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

Mémoire (M.Ress.Renouv.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 1991. / Bibliogr.: f. 63-67. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire (M.Ress.Renouv.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1998. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le contexte de l’identification de l’influence des paramètres de coupe et géométries d’outil sur l’usinabilité de l’alliage de titane Ti-6Al-4V sous deux états cristallographiques : alpha\beta et beta et s’insèrent dans le projet TiMaS, en partenariat avec Airbus et Figeac Aéro. La première partie consiste donc en une identification des différents critères d’usinabilité considérés dans la bibliographie pour l’usinage des titanes et la modélisation des actions thermomécaniques régissant la coupe. Dans une deuxième partie, l’usinabilité des deux matériaux a été étudiée pour deux outils coupants, utilisés par les industriels, constituant ainsi nos deux couples outil matière. Aussi, suivant la démarche du Couple Outil-Matière (COM) un espace de fonctionnement des conditions de coupe a été défini pour les deux couples considérés, afin de déterminer les paramètres de coupe garantissant une amélioration de la productivité. Les efforts de coupe, ainsi que la durée de vie des outils ont de ce fait été sélectionnés comme critère d’usinabilité. Egalement, l’observation de la morphologie des copeaux et de leur état de déformation a permis de voir les singularités de comportement existantes entre les deux microstructures. Ces singularités ayant un impact sur la géométrie même du copeau et les actions thermomécaniques exercées par ce dernier sur les outils coupants, dans la troisième partie, des essais de coupe orthogonale (pour les deux matériaux) ont été effectués afin d’évaluer l’impact des géométries d’outil, des conditions de coupe et de la microstructure du matériau sur la thermomécanique de la coupe et les longueurs de contact entre la face de coupe des outils coupant et le copeau. La visualisation de l’écoulement du copeau par caméras rapides a permis de constater une certaine variabilité des longueurs de contact, influencée en partie par les paramètres de coupe et majoritairement par l’état cristallographique du matériau. L’analyse EDX des faces de coupe des outils coupant a montré que cette variabilité a une influence marquée sur l’usure en diffusion des plaquettes. Enfin, dans une dernière partie, un dernier critère d’usinabilité est étudié, reposant sur l’analyse des contraintes résiduelles générées par la coupe en surface de la pièce usinée. En se basant sur les essais de coupe orthogonale réalisés dans la partie précédente, une modélisation numérique basée sur un couplage thermomécanique faible a été développée afin de déterminer l’effet des conditions de coupe et des géométries d’outil sur les actions thermomécaniques et donc la génération de contraintes résiduelles, pour le cas du matériau à structure cristallographique bimodale. Les résultats de la modélisation ont ensuite étés comparés à des mesures de diffractométrie à rayons X effectués sur les pièces. / The work presented in this thesis aims to identify the influence of cutting conditions and tool geometries on Ti-6Al-4V alloy’s machinability under two microstructural states: alpha\beta and beta. This thesis takes part into the TiMaS project involving collaboration with Airbus and Figeac Aero. In a first part, we have identified machinability criteria usually considered for titanium alloys. Also, models describing thermomechanical actions occurring during cutting process are explored. In a second part, the two materials’ machinability has been studied for two cutting tools used by the industrials. Following the Tool Material Pair method, an operating space has been defined for the considered pairs. Then, cutting conditions leading to an increase of productivity have been obtained. Cutting forces as well as tool lives have been chosen has machinability criteria. Moreover, observations of chips and their states of deformation highlighted some behavior singularities between the two materials. These singularities have an impact on chip geometries and thermomechanical actions applied on cutting tools. Thus, in a third part, orthogonal cutting tests have been done in order to evaluate the effect of cutting conditions, tool geometries and microstructural state of the work material on thermomechanical actions of the cutting process and on tool chip contact lengths. Observations made on the chip flowing, with high speed cameras, have shown a variability of these contacts, mostly due to the microstructural state of the material. EDX measurements made on tools’ rake face allowed linking these variabilities to diffusion wear. In the last part, residual stresses induced by cutting process on the finished surface has been taken as the last machinability criterion for this study. Using orthogonal cutting test datas from the previous part, a numerical modeling using a low thermomechanical coupling has been carried out in order to understand cutting condition and geometry effects on residual stress generation. Modeling results have been confronted to residual stress measurements made with X-ray diffraction method on finished surface.

