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.

L'étude présentée dans ce mémoire se focalise sur l'usinage de moules en matériaux composites, en considérant les problèmes d'état de surface et de gamme d'usinage. Les pièces de structure aéronautiques peuvent être obtenues par les procédés de fabrication de la famille LCM (Liquid Composite Molding). Ce procédé impose une température de fonctionnement élevée qui conduit à une dilatation du moule néfaste à la qualité de la pièce injectée. Pour remédier à ce problème, il est nécessaire de réaliser l'outillage dans un matériau à faible dilatation ou se comportant comme le matériau injecté. Pour cela, un matériau composite (Hextool™) est proposé en remplacement des moules métalliques conventionnels. L'étape d'usinage de forme est indispensable car elle donne les dimensions finales de l'outillage et conditionne le temps de polissage manuel nécessaire pour atteindre la rugosité arithmétique visée. Ce travail propose deux voies d'amélioration à travers l'étude micro-géométrique de l'opération de finition par outil coupant puis par outil abrasif. La première voie met en évidence l'existence d'une valeur minimale de rugosité accessible lors d'un usinage avec un outil coupant. L'analyse de ce phénomène permet de proposer une valeur de prise de passe radiale optimisant le ratio rugosité du moule / temps d'usinage. La deuxième conduit à la définition d'un outil abrasif utilisable sur un centre d'usinage. La faisabilité d'une telle opération et les capacités de cette technologie innovante sont discutées. Enfin, le choix des outils, des stratégies d'usinage et de la machine outil sont discutés et aboutissent à la proposition d'une gamme de référence pour l'usinage d'ébauche et de finition de moules en matériaux composites.

La réalisation de formes complexes comme les moules ou les prothèses médicales nécessite l'utilisation d'opérations de super finition pour obtenir de faibles défauts géométriques, pouvant aller jusqu'au poli-miroir. Ces opérations de pré-polissage et de polissage sont encore régulièrement réalisées manuellement. En effet, malgré des avantages en termes de répétabilité, de productivité et de qualité géométrique, les méthodes de polissage automatique sont peu utilisées car elles nécessitent une mise au point importante. Les travaux de recherche présentés participent à la maîtrise du procédé de polissage automatique tout en contrôlant la qualité géométrique des pièces. Pour parvenir à cette maîtrise, un outil de simulation de l'enlèvement de matière est mis en place. Cet outil permet de simuler l'enlèvement de matière au cours d'une opération de prépolissage réalisée sur centre d'usinage 5 axes. Il se base sur un modèle du contact obtenu entre l'outil de pré-polissage et la pièce, ainsi que sur un modèle du pouvoir abrasif intégrant l'usure et l'encrassement du disque. Cette simulation permet de vérifier la régularité de l'abrasion sur une surface et d'identifier les zones pouvant faire apparaitre des défauts macro-géométriques importants. Une méthode est également proposée pour compenser les variations du pouvoir abrasif au cours du temps. La compensation s'effectue en optimisant les consignes de vitesse d'avance et/ou de fréquence de broche le long de la trajectoire. Cette méthode de pilotage permet d'obtenir un taux d'enlèvement de matière plus constant et ainsi de réduire les défauts géométriques générés pendant une opération de prépolissage.

