Les composants des industries de l'aéronautique, du spatial ou de l'énergie sont souvent en fonctionnement dans des environnements sévères où les températures et les pressions peuvent atteindre des valeurs importantes. Les matériaux traditionnels sont alors remplacés par des superalliages dits réfractaires, l'Inconel 718 est un de ces matériaux. Ils sont en particulier caractérisés par la conservation de leurs propriétés mécaniques à hautes températures. L'Inconel 718 est un alliage à base nickel, réputé comme difficile à usiner. Cette difficulté de mise en forme, liée à ses caractéristiques physiques et mécaniques, impose généralement une utilisation très importante de fluides de coupe ; ceux-ci représentent une fraction significative du coût de la pièce usinée. L'objectif est alors de migrer vers l'usinage à sec et grande vitesse. Cependant, du fait des caractéristiques mécaniques et du caractère réfractaire de l'Inconel 718, les surfaces générées peuvent être affectées thermiquement durant l'opération d'usinage avec la mise en place de contraintes résiduelles en traction néfastes pour la tenue en service des pièces usinées. Au travers des travaux présentés, nous nous proposons de montrer la faisabilité de l'usinage à sec de l'Inconel 718 et ses conséquences sur l'intégrité des surfaces réalisées. Des essais de tournage sous lubrification et à sec ont été réalisés dans des conditions de semi-finition avec un outil en carbure de tungstène revêtu. Les surfaces et sous surfaces ont été observées et qualifiées par un ensemble de moyens : microscope à interférométrie, microscope électronique à balayage, microduromètre, goniomètre rayons X pour l'analyse des contraintes résiduelles. L'analyse de l'intégrité des surfaces a permis de mettre en évidence les principaux facteurs influents. La qualité des surfaces produites dépendant de la maîtrise de la température de coupe, une technique de mesure des températures a alors été développée pour une opération de fraisage ; elle est basée sur la technologie des thermocouples. Les essais menés ont permis de déterminer la température en surface et en sous surface ; ces informations sont des éléments importants de validation d'un modèle thermique de la coupe. Enfin, à la suite d'essais de fraisage périphérique et de la mesure des efforts pour différentes conditions de coupe, nous présentons une comparaison entre ces résultats expérimentaux et une modélisation du procédé. La modélisation correspond à une approche thermomécanique de la coupe. En termes d'efforts, la comparaison est tout à fait satisfaisante ; un prolongement de cette approche pour valider l'aspect thermique, est toutefois envisagé.

L’objet de cette thèse est d’étudier un procédé de fraisage par microélectroérosion (μEE), qui est un procédé sans contact permettant d’usiner tous les matériaux durs conducteurs d’électricité à l’aide d’un micro-outil cylindrique ultrafin. Le principe consiste à créer des micro-décharges électriques entre le micro-outil et une pièce conductrice immergés dans un diélectrique liquide. En faisant parcourir à l’outil un parcours 3D, il est possible de creuser une forme complexe dans la pièce avec des détails à fort rapport d’aspect. Dans ce travail, nous avons tout d’abord amélioré un procédé d’élaboration de microoutils cylindriques ultrafins par gravure électrochimique de barreaux de tungstène. Des outils de diamètre 32,6 ± 0,3 μm sur une longueur de 3 mm ont été obtenus de manière automatique et reproductible. L’écart type a été divisé par 2 par rapport à l’état de l’art antérieur. Des outils de diamètre inférieur ont été obtenus avec une intervention de l’opérateur, et ce jusqu’à 3 μm de diamètre. Puis ces micro-outils ont été mis en oeuvre pour usiner des pièces avec le procédé de fraisage par microélectroérosion. Pour ce faire, une machine de 2ème génération a été entièrement développée sur la base de travaux antérieurs. Il a été possible d’usiner de l’acier inoxydable dans de l’eau déionisée avec des micro-outils de 3 μm de diamètre sans détérioration de l’outil. Par ailleurs, Le procédé de μEE a été caractérisé en termes de résolution d’usinage, taux d’enlèvement de matière et usure de l’outil. Un générateur de décharges original a permis d’usiner avec des micro-décharges de 1 à 10 nJ / étincelle avec une diminution très sensible de l’usure de l’outil par rapport à l’état de l’art. Un procédé original de caractérisation en ligne des décharges et de cartographie dans l’espace a aussi été développé / This work aims at studying Micro Electrical Discharge Milling (μEDM milling), which is a non-contact process allowing machining all hard and electrically conductive materials with a cylindrical ultrathin tool. The principle is based on the creation of electrical micro discharges between the tool and an electrically conductive part immersed in a liquid dielectric. By means of a 3D path, the tool machines a complex shape in the part with high aspect ratio details. In this work, we have firstly improved a process for making cylindrical ultrathin micro-tools by electrochemical etching of tungsten rods. Tools with a diameter of 32.6 ± 0.3 μm and a length of 3 mm have been obtained with an automated and reproducible process. Standard deviation has been divided by 2 by comparison with the previous state of the art. Tools with diameter as low as 3 μm have been fabricated with the help of the machine operator Then these micro-tools have been used for machining parts with the μEDM milling process. To do so, a second generation machine has been entirely developed on the basis of previous work. It has been possible to machine stainless steel in deionized water with 3 μm micro-tools without damaging the tools. In other respects, the μEDM milling process has been characterized in terms of machining resolution, material removal rate and tool wear. An innovative generator of discharges allow machining with 1 to 10 nJ / spark with a reduced tool wear by comparison to the state of the art. An innovative process for the on line characterization of discharges with spatial distribution capability has been developed