Le procédé de brochage est aujourd’hui, et depuis plus de cinquante ans, le procédé le plus utilisé par les motoristes aéronautiques pour usiner les alvéoles pied de sapin des disques de turbine. Les travaux présentés dans cette thèse visent à améliorer la compréhension du procédé de brochage dans le but d’améliorer la performance de ce procédé. Ils sont décomposés en quatre étapes, une étude sur la coupe de l’Udimet 720®, la modélisation des broches pied de sapin et des efforts de coupe, une étude expérimentale du brochage des alvéoles pied de sapin et finalement une proposition de surveillance de ce procédé. Une étude de la coupe en brochage de l’Udimet 720® est réalisée pour pallier le manque d’études actuel sur ce superalliage et développer des lois de coupe pour la simulation des efforts. La simulation permet d’associer à chaque partie discrétisée de chaque dent de la broche des efforts spécifiques en fonction des différents paramètres d’usinage. Les essais de brochage d’alvéole pied de sapin instrumentés ont servi à vérifier la pertinence de la simulation et à proposer, à partir de cette dernière, des choix de conception visant à améliorer la performance du procédé. La surveillance en usinage propose une stratégie visant à détecter différentes anomalies d’usinage pour limiter le risque de rebut de pièces à fortes valeurs ajoutées. / From more than fifty years ago, the broaching process is what the aeronautic engine manufacturers use the most to machine turbine disc fir-tree slots. The aim of this thesis is to improve the understanding of the broaching process in order to optimize the efficiency of this process. This study is divided into four steps: a study of Udimet 720® machinability, the modelization of fir-tree slot broaches and of cutting forces, an experimental study of fir-tree slots broaching and finally, a proposed method of process monitoring. A study of Udimet 720® machinability is made to fill the lack of current studies about this superalloy and to develop cutting forces model for the modelization of the broaching process. Modelization allows the association of specific forces to each discretized broach tooth according to various machining parameters. Fir tree slots broaching trials were used to check the accuracy of modelization and to suggest, according to the latter, conception choices aiming at improving the efficiency of the process. Process monitoring, in the broaching field, offers a strategy which purpose is to detect various machining disturbances and to limit the risk of rejected parts with high added value.

L’usinage tient une place considérable dans l’industrie, c’est un des procédés les plus répandu. A ce titre, la maitrise du procédé de fraisage, notamment lors d’une opération de finition, est devenu un enjeu majeur dans le secteur industriel. La compréhension des phénomènes physiques présents lors d’un usinage de finition est un facteur important pour l’optimisation d’un procédé de fabrication par enlèvement de matière.Afin de déterminer les paramètres influents lors d’un usinage de finition, notamment lors d’un fraisage de profil, une nouvelle méthodologie expérimentale sera développée. Ces travaux vont s’articuler autour de trois activités principales :- La mise en place d’une instrumentation capable de recueillir une image des efforts de coupe. Ce dispositif expérimental devra être équipé de capteurs et d’une chaine d’acquisition pour acquérir les composantes des efforts selon les directions x et y.- Le développement d’un nouveau dispositif passe par une étape qualification dans laquelle une série de tests permettra d’établir la capabilité du montage.- Cette étude expérimentale s’accompagne d’une campagne d’essais permettant de définir les paramètres les plus influents lors d’un fraisage de profil de finition. / Machining holds an important place in the industry, this is one the most common process. As thus, mastering the milling process, especially during a finishing operation, has become a major issue in the insdustrial sector. Understanding the physical phenomena present in a finishing machining is an important factor for the optimization of a manufacturing process by removing material.In order to determine the most important factors during a finishing machining, in particular during a profile milling, a new experimental methodology will be developed. This work will focus on three main activities :- The introduction of instrumentation capable of collecting an image cutting forces. This experimental device must be equipped with sensors and an acquisition channel to acquire the components of the forces in the x and y directions.- The development of a new device going through a stage qualification in which a series of tests will establish the capability of experimental device.- This experimental study is accompanied by a series of tests to define the most important parameters in a finishing profile milling