Les travaux présentés dans cette thèse sont réalisés dans le cadre du projet européen ACCENT et s’inscrivent dans la problématique de l’utilisation de la surveillance d’usinage dans la fabrication des pièces critiques de moteurs aéronautiques. L’objectif est de définir une technique de surveillance de l’usure de l’outil dans l’usinage de l’alésage central d’un disque haute pression réalisé en superalliage à base nickel. Trois grandes étapes peuvent être identifiées dans notre démarche : l’identification des modes de dégradation dans le perçage de l’Udimet® 720 LI, la définition de relations entre les différents types d’usure et les grandeurs physiques mesurées et finalement, la proposition de stratégies de surveillance basées sur les résultats précédents. Afin de répondre aux objectifs, un protocole expérimental a été défini. Les campagnes expérimentales nous ont permis de caractériser l’usure du foret et de définir une cartographie des modes de dégradation en fonction de conditions de coupe testées. Par ailleurs, l’impact des perturbations d’usinage (coupure de lubrification, modification du pourcentage d’émulsion du lubrifiant, défaut de position de l’outil par rapport à l’avant-trou, etc.) a été étudié. La deuxième partie consiste à identifier les relations entre les modes de dégradation et les signaux de surveillance enregistrés (efforts, couple, puissance, vibrations, etc.). Pour cela, nous avons privilégié deux pistes : une explication directe de l’évolution des signaux par des phénomènes physiques et une approche selon « la base de données », pour développer des modèles d’usures par des critères statistiques extraits sur les signaux. Cette analyse a aussi permis la détection de certaines perturbations d’usinage en utilisant les grandeurs physiques mesurées. Il s’agit notamment d’un défaut d’excentration de l’outil dans le porte-outil et d’un problème d’évacuation de copeaux. La troisième étape porte sur la sensibilité des signaux afin de détecter l’ensemble des phénomènes et la définition des stratégies de surveillance pouvant être mises en œuvre. Pour chaque relation définie, nous avons déterminé une probabilité de détection. Ensuite, nous avons utilisé les signaux en parallèle afin d’accroitre la robustesse de la détection. Les taux de probabilité ont été améliorés, en se basant sur l’hypothèse d’indépendance des signaux (sans calculer les biais existants). Enfin, l’association de l’approche phénoménologique à l’approche dite « statistique » a permis d’augmenter la robustesse de la surveillance. / The work presented in this thesis is a part of European project ACCENT and fits into the context of using process monitoring in the manufacture of critical parts for aircraft engines. The aim is to define a monitoring technique for the tool wear in the machining of the central bore of a high pressure disk made in nickel based superalloy. The major stages can be identified in our approach: identification of tool failure modes in drilling Udimet® 720 LI, defining the relationships between wear and measured physical quantities and finally, a proposal for monitoring strategies based on the previous results. In order to complete the objectives, an experimental protocol was defined. The experimental campaigns allowed us to characterize the drill wear and to define cartography of tool failure modes depending on cutting conditions tested. Moreover, the impact of machining disturbances (lubricant stop, change in percentage of lubricant emulsion, the position over the before hole, etc.) was studied. In the second part, the relations between the tool failure modes and monitoring signals recorded during the machining (forces, torque, power, vibrations, etc.) were identified. For this task, we focused on two directions: a straightforward explanation of signals evolution by physical phenomena and “black box” approach to develop wear models from a database obtained by statistical criteria extracts from the signals. This analysis also allowed the detection of certain machining disturbances using the physical quantities. These include an eccentricity of the tool in the tool holder and a chips evacuation problem. The third part concerns the signals sensitivity to detect the different phenomena and the definition of monitoring strategies which can be implemented. For each relation defined, a detection probability was determined. Further, we used signals in parallel to increase the robustness of detection. The probabilities were improved, with an assumption of independent signals (without calculating existing biases). Finally, the combination of the phenomenological approach to the so-called "statistical" has increased the robustness of the monitoring technique.