Cette étude s’est focalisée sur l’influence d’une opération de fraisage sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue des pièces usinées en titane (Ti-6Al-4V). L’influence des paramètres géométriques tels que les angles de coupe et les rayons de bec sur la performance de l’outil à savoir la durée de vie de l’outil est analysée. Une deuxième partie est consacrée à l’influence des paramètres géométriques sur l’intégrité de surface définie par des facteurs tels que la topographie, les contraintes résiduelles, la dureté et la microstructure. Afin de déterminer la nature des contraintes résiduelles, une approche thermomécanique a été utilisée. Une relation entre les contraintes résiduelles et la dureté sous la surface usinée est établie. Une dernière partie est dédiée à la l’étude de la fatigue des pièces en titane usinées selon les différents paramètres géométriques. Une comparaison des limites d’endurance expérimentales et analytiques issue de la littérature a permis de déterminer les paramètres influents de l’intégrité de surface sur la performance en fatigue. Une analyse fractographique a révélé les phénomènes liés à l’usinage influençant la rupture du matériau. / This study is carried out on the influence of milling process on surface integrity and fatigue life of a titanium alloy (Ti-6Al-4V). Geometric parameters like cutting angles and nose radius are investigated. In the first part, the observation is focused on tool life. The second part is dedicated to the influence of geometric parameters on surface integrity which is defined by topography, residual stress, hardness and microstructure. To determine the nature of the residual stresses a thermomechanical approach is used. A relation between residual stress and hardness is established. The last part deals with the study of the fatigue of milled titanium samples. A comparison is made between experimental fatigue limit and analytical fatigue limit of a model from literature. With this comparison, the most influential factor of surface integrity on fatigue limit is determined. A fractography analysis reveals the phenomenon related to milling process which can influence the material rupture.

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.