Depuis des décennies, le processus d'enlèvement de matière des composites à matrices polymères (CMP) ne cesse de susciter des interrogations. La complexité et la multitude des phénomènes physiques activés par la coupe constituent encore un défi d'actualité pour la compréhension et la maitrise du comportement des structures composites. Ce travail propose une analyse multiéchelle fine des phénomènes élémentaires émanant du comportement de chacune des phases constituantes du matériau afin de modéliser leurs couplages multiphysiques potentiels conduisant à la formation du copeau. L'étude est alors hybride conjuguant l'approche expérimentale exprimée par l'essai instrumenté et l'approche numérique exprimée par la modélisation par éléments finis (EF). La formulation du couplage multiphysique a fait l'objet d'une routine VUMAT alliant la mécanique de l'endommagement continu à la mécanique de la rupture par le biais du triptyque élasticité-endommagement-rupture. A la différence des approches binaires de la littérature, le modèle développé dans ce travail s'appuie sur un concept d'endommagement progressif pour prédire la rupture physique des phases, et par conséquent, la formation du copeau. Les mécanismes d'initiation et de propagation de la fissure sont pilotés par les énergies de rupture des phases identifiées selon les normes en vigueur. La gestion du contact par une routine VFRIC a permis d'assurer la synergie entre les propriétés locales de l'interface et les frottements générés. Les calculs ont démontré la pertinence du modèle tridimensionnel proposé dans la simulation des mécanismes de formation du copeau sensiblement à l'orientation et la nature des fibres. La bonne concordance entre les mesures et les prédictions d'efforts de coupe a mis en évidence l'intérêt d'un pilotage rigoureux du contact outil-pièce pour la simulation multiphysique de la coupe. / Since several decades, the material removal process of Fiber Reinforced Polymers (FRP) continues to raise technical and scientific queries. The understanding of the multiple and complex phenomena generated when cutting still remains challenging for controlling the behavior of composite structures. This study addresses a multiscale analysis of elementary phenomena associated to each of the composite constituents in order to model the chip formation mechanisms owing to the multiphysical coupling. An investigation combining the experimental approach resulting in the instrumented test and numerical approach allowing to the finite element (FE) development was hence conducted. A VUMAT subroutine was built to express the constitutive formulation coupling the continuum damage mechanics to the failure mechanics by means of the triptych elasticity-damage-failure. Unlike to the binary approaches proposed by the open literature, the model proposed herein bases on the progressive damage concept for predicting the physical failure allowing to the formation of the chip. The crack initiation and growth mechanisms are controlled by the failure energies determined experimentally for each material phase. The efficiency of the VFRIC subroutine to managing the contact properties, i.e. friction, at the tool-material interface was confirmed. The numerical results proved the reliability of the model to simulate the chip formation mechanisms with respect of fiber orientation. The good agreement between the measured and predicted forces proved the interest of the rigorous modeling of the tool-material interface.

Étant donnés un graphe simple non orienté G = (V, E) et un sommet particulier r dans V appelé racine, un arbre enraciné, ou r-arbre, de G est soit le graphe nul soit un arbre contenant r. Si un vecteur de capacités sur les sommets est donné, un sous-graphe de G est dit borné si le degré de chaque sommet dans le sous-graphe est inférieur ou égal à sa capacité. Soit w un vecteur de poids sur les arêtes et p un vecteur de profits sur les sommets. Le problème du r-arbre borné maximum (MBrT, de l’anglais Maximum Bounded r-Tree) consiste à trouver un r-arbre borné T = (U, F) de G tel que son poids soit maximisé. Si la contrainte de capacité du problème MBrT est relâchée, nous obtenons le problème du r-arbre maximum (MrT, de l’anglais Maximum r-Tree). Cette thèse contribue à l’étude des problèmes MBrT et MrT.Tout d’abord, ces deux problèmes sont formellement définis et leur complexité est étudiée. Nous présentons ensuite des polytopes associés ainsi qu’une formulation pour chacun d’entre eux. Par la suite, nous proposons plusieurs algorithmes combinatoires pour résoudre le problème MBrT (et donc le problème MrT) en temps polynomial sur les arbres, les cycles et les cactus. En particulier, un algorithme de programmation dynamique est utilisé pour résoudre le problème MBrT sur les arbres. Pour les cycles, nous sommes amenés a considérer trois