Les paliers à roulements sont des pièces mécaniques utilisées dans de nombreux domaines. Leur durée de vie est un paramètre critique pour celle des assemblages dans lesquels ils sont montés. Des méthodes de calcul de la durée de vie des paliers à roulements existent mais ne prennent pas en compte certains paramètres importants tels que le gradient des propriétés mécaniques du matériau et des contraintes résiduelles. Les travaux menés par G. Thoquenne [1] en 2004 ont mis en place une méthode de prévision de durée de vie prenant en compte ces paramètres. Or celle-ci nécessite la connaissance de l'état après rodage du matériau en terme de contraintes résiduelles et de rugosité des surfaces en contact. L'objectif de la thèse présentée ici est de pouvoir prédire l'état après rodage du matériau en terme de rugosité et de contraintes résiduelles. Trois modèles numériques de simulation de la phase de rodage ont été développés sous Castem et Code Aster. Le modèle le plus performant pourra être utilisé en complément de la méthode de prévision de durée de vie. Une étude expérimentale comprenant des essais de rodage sur une machine bi-disque de fatigue de contact a été menée en parallèle pour valider ces modèles numériques. L'effet de la pression de contact, du taux de glissement et de la rugosité des galets en contact ont été particulièrement pris en compte.[1] Prévision des durées de vie en fatigue des roulements, G. Thoquenne, Manuscrit de thèse, école polytechnique, avril 2004.

Le procédé de rodage par pierres abrasives est actuellement utilisé pour produire en grande série des chemises de carter cylindre avec des propriétés fonctionnelles spécifiques. La qualité de forme, la rugosité et l'aspect des surfaces ainsi rodées déterminent grandement les performances mécaniques et écologiques des moteurs. Le processus de rodage, mécaniquement complexe, fait intervenir des machines complètement dédiées et optimisées pour les rodages classiques. Après une étude détaillée des machines de production actuelles, de leurs performances et de leurs limites, l'objectif de recherche de flexibilité du procédé pour l'industriel Renault s'est traduit par deux développements : une modélisation de l'abrasion avec une simulation du procédé pour mieux le comprendre et la conception d'un prototype de machine de rodage à hautes performances pour tester d'autres méthodes de rodage.La simulation est basée sur la double discrétisation de l'espace-et du temps et sur un modèle de coupe original. La discrétisation de l'espace permet de représenter à une échelle macroscopique le rodoir et la pièce à usiner et de tenir compte des contacts locaux entre eux. Les propriétés microscopiques et mésoscopiques de la surface rodée sont étudiées à cette échelle. La discrétisation temporelle autorise la prise en compte de la cinématique de la machine. Le modèle de coupe repose sur l'interaction des courbes de portance du rodoir et de la chemise. Son exploitation au niveau macroscopique permet de prédire l'enlèvement de matière, la force de contact locale ainsi que l'aspect de la surface rodée et leurs évolutions au cours du rodage. Cette simulation est validée par de nombreuses expériences.Ce document présente la conception, la réalisation et la mise au point d'un prototype de machine de rodage avec des actionneurs électriques à performances dynamiques élevées. Une commande numérique permet le pilotage synchronisé de la rotation et du battement et autorise l'interpolation de trajectoires. L'expansion radiale peut être pilotée en position ou en force. Nous avons proposé de nouvelles trajectoires originales dans l'objectif d'augmenter la productivité du procédé et dans le but de générer de nouvelles textures. / The honing process with abrasive stones is currently used to mass produce the liners cylinder block with specific functional properties. The quality of shape, the roughness and the textural appearance of honed surface determine the mechanical performance and ecological engines. The honing process is mechanically complex and involves machines completely dedicated and optimized for classical honing operations. After a detailed study of current production machines, their performance and their limitations, the research goal of flexible process for industrial Renault has led to two developments: a model of the abrasion with a process simulation to better understand and design of a prototype machine with high performance to test other methods of honing.The simulation is based on a space-time discretization and an original model of stock cutting. The space discretization is used to represent a macroscopic scale the honing tool and the workpiece and to take into account local contacts between them. Microscopic and mesoscopic properties of the honed surface are studied at this level. Time discretization allows taking into account the kinematics of the machine. The cutting model is based on the interaction of the bearing area ratio curves of the honing tool and the liner. Operation at the macroscopic level predicts the removal of material, the contact force and the local aspect of the honed surface and their changes during the operation. This simulation is validated by numerous experiments.This paper presents the design, the implementation and the development of a prototype machine with electric actuators for high dynamic performance. A digital controller allows the synchronized control of the rotation and stroke to allow trajectories interpolation. The radial expansion can be controlled in position or force. We proposed new original trajectories in the objective of increasing the productivity of the process and to generate new surface textures.

Au travers de ce travail de thèse, nous nous sommes fixé comme objectif, de rechercher des solutions pour augmenter la durée de service des outils de coupe du bois, plus spécialement ceux utilisés en première transformation (usure prématurée et ébréchures des arêtes de coupe). Les améliorations apportées à ces outils en laboratoire proviennent des modifications de surfaces par applications de films durs en couches minces (CrN en l'occurrence) ou bien par traitements thermochimiques (nitruration ionique basse température). Par ailleurs, afin de vérifier l'effet des modifications d'outils sous des conditions réelles d'utilisation, nous avons réalisé du déroulage et fraisage industriel de bois vert, avec des couteaux modifiés en surface par des traitements classiquement utilisés (TiN, CrN, DLC et duplex (nitruration + dépôt dur)). Ces tests d'usinage ont été réalisés dans le cadre d'un projet européen CRAFT. Au regard des résultats obtenus, nous avons ensuite débuté le développement de nouveaux films ternaires (CrAlN et ZrBN) pour un éventuel emploi en usinage du bois. La modification de la géométrie par pré-rodage de l'arête de coupe des couteaux réalisée grâce à un traitement mécanique de sablage a également été étudiée. Pour réaliser cette étude un grand nombre d'équipements de caractérisations physicochimiques et tribologiques des films a été utilisé ainsi que des machines de laboratoire et industrielles d'usinage du bois.

Le procédé de rodage par pierres abrasives est actuellement utilisé pour produire en grande série des chemises de carter cylindre avec des propriétés fonctionnelles spécifiques. La qualité de forme, la rugosité et l'aspect des surfaces ainsi rodées déterminent grandement les performances mécaniques et écologiques des moteurs. Le processus de rodage, mécaniquement complexe, fait intervenir des machines complètement dédiées et optimisées pour les rodages classiques. Après une étude détaillée des machines de production actuelles, de leurs performances et de leurs limites, l'objectif de recherche de flexibilité du procédé pour l'industriel Renault s'est traduit par deux développements : une modélisation de l'abrasion avec une simulation du procédé pour mieux le comprendre et la conception d'un prototype de machine de rodage à hautes performances pour tester d'autres méthodes de rodage.La simulation est basée sur la double discrétisation de l'espace-et du temps et sur un modèle de coupe original. La discrétisation de l'espace permet de représenter à une échelle macroscopique le rodoir et la pièce à usiner et de tenir compte des contacts locaux entre eux. Les propriétés microscopiques et mésoscopiques de la surface rodée sont étudiées à cette échelle. La discrétisation temporelle autorise la prise en compte de la cinématique de la machine. Le modèle de coupe repose sur l'interaction des courbes de portance du rodoir et de la chemise. Son exploitation au niveau macroscopique permet de prédire l'enlèvement de matière, la force de contact locale ainsi que l'aspect de la surface rodée et leurs évolutions au cours du rodage. Cette simulation est validée par de nombreuses expériences.Ce document présente la conception, la réalisation et la mise au point d'un prototype de machine de rodage avec des actionneurs électriques à performances dynamiques élevées. Une commande numérique permet le pilotage synchronisé de la rotation et du battement et autorise l'interpolation de trajectoires. L'expansion radiale peut être pilotée en position ou en force. Nous avons proposé de nouvelles trajectoires originales dans l'objectif d'augmenter la productivité du procédé et dans le but de générer de nouvelles textures.

Le rodage mécanique demeure encore le procédé industriel de référence pour la finition des cylindres de moteurs dans le cadre des productions de grande série. La voie actuelle de fabrication en rodage procède par frottement et abrasion à vitesse réduite pour imprimer une texture anisotrope et multi-échelle sur la surface du cylindre. La signature de cette texture a la particularité de satisfaire des exigences multifonctionnelles du cylindre (frottement, lubrification, usure, consommation d'huile, etc.). Elle est cependant générée par un rodage stratifié en production industrielle qui consiste en trois étapes successives avec effet d'échelle: ébauche (échelle macroscopique), finition (échelle mésoscopique) et superfinition (échelle microscopique). Plusieurs méthodes de rodage ont émergé cette dernière décennie et dont la différentiation technologique et économique se fait essentiellement par le choix des attributs texturaux et topographiques de surface de rodage. La présente étude analyse les processus de rodage industriel, du choix d'anisotropie possibles et paramètres texturaux dans une optique de fonctionnalisation de la surface rodée du cylindre. Une approche méthodologique sur la tribo-fonctionnalité multi-échelle de la surface de rodage du cylindre a été développée, puis validée par simulation numérique dans le cas du tribo-contact segment-cylindre. Elle s'appuie sur le triptyque suivant :- le couplage entre le processus de rodage et la fonctionnalité via la caractérisation de sