Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

Face aux problèmes vibratoires en usinage, deux approches ont été développées. L'une consiste à prédire les vibrations grâce à des modélisations de plus en plus élaborées des opérations d'usinage. La deuxième est une approche plus expérimentale, d'instrumentation des machines dans le but de surveiller et de comprendre le comportement de l'outil pendant l'usinage. Dans le cadre de cette deuxième approche, de nombreuses technologies de capteurs sont utilisées. Le but de ces travaux est d'étudier le comportement de l'outil grâce à des capteurs de déplacement sans contact qui mesurent directement les vibrations de l'outil pendant l'opération d'usinage. Ces capteurs d'abords utilisés en fraisage puis en tournage permettent l'étude des différents aspects de l'interaction entre l'outil et la pièce. Le premier point étudié est l'investigation du phénomène de la coupe, avec la possibilité de tracer en trois dimensions ou dans le plan la trajectoire de l'outil. Le deuxième point est l'étude de la stabilité ou de l'instabilité de l'usinage. Par la suite, les mesures de déplacement sont utilisées pour déterminer les efforts de coupe, que ce soit en fraisage ou en tournage. Les efforts appliqués sur l'outil vont provoquer sa déformation qui sera mesurée par les capteurs sans contact. Dans le cas du fraisage, une méthode de calcul spécifique à partir de la Fonction de Réponse en Fréquence (FRF) de l'outil a été mise en œuvre pour calculer ces efforts de coupe pour des vitesses de rotation importantes. Le dernier aspect traité est la reconstruction de l'état de surface de la pièce usinée. Les déplacements mesurés de l'outil sont superposés à la trajectoire théorique de l'outil pour déterminer l'aspect et le profil de la surface réellement usinée lors de l'opération.

Résumé: Problématique : La charge de travail mentale est un obstacle au retour au travail des personnes présentant une incapacité prolongée due à un trouble mental transitoire. Le retour au travail de ces personnes pourrait être facilité par la mesure de la charge de travail mentale afin d'orienter la progression des tâches de travail. Cependant, les approches de mesure actuelles ne prennent pas en compte l'ensemble de son continuum (sous-charge, charge confortable et surcharge). Objectif : Cette étude propose de pallier cette lacune en concevant un nouveau questionnaire de la charge de travail mentale (QCTM) adapté aux personnes recevant un programme de réadaptation au travail à la suite d'un trouble mental transitoire. Méthodologie : Premièrement, une analyse de concept a été réalisée afin d'identifier les dimensions de la charge de travail mentale et de proposer des indicateurs (ou items) qui soient adaptés au retour au travail à la suite d'un trouble mental transitoire. Les items proposés ont fait l'objet d'une révision par des experts en réadaptation au travail en santé mentale (n=-16) par le biais d'une méthode de consensus formalisé (Delphi), Finalement, un prétest qualitatif du QCTM a été réalisé auprès de personnes ayant été impliquées, à titre de travailleur (n=5) ou de clinicien (n=-5), dans un processus de retour au travail à la suite d'un trouble mental transitoire. Résultats : Au terme de l'analyse de concept, les attributs de la charge de travail mentale sont : 1) un état mental immédiat ou à court terme relié à l'effort/coût pour l'individu découlant de la réalisation de son activité de travail pour un niveau de performance donné; 2) un état mental qui touche les sphères cognitives et affectives; 3) un continuum, allant de la sous-charge à la surcharge de travail mentale, en passant par une charge confortable et 4) un état mental néfaste (extrémités du continuum) ou profitable (charge confortable) pour la personne. Des indicateurs ont été construits afin de couvrir l'ensemble des attributs identifiés. La clarté et la pertinence des items ont été jugées satisfaisantes au terme des deux tours de consultation auprès des experts en réadaptation au travail en santé mentale, ainsi que lors du prétest qualitatif réalisé auprès des futurs utilisateurs. Conclusion : Cette étude a permis de développer, de façon systématique, un questionnaire innovant car il intègre l'ensemble du continuum de la charge de travail mentale. Le QCTM vient outiller le clinicien et le chercheur dans le domaine de la réadaptation au travail en santé mentale. Ce questionnaire devra faire l'objet d'études de validation subséquentes afin de soutenir son utilisation. //Abstract: Background: Mental workload represents one of the obstacles encountered by people returning to work following prolonged incapacity due to a common mental disorder. Their return-to-work could be facilitated by measuring mental workload in order to guide the progression of increasing work tasks. However, actual measurement tools do not consider the whole mental workload continuum (underload, comfortable load and overload). Purpose: This study contributes to filling this gap through the conception of a new mental workload questionnaire (MWQ) designed for the return-to-work process following a common mental disorder. Methods: First, a concept analysis was conducted in order to identify mental workload dimensions and help propose a set of indicators for its measurement in a work rehabilitation setting following a common mental disorder. The proposed items were revised by work rehabilitation experts (n=16) through a formalised consensus method (Delphi). Finally, a qualitative pretest was conducted among people implicated in a return-to-work process following a common mental disorder, either as clinicians (n=5) or workers (n=5). Results: The concept analysis of mental workload led to the following attributes: 1) an immediate or short term mental state related to the effort or the cost to the individual resulting from accomplishing work at a given level of performance; 2) a mental state related to both affective and cognitive components; 3) a continuum varying from mental underload to mental overload, with a comfortable mental workload existing between these extremes and 4) a negative mental state (both continuum extremes) or positive (comfortable mental workload) for the individual. Mental workload indicators were constructed to cover the identified attributes. Their relevance and their clarity appeared to be satisfying following consultation with the work rehabilitation experts, as well as qualitative pretesting among the future MWQ users. Conclusion: This study led to the systematic development of an innovative questionnaire as it measures the whole mental workload continuum. The MWQ represents a new tool offered to the clinician and the researcher working in mental health rehabilitation. Further validation studies are required to sustain its use.