cas différents pour lesquels le problem MBrT se réduit à certains problèmes polynomiaux. Pour les cactus, nous montrons tout d’abord que le problème MBrT peut être résolu en temps polynomial sur un type de graphes appelé cactus basis. En utilisant une série de décompositions en sous-problèmes sur les arbres et les cactus basis, nous obtenons un algorithme pour les graphes de type cactus.La deuxième partie de ce travail étudie la structure polyédrale de trois polytopes associés aux problèmes MBrT et MrT. Les deux premiers polytopes, Bxy(G,r,c) et Bx(G,r,c) sont associés au problème MBrT. Tous deux considèrent des variables sur les arêtes de G, mais seuls Bxy(G,r,c) possède également des variables sur les sommets de G. Le troisième polytope, Rx(G,r), est associé au problème MrT et repose uniquement sur les variables sur les arêtes. Pour chacun de ces trois polytopes, nous étudions sa dimension, caractérisons certaines inégalités définissant des facettes, et présentons les moyens possibles de décomposition. Nous introduisons également de nouvelles familles de contraintes. L’ajout de ces contraintes nous permettent de caractériser ces trois polytopes dans plusieurs classes de graphes.Pour finir, nous étudions les problèmes de séparation pour toutes les inégalités que nous avons trouvées jusqu’ici. Des algorithmes polynomiaux de séparation sont présentés, et lorsqu’un problème de séparation est NP-difficile, nous donnons des heuristiques de séparation. Tous les résultats théoriques développés dans ce travail sont implémentés dans plusieurs algorithmes de coupes et branchements auxquels une matheuristique est également jointe pour générer rapidement des solutions réalisables. Des expérimentations intensives ont été menées via le logiciel CPLEX afin de comparer les formulations renforcées et originales. Les résultats obtenus montrent de manière convaincante la force des formulations renforcées. / Given a simple undirected graph G = (V, E) with a so-called root node r in V, a rooted tree, or an r-tree, of G is either the empty graph, or a tree containing r. If a node-capacity vector c is given, then a subgraph of G is said to be bounded if the degree of each node in the subgraph does not exceed its capacity. Let w be an edge-weight vector and p a node-price vector. The Maximum Bounded r-Tree (MBrT) problem consists of finding a bounded r-tree T = (U, F) of G such that its weight is maximized. If the capacity constraint from the MBrT problem is relaxed, we then obtain the Maximum r-Tree (MrT) problem. This dissertation contributes to the study of the MBrT problem and the MrT problem.First we introduce the problems with their definitions and complexities. We define the associated polytopes along with a formulation for each of them. We present several polynomial-time combinatorial algorithms for both the MBrT problem (and thus the MrT problem) on trees, cycles and cactus graphs. Particularly, a dynamic-programming-based algorithm is used to solve the MBrT problem on trees, whereas on cycles we reduce it to some polynomially solvable problems in three different cases. For cactus graphs, we first show that the MBrT problem can be solved in polynomial time on a so-called cactus basis, then break down the problem on any cactus graph into a series of subproblems on trees and on cactus basis.The second part of this work investigates the polyhedral structure of three polytopes associated with the MBrT problem and the MrT problem, namely Bxy(G, r, c), Bx(G, r, c) and Rx(G, r). Bxy(G, r, c) and Bx(G, r, c) are polytopes associated with the MBrT problem, where Bxy(G, r, c) considers both edge- and node-indexed variables and Bx(G, r, c) considers only edge-indexed variables. Rx(G, r) is the polytope associated with the MrT problem that only considers edge-indexed variables. For each of the three polytopes, we study their dimensions, facets as well as possible ways of decomposition. We introduce some newly discovered constraints for each polytope, and show that these new constraints allow us to characterize them on several graph classes. Specifically, we provide characterization for Bxy (G, r, c) on cactus graphs with the help of a decomposition through 1-sum. On the other hand, a TDI-system that characterizes Bx(G,r,c) is given in each case of trees and cycles. The characterization of Rx(G,r) on trees and cycles then follows as an immediate result.Finally, we discuss the separation problems for all the inequalities we have found so far, and present algorithms or cut-generation heuristics accordingly. A couple of branch-and-cut frameworks are implemented to solve the MBrT problem together with a greedy-based matheuristic. We compare the performances of the enhanced formulations with the original formulations through intensive computational test, where the results demonstrate convincingly the strength of the enhanced formulations.