L’électroérosion (EE) est une technique d’usinage sans contact de matériaux conducteursd’électricité ; elle particulièrement bien adaptée à l’usinage de matériaux durs. Le principe consiste àcréer des décharges électriques érodantes entre un outil et une pièce à usiner, toutes deuximmergées dans un diélectrique. Dans cette thèse, nous avons étudié la miniaturisation de ceprocédé, la microélectroérosion (μEE), qui se présente comme un procédé complémentaire destechniques de micro-usinage mécanique, laser, ou encore des techniques issues de lamicrotechnologie du silicium (RIE, DRIE, LIGA). Toutefois, la résolution de la μEE est limitée.Dans ce travail, nous avons tout d’abord développé un procédé original d’élaboration de microoutilscylindriques en tungstène par gravure électrochimique. Celui-ci permet d’obtenir de manièrereproductible des micro-outils de diamètre 15 μm et de rapport hauteur sur diamètre supérieur à 50.Des micro-outils plus fins ont aussi été obtenus (jusqu’à 700 nm) mais avec des problèmes dereproductibilité. Par ailleurs, un prototype de machine de fraisage par μEE a été développé avec uneélectronique entièrement caractérisée. Des micro-canaux de 40 μm de largeur ont été obtenus dansl’acier d’inoxydable et 25 μm dans le titane ; une rugosité Ra de 86 nm a été atteinte dans des cavitésde 600 x 600 x 30 μm. Les limitations du dispositif expérimental ont aussi été mises en évidence.Dans la dernière partie de ce travail, nous avons procédé à l’étude des microdécharges et du microplasmas’établissant entre micro-outil et pièce à l’aide de caractérisations électriques. La résistanceet l’inductance des décharges ont été déterminées expérimentalement puis intégrées dans unmodèle permettant de prévoir la durée des impulsions de courant et leur intensité. Des pistes pourl’amélioration de la résolution d’usinage sont proposées en conclusion de ce travail. / Electro Discharge Machining (EDM) is a non-contact technique allowing machining of electricallyconductive materials; it is well adapted for the machining of hard materials. The principle is based onthe creation of eroding electrical discharges between a tool and a piece, both immersed in adielectric. In this thesis, we have the studied miniaturization of the process, called micro electrodischarge machining (μ-EDM), which is considered as a complementary technique of mechanical orlaser micro-machining techniques and silicon micro technology processes (RIE, DRIE, LIGA)..However, the resolution of μEDM is limited.In this work, we have firstly developed an original method for making tungsten micro-tools withcylindrical profile by electrochemical etching. This method allows the reproducible fabrication ofmicro-tool with 15-μm diameter. Thinner micro-tools were also obtained (down to 700 nm) withreproducibility problems. Furthermore, a prototype machine for milling μ-EDM was developed with afully characterized electronics. Micro channels were obtained respectively in stainless steel with awidth of 40μm and in titanium with a width of 25μm; a surface roughness Ra of 86 nm was achievedin 600 x 600 x 30 μm cavities. Besides, the limitations of the apparatus were highlighted. In the lastpart of this work, we have studied the micro-discharge and the micro-plasma between the micro-tooland the part with electrical characterization. The resistivity and the inductance of the sparks weremeasured and integrated in a numerical model in order to explain the duration of the microdischarges and their intensity. Solutions for improving the machining resolution are also discussed atthe end of this work.

Le micro-fraisage (diamètre fraise < 1 mm) permet l’usinage précis de structures en 3D, à des dimensions micrométriques, dans desmatériaux d’ingénierie, se plaçant aux frontières de deux mondes : d’une part, le fraisage traditionnel appelé « fraisage macro » et d’autre part,la micro-fabrication et ses techniques dites de « salle blanche ».L'étude innovante porte sur le micro-fraisage d’aciers inoxydables 316L avec des micro-fraises cylindriques en carbure de tungstèneavec un équipement industriel (machine outil commercialisée et non optimisée) permet d’accentuer les nombreuses difficultés technologiquesliées à la mise en oeuvre du micro-fraisage et d’effectuer directement un transfert de compétences vers l’industrie. L’acier 316L(biocompatible, réputé de difficilement usinable) n’a jamais été étudié en micro-fraisage.L’étude aborde, au travers de neufs ratios caractéristiques du micro-fraisage, les problématiques de choix de moyens et de méthodespour caractériser la technique du micro-fraisage.Après analyses des paramètres de l’étude et des caractérisations des usinages, la définition géométrique optimale d’une micro-fraiseinnovante est proposée. Sa tenue en service est validée par des tests en usinage dans l’acier 316L, répondant ainsi, à une problématique decoupe négative à basse vitesse de coupe avec des effets d’échelle du matériau.Une originalité de l’étude est d’aborder l’effet de la population inclusionnaire visant à améliorer l’usinabilité. En comparant lesrésultats obtenus par micro-fraisage de 2 nuances d’acier 316L, la population inclusionnaire de l’acier 316L n’est pas identifiée comme unfacteur améliorant l’usinabilité à l’échelle de la coupe micro. / The micro-milling ( tool diameter < 1 mm) target the precise machining of 3D structures to micrometric dimensions, in engineeringmaterials, to be placed at the borders of two worlds : the one hand , the traditional milling called "macro milling" and other hand, the microfabricationand its so-called "clean room" techniques.The innovative study focuses on the micro-milling of 316L steel with carbide micro end mills with industrial equipment (machine toolmarketed unoptimized) can caricature the many technological challenges related to the implementation of the micro-milling and make a directtransfer of skills to the industry. 316L steel (biocompatible, reputed difficult to machine) has never been studied in micro-milling.The study looks at ratios through new features of the micro-milling, the problems of choice of means and methods to characterizemicro-milling.After analysis study parameters and machined parts, the optimal geometric definition of an innovative micro end mill is proposed.Service behavior is validated by testing machining in 316L steel, responding to a question of negative cutting with low cutting speeds andscale effects of the material.An originality of the study is to address the effect of the inclusion population to improve machinability. Comparing the resultsobtained by micro-milling two 316L steel grade, the inclusion population of 316L steel is not identified as a factor improving themachinability cutting at micro scale.

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.