qualité de la surface usinée. Cependant, l’utilisation rationnelle de cette technologie est encore fortement pénalisée par les lacunes dans la connaissance de la coupe, que ce soit au niveau microscopique des interactions fines entre l’outil et la matière coupée, aussi bien qu’au niveau macroscopique intégrant le comportement de la cellule élémentaire d’usinage, si bien que le comportement dynamique en coupe garde encore une grande part de questionnement et exige de l’utilisateur un bon niveau de savoir-faire et parfois d’empirisme pour exploiter au mieux les capacités des moyens de production. Le fonctionnement des machines d’usinage engendre des vibrations qui sont souvent la cause des dysfonctionnements et accélère l’usure des composantes mécaniques (roulements) et outils. Ces vibrations sont une image des efforts internes des systèmes, d’où l’intérêt d’analyser les grandeurs mécaniques vibratoires telle que la vitesse ou l’accélération vibratoire. Ces outils sont indispensables pour une maintenance moderne dont l’objectif est de réduire les coûts liés aux pannes / In machining field, chatter phenomenon takes a lot of interest because manufacturing enterprises are turning to the automation system and the development of reliable and robust monitoring system to provide increased productivity, improved part quality and reduced costs. Chatter occurrence has several negatives effects: a) Poor surface quality, b) Unacceptable inaccuracy, c) Excessive noise, d) Machine tool damage, e) Reduced material removal rate, f) Increase costs in terms of production time, g) Waste of material, h) Environmental impact in terms of materials and energy. Moreover, chatter monitoring is not an easy task for various reasons. Firstly, the non linearity of machining processes and the time-varying of systems complicate this task. Secondly, the sensitivity and the dependency of acquired signals from sensors on different factors, such as machining condition, cutting tool geometry and workpiece material. Thirdly, at high rotating speeds, the gyroscopic effects on the spindle dynamics in addition to the centrifugal force on the bearings and thermal effects become more relevant thus affecting the stability of the system. For these reasons, demands for an advanced automatic chatter detection and monitoring system for optimizing and controlling machining processes becomes a topic of enormous interest. Several researches in this field are performed. Advanced monitoring and detection methods are developed mostly relying on time, frequency and time-frequency analysis. In order to detect chatter in milling centers, three new methods are studied and developed using advanced techniques of signal processing and exploiting cyclostationarity property of signals acquired

Cette étude est dédiée à l’influence du fraisage de finition avec outil à extrémité hémisphérique sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue de pièces en acier bainitique à haute limite d'élasticité. L'intégrité de surface – microgéométrie, contraintes résiduelles et écrouissage – est caractérisée expérimentalement pour différentes valeurs des paramètres d'usinage, dont l'angle d'inclinaison de l'outil. L'hétérogénéité du champ de contraintes résiduelles perpendiculairement aux sillons générés par l’outil est mise en évidence à différentes profondeurs. Des essais de fatigue en flexion sur éprouvettes brutes d'usinage ou polies, avec ou sans traitement thermique de relaxation des contraintes résiduelles, mettent en évidence l'influence de l’intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Des essais de fatigue en traction avec mesures d'auto-échauffement mettent en évidence une compétition entre mécanismes de micro-plasticité et de micro-fissuration. Une approche hybride est proposée pour prévoir l'état mécanique de la pièce usinée après fraisage. L'effet sur la surface usinée d'un chargement thermo-mécanique équivalent à l'opération de coupe et déduit d'essais d'usinage instrumentés est alors simulé numériquement sans modéliser l’enlèvement de matière. Une approche probabiliste est proposée pour prévoir l'influence de l'intégrité de surface sur la tenue en fatigue. Cette approche, restreinte au cas où le mécanisme de microfissuration est prédominant est validée grâce à la prise en compte de la microgéométrie. Le modèle est alors de type mécanique de la rupture et basée sur une mesure de la population de tailles d’entaille au fond des creux générés par l'outil. / This study is dedicated to the influence of ball-end tool finishing milling on surface integrity and fatigue life of components made of high-strength bainitic steels. Surface integrity, defined in terms of microgeometry, residual stresses and hardening, was experimentally characterized for different values of the machining parameters, including the tool inclination. Fluctuations of the residual stresses field – measured by X-ray diffraction – perpendicular to the grooves generated by the tool were exhibited at different depths beneath the surface. Fatigue bending tests performed on machined or polished flat specimens, submitted or not to a heat treatment to relax the residual stresses, exhibited the influence of the surface integrity on fatigue life. Fatigue tension tests and self-heating measurements exhibited a competition between micro-plasticity and micro-cracking mechanisms. A hybrid approach is proposed to predict the mechanical state induced by the milling process. This approach consists in simulating – without modelling the removal of the material- the effect of a thermo-mechanical loading equivalent to the cutting process. This thermo-mechanical loading should be derived from temperature and cutting forces measurements preformed during cutting tests. A probabilistic approach is proposed to predict the influence of surface integrity on fatigue life. This approach was validated for cases when micro-cracking mechanism is predominant. The approach is then based on fracture mechanics and takes account of the micro-geometry via the micro-cracks size population measured in the valleys of the grooves generated by the tool.