Cette thèse porte sur la modélisation thermomécanique 3D en configuration de fraisage. Afin de déterminer, pour chaque orientation de la plaquette et à chaque position angulaire de l’outil, le torseur d’action complet (efforts et moments) trois grandes parties ont été développées dans ce manuscrit.En se basant sur les lignes de glissement dans les trois zones de coupe, un modèle de coupe orthogonale a été développé. Le rayon d’acuité est intégré dans la modélisation et les résultats du modèle sont sensibles à ce paramètre. Le modèle a été validé par une confrontation avec des essais de rabotage.Pour deux types de plaquette, à arêtes droite et ronde, l’étude cinématique le long de l’arête de coupe a menée à la détermination du torseur cinématique instantanée en chaque point. Cette partie a permis de définir une nouvelle composante de vitesse de coupe dépendante de la position angulaire de l’outil. L’inclinaison de l’arête génère une vitesse parallèle à l’arête de coupe (perpendiculaire au plan de coupe en configuration orthogonale) qui participe au comportement cinématique de la matière dans les zones de cisaillement primaire et secondaire.Une modélisation volumique 3D dans les deux zones de coupe primaire et secondaire a permis de définir la cartographie de déformation et de vitesse de déformation. Cette approche a été basée sur les données cinématiques et les conditions aux limites appropriées. Les gradients de contraintes et de vitesses trouvés sont à l’origine de l’apparition des moments de coupe. / This thesis is focused on 3D thermomechanical modeling in milling configuration. In order to determine, for each insert orientation and each tool angular position, the complete actions torsor (forces and moments) three parts have been developed in this work.Based on the slip lines in the three cutting areas, an orthogonal cutting model was developed. The tool edge radius is built in modeling and model results are sensitive to this parameter. The model was validated by comparison with experimental tests.For two types of insert, with straight and round edge, the kinematic study along the cutting edge allowed to determine the instantaneous kinematic torsor at each point. This part has defined a new cutting velocity component dependent of tool angular position. The inclination of the edge generates a parallel velocity to the cutting edge (perpendicular to the cutting plane in orthogonal configuration) that participates in the kinematic behavior of the material in the primary and secondary shear zones.A 3D solid modeling in the primary and secondary cutting zones helped to define the cartography of strain and strain rate. This approach was based on kinematic data and appropriate boundary conditions. The gradients of stresses and velocities are the source of the appearance of the cutting moments.

Le broyage de bois de qualité secondaire est un processus en pleine expansion avec l'augmentation de l'utilisation de la biomasse pour la production d'énergie. La transformation du bois en plaquettes facilite l'automatisation des chaudières. Peu de recherches ont traité le mécanisme de la formation des plaquettes et des efforts de coupe durant cette opération. Lors de ce travail de thèse, nous nous sommes focalisés sur le système de déchiquetage à disque. Un banc d'essais de taille réelle a été construit afin de permettre la variation de plusieurs paramètres, tels que la vitesse de coupe, la vitesse d?amenage, les angles de coupe, la direction d'amenage, la hauteur du contre-couteau, le mode de coupe, le nombre des couteaux et leur saillie.Les expérimentations ont montré que la taille des plaquettes augmente avec l'augmentation de l'avance par dent, l'angle de coupe réel et l'angle de taillant, et diminue avec l'augmentation de la vitesse de coupe. Le processus de la formation des plaquettes est composé de deux mécanismes, qui sont le cisaillement et la propagation de fissures. La mesure des efforts de coupe et de la puissance électrique consommée pour une bande passante pouvant atteindre 3 kHz complète ces données granulométriques. Grâce au banc d'essais de déchiquetage, nous avons pu montrer la corrélation ou l'indépendance de facteurs influents intervenant dans l'optimisation des conditions de coupe / Chipping wood of second quality is a rapidly growing process because of the increasing use of the biomass in energy production field. The utilization of wood chips as a combustible, make it easier to automate the wood boilers function. Few studies were carried out in order to understand the mechanism of the chip formation and the evolution of cutting force during the chipping operation. In this thesis, we focused our analysis on the disc chipper. A test bench of real dimensions was built up in order to be able to vary many parameters such as cutting and feeding speed, cutting angles, feeding direction, anvil height, cutting directions, knives number and their height.Experimental study showed that chip size grows when the feeding tooth, the cutting angle and the sharpness angle increase, whereas it decreases when the cutting speed increases. The process of the chip formation is composed of two mechanisms that are shear and cracks propagation. Measurement of cutting force and electric power consumption for a bandwidth up to 3 kHz bring important results to the chip size study. The chipping test bench allowed us to reveal the correlation or the independency between the parameters needed to optimize the chipping operation