Le processus de rétro-conception (RC), dans la littérature, permet de retrouver un modèle CAO pauvrement paramétré, les modifications sont difficilement réalisables. C’est à partir de ce dernier et d’un logiciel FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur) qu’une gamme de fabrication est générée. Cette thèse propose une méthodologie de RC de composants mécaniques dans un contexte de fabrication, nommée « Reverse Engineering For Manufacturing ». Une gamme de fabrication incluant les informations de type opérations d’usinage, posages, phases… est obtenue. Une fois cette gamme générée, elle sera stockée afin d’être réutilisée sur des cas similaires. L’intégration des contraintes métier dans le processus de RC fait penser aux concepts de Design For Manufacturing (DFM) et Knowledge Based Engineering (KBE). La réutilisation de stratégies d’usinage afin de supporter le contexte récurrent fait penser aux travaux sur le « Shape Matching ». En effet, des travaux sur les descripteurs topologiques permettent de reconnaitre, après numérisation, la nature d’une pièce et ainsi appliquer une stratégie d’usinage existante. Cette thèse propose donc un rapprochement entre deux domaines de recherches: la reconnaissance de formes (Shape Matching) et les méthodologies de gestion des données techniques (DFM et KBE). Cette thèse vise à proposer une nouvelle approche de RC dans un contexte d’usinage, et à développer un démonstrateur de RC qui permet de gérer les aspects récurrents de la RC en réutilisant des cas d’études connus / Reverse Engineering (RE) process, in the literature, allows to find a poorly parametrized CAD model, the changes are very difficult. It is from this CAD model and a CAM (Computer Aided Manufacturing) software that a CAPP (Computer Aided Process Planning) model is generated. This thesis proposes a RE methodology of mechanical components in a manufacturing context, called “Reverse Engineering For Manufacturing”. A CAPP model including information like machining operations, fixtures, steps… is obtained. Once this CAPP generated, it will be stored for reuse in similar cases.The integration of design intents in the RE process requires the use of Design For Manufacturing (DFM) and Knowledge Based Engineering (KBE) concepts. The reuse of machining strategies to support the recurrent context requires the use of Shape Matching works. Indeed, works on topological descriptors allow to recognize, after scanning, the nature of a part and thus apply an existing machining strategy. This thesis proposes to combine two research domains: Shape Matching and technical data management methodologies (DFM and KBE). This thesis aims to propose a new RE approach in a machine context, and to develop a RE viewer for managing recurrent aspects of RE by reusing known case studies

Tous les secteurs industriels sont aujourd'hui soumis à une pression économique importante et à une concurrence internationale accrue de part la globalisation des marchés. Pour répondre à cet état de fait, les entreprises sont contraintes d'innover et d'améliorer le cycle d'élaboration des produits et/ou processus depuis l'idée jusqu'au la mise sur le marché des produits. L'évolutivité rapide des produits et de la concurrence ont conduit les entreprises industrielles à faire un pas supplémentaire en imaginant de nouveaux systèmes de fabrication pour assurer simultanément une haute productivité et une haute flexibilité avec la contrainte nouvelle de changements rapides de famille de pièces. Le principe de « reconfigurabilité » de système de fabrication répond à ces contraintes. Or, il faut aujourd'hui faire preuve d'une très grande réactivité, pouvoir répondre rapidement à l'apparition d'un nouveau produit (évolution du design) et/ou une nouvelle demande (fluctuation de volume) afin de rester compétitif. L'objectif de notre travail est de proposer une méthodologie de conception concernant les « Machines-Outils Reconfigurable » (MORs). Ces nouvelles machines-outils disposant de multibroches sont une réponse face aux fluctuations (changements fréquents) de la demande, de manière rapide et rentable en tenant compte du nombre croissant de variantes (variabilité en fonctionnalités et en volumes). La particularité de ce type de machine par rapport aux autres types conventionnels réside dans la possibilité d'évolution au niveau de la capacité et/ou de la flexibilité et d'exécuter simultanément plusieurs opérations à l'aide de broches actionnant de façon simultanée. Le domaine concerné porte sur la fabrication de famille de pièces mécaniques essentiellement prismatiques utilisant les techniques d'usinage (fraisage, opérations axiales