Les pièces de formes complexes dans le domaine de l'aéronautique et des machines hydrauliques sont réalisées par usinage grande vitesse 5 axes. Dans ce contexte, les travaux proposés ont conduit à l'élaboration d'une méthode de génération de trajectoires 5 axes UGV par flanc d'outil basée sur le concept de surface l'usinage. La représentation surfacique de la trajectoire permet une minimisation globale des écarts géométriques entre la surface à usiner et la surface enveloppe du mouvement de l'outil. Cependant, en considérant le contexte d'usinage à grande vitesse, la fluidité de la trajectoire générée est essentielle pour assurer un usinage performant. Nous montrons que la fluidité de la trajectoire peut être contrôlée par le calcul de l'énergie de déformation de la surface d'usinage. Un schéma d'optimisation dont l'objectif est un compromis entre la minimisation des écarts géométriques et la fluidité de la trajectoire est ensuite proposée. Notre approche est illustrée au travers d'exemples issus de la littérature et d'autres plus industriels. La méthode de génération de trajectoires ainsi proposée conduit à de meilleures performances en terme de qualité de surfaces usinées et en terme de productivité, grâce à l'intégration au plus tôt de contraintes de diverses natures dans le calcul des trajets.

La découverte du site Nepress (BiEr-21) en 2004 et les saisons de fouilles subséquentes ont permis de découvrir de nombreux vestiges archéologiques. Ce mémoire a donc pour objectif de déterminer l’identité culturelle des occupants qui ont fréquenté le site, en prenant en considération les activités rituelles et la stratégie d’approvisionnement en matière lithique. Pour y parvenir, une analyse morpho-métrique de l’assemblage lithique a été effectuée. La distribution intra-site des artéfacts a également été prise en considération lors de l’analyse. Une séquence chronologique du Nord-Est américain remontant au Sylvicole inférieur est présentée dans ce mémoire. Une période d’occupation semble dominer sur le site Nepress, soit le Sylvicole inférieur. Cette manifestation est caractérisée par la présence d’artéfacts diagnostiques de la culture Meadowood. Ces objets sont un grattoir triangulaire bifacial Meadowood, ainsi qu’une imitation de pointe de type box-base. / The discovery of the Nepress site (BiEr-21) in 2004 and the subsequent excavations have revealed many archaeological remains. This thesis has seeks to determine the cultural identity of the site’s occupants, taking into account their ritual activities and their lithic procurement strategy. To achieve this, a morpho-metric analysis of the lithic assemblage was undertaken. The intra-site artifact distribution was also taken into account. A chronological sequence for Northeastern North America going back to the Early Woodland is presented. The Early Woodland appears to dominate the occupation of the Nepress site. This is characterised by the presence of diagnostic artifacts of the Meadowood culture. These objects are a triangular bifacial Meadowood scraper, as well as an imitation of a projectile point.

La découverte du site Nepress (BiEr-21) en 2004 et les saisons de fouilles subséquentes ont permis de découvrir de nombreux vestiges archéologiques. Ce mémoire a donc pour objectif de déterminer l’identité culturelle des occupants qui ont fréquenté le site, en prenant en considération les activités rituelles et la stratégie d’approvisionnement en matière lithique. Pour y parvenir, une analyse morpho-métrique de l’assemblage lithique a été effectuée. La distribution intra-site des artéfacts a également été prise en considération lors de l’analyse. Une séquence chronologique du Nord-Est américain remontant au Sylvicole inférieur est présentée dans ce mémoire. Une période d’occupation semble dominer sur le site Nepress, soit le Sylvicole inférieur. Cette manifestation est caractérisée par la présence d’artéfacts diagnostiques de la culture Meadowood. Ces objets sont un grattoir triangulaire bifacial Meadowood, ainsi qu’une imitation de pointe de type box-base. / The discovery of the Nepress site (BiEr-21) in 2004 and the subsequent excavations have revealed many archaeological remains. This thesis has seeks to determine the cultural identity of the site’s occupants, taking into account their ritual activities and their lithic procurement strategy. To achieve this, a morpho-metric analysis of the lithic assemblage was undertaken. The intra-site artifact distribution was also taken into account. A chronological sequence for Northeastern North America going back to the Early Woodland is presented. The Early Woodland appears to dominate the occupation of the Nepress site. This is characterised by the presence of diagnostic artifacts of the Meadowood culture. These objects are a triangular bifacial Meadowood scraper, as well as an imitation of a projectile point.

Les composites utilisés dans l'industrie aéronautique sont hétérogènes. Ils sont composés d'une matrice polymère souple et ductile et d'un renfort dur et fragile. Les différentes phases ainsi que l'anisotropie du matériau peuvent rendre l'usinage de ces matières, difficile. Deux problèmes majeurs peuvent être rencontrés lors de l'usinage : garder l'intégrité de la matière usinée et réduire l'usure de l'outil de coupe. Les niveaux de qualité demandés dans le secteur aéronautique imposent une coupe sans défaut, ces derniers pouvant entrainer une altération ultérieure de la pièce. Les principaux défauts rencontrés sont : le délaminage des plis, la surchauffe de la résine, les plis non coupés francs ou l'écaillage. / Aeronautic composites are inhomogeneous and most often consist in two distinctly phases. The reinforcement fibres are relatively hard and brittle whereas the matrix is soft and ductile. The anisotropy causes some severe challenges when machining composites. People in the field often experience a trade-off between two main problems ; on one hand, keeping the composite parts integrity and quality, and on the other hand, reducing the wear of the cutting tools. The quality level required in aeronautic applications imposes a high quality cut of machined parts. Common defects that may occur during machining of these materials are delamination, overheat of the resin, uncut fibres, and fibre pull-out.

Dans l’industrie, les fabricants tendent à limiter la lubrification conventionnelle lors de l’usinage et s’orientent de plus en plus vers la microlubrification (MQL : Minimum Quantity Lubrication) pour des raisons économiques, écologiques et pour respecter la santé des opérateurs. Une très faible quantité de lubrifiant de faible pression nécessite une conception optimale des canaux internes de l’outil afin de limiter les pertes de charges et avoir les avantages de la microlubrification. Premièrement, une revue bibliographique introduit l’étude en présentant les avantages qu’induit le passage à la microlubrification. Par la suite, quelques conceptions d’outils avec une lubrification interne qui vise la face de coupe ou la face de dépouille de la plaquette sont passées en revue. / In machining industry, manufacturers tend to limit conventional lubrication and are moving increasingly towards Minimum Quantity Lubrication (MQL) for economic and ecological reasons, and with a view to safeguarding operator health and safety. A very small amount of lubricant at low pressure requires optimized design of the tools internal channels in order to minimize pressure drops and gain benefit from MQL. First, a literature review introduces the study by presenting the benefits induced by switching to MQL. Thereafter, some tool designs with internal lubrication for rake face or flank face lubrication are presented.