Les imperfections inhérentes aux processus et procédés de fabrication entraînent une dégradation des caractéristiques fonctionnelles, et donc de la qualité du produit. Afin d'assurer un certain niveau de qualité, la synthèse des tolérances vise à déterminer les limites acceptables des caractéristiques des pièces et des assemblages. L'allocation ou la synthèse des tolérances fonctionnelles est une importante étape du processus de conception qui se situe généralement durant la conception détaillée et impacte énormément la conception du processus de fabrication, la fabrication et le contrôle du produit. Il est donc important, lors de la détermination des tolérances fonctionnelles, de prendre en compte l'impact de celles-ci sur le coût de fabrication du produit et sur la qualité du produit. Ces deux notions (coût de fabrication et qualité du produit) sont généralement antinomiques. L'approche proposée vise à allouer les tolérances fonctionnelles qui offrent le meilleur équilibre performance fonctionnelle / coût de fabrication. Elle est basée sur l'approche par « Key Characteristics » développée par Boeing couplée avec une approche par activités inspirée de l'« Activity Based Costing » et adaptée aux besoins de la sélection et l'analyse de processus de fabrication. Afin de quantifier cet équilibre, ces travaux proposent la définition d'un indicateur de performance d'une allocation de tolérances : le coût pondéré qualité, et une solution d'optimisation discrète de l'allocation : la démarche ABTA (Activity Based Tolerance Allocation). Celle-ci a été implémentée dans plusieurs maquettes informatiques afin de valider les mécanismes et méthodes qui la constituent.

Le travail présenté dans cette thèse vise à comprendre les vibrations de pièce mince durant l'usinage. De nombreux travaux proposent des modélisations de ce phénomène, mais des écarts persistent entre résultats de modélisation et réalité. Ce constat nous pousse à nous interroger sur l'emploi dans les modèles des modes propres de la pièce, sans y intégrer le contact de l'outil. Face à l'incapacité de vérifier la validité de cette hypothèse par mesures ponctuelles, la mesure de champ s'impose comme une alternative prometteuse. La deuxième partie du travail porte sur la mise au point d'un protocole expérimental novateur. Il inclut le relevé des déformées vibratoires d'une pièce mince en usinage par mesure de champs de déplacements. La stéréo corrélation d'images numériques se confronte à de nombreuses limitations dans ce contexte. Nous avons développé une méthode de réglage des capteurs permettant de contourner rapidement certaines difficultés. Cette méthode présentée sous forme graphique souligne la nécessité d'optimiser les paramètres de mesure dans un tel contexte. La troisième partie met en oeuvre le protocole de mesures. Le test des capteurs montre le fort intérêt de la mesure sans contact vis-à-vis de l'objectif recherché. Des essais d'usinage sont présentés en se basant sur une modélisation existante du broutement. Les déformées mesurées pendant l'usinage livrent des informations d'un type nouveau. Leur exploitation a impliqué la mise en place d'une procédure spécifique de traitement. La dernière partie présente les analyses de deux usinages. L'étude est effectuée au regard des états de surface obtenus, du comportement temporel, fréquentiel, et spatial. Cette approche souligne les subtilités de la génération d'état de surface en la présence de vibrations. L'examen des mesures de champs permet de relever des incohérences avec l'emploi des modes propres, classiquement utilisés en modélisation.

Pour sécuriser le processus de fabrication, garantir la qualité des pièces et atteindre une pleine productivité, des Systèmes de Surveillance Automatiques de l'Usinage (SSAU) sont nécessaires. Cependant, si des solutions sont proposées pour la production de grandes séries, il n'existe pas actuellement de SSAU pour les systèmes de production flexible en fraisage (ces derniers fabriquant notamment les pièces complexes à forte valeur ajoutée). L'objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit, est donc de répondre à ce besoin industriel en proposant une solution efficace et fiable de Surveillance Automatique de l'Usinage pour la production flexible par fraisage. <br />Tout d'abord, plusieurs critères issus de la bibliographie et susceptibles de résoudre notre problématique, ont été testés dans des conditions de coupe et de trajectoires industrielles, ce qui n'avait pas été fait auparavant. L'analyse de leur comportement a permis de mettre en évidence leurs faiblesses et de faire évoluer notre réflexion, avant de proposer une nouvelle méthode : la Surveillance d'Usinage Intermittente. L'état de l'outil est estimé à partir des efforts de coupe, puis reporté sur une carte de contrôle. Pour plus de fiabilité, seules les zones où la coupe est stable sont surveillées. <br />Afin d'augmenter la précision, la robustesse et le domaine de validité de la méthode, des améliorations ont ensuite été apportées, quant au conditionnement et à l'analyse des signaux d'efforts. Par ailleurs, les estimations de l'état de l'outil sont affinées pendant l'usinage, grâce à des simulations numériques effectuées au préalable. Des expérimentations ont validé l'approche, par des détections fiables de l'état d'un outil possédant 5 dents (dont une endommagée ou non).<br />Enfin, nous avons montré que notre méthode permet de détecter de très faibles endommagements de l'outil, survenant au cours de l'usinage d'une pièce. Nous proposons également de coupler notre SSAU à un système d'inspection des outils hors-usinage pour confirmer les détections. Nous avons ensuite montré que notre méthode n'est pas perturbée par l'usure des outils. Une table dynamométrique n'étant pas viable industriellement, nous avons cherché des alternatives. Nous avons finalement montré que la mesure d'efforts peut être réalisée en instrumentant la broche par des capteurs inductifs. L'application de notre méthode permet alors, dans un cadre industriel, de détecter de très faibles endommagements de l'outil, lors de production flexible en fraisage.

La qualité des surfaces des veines fluides fermées des pièces tournantes de turbomachine participe au rendement de la turbomachine. Il est donc essentiel de maîtriser la finition des veines en usinage 5 axes avec une fraise boule. L'alliage de titane Ti6Al4V est l'un des matériaux utilisés et souffre d'une faible usinabilité. Le choix des paramètres de coupe conditionne la qualité de surface et la durée de vie de la fraise. Pour maîtriser le fraisage 5 axes, des méthodes de caractérisation de la coupe sont développées pour des trajectoires linéaire et circulaire. Les diamètres effectifs et l'épaisseur coupée sont à l'origine de plusieurs phénomènes associés à la coupe tels que la vitesse de coupe, la vitesse d'évolution de l'usure d'outil, des modes d'usinage et des efforts de coupe. Des essais font le lien entre les mesures d'efforts de coupe et d'état de surface avec les méthodes de caractérisation de la coupe. Une fois l'usinage 5 axes en fraise boule caractérisé, deux stratégies de finition multiaxes de veines fermées sont développées en gardant constantes la vitesse d'avance du point générateur et l'orientation relative de l'axe de l'outil avec la normale de la surface locale. La stratégie de tréflage se caractérise par une trajectoire continue en courbure. La stratégie de contournage hélicoïdal met en évidence des discontinuités en tangence de la trajectoire. Une méthode de lissage local de trajectoire est alors développée pour assurer un comportement cinématique et dynamique raisonnable de la machine. / The surface quality of closed fluid veins rotating parts of turbo machines participates in the machine output. It is therefore essential to control the finishing of veins in 5-axis machining with a ball end mill. The titanium alloy Ti6Al4V is one of the materials used and suffers from a poor machinability. The choice of cutting parameters affects the surface quality and the life of the cutter. In order to control the 5-axis milling, characterization methods of cutting are developed for linear and circular paths. Effective diameters and the uncut chip thickness is responsible for several phenomena associated with the cut such as the cutting speed, the speed of evolution of the tool wear, the milling modes and cutting forces. Tests are the link between measures of cutting forces and surface quality and characterization methods of cutting. Once the 5-axis machining with ball end mill characterized, two strategies of finishing closed veins in multiaxis are developed keeping constant the feed speed of the contact and the relative orientation of the tool axis with the normal the local surface. The plunge milling strategy is characterized by a curvature continuous trajectory. The helical milling strategy reveals tangent discontinuities of the trajectory. A method of local smoothing trajectory is then developed to provide a reasonable kinematics and dynamics behavior of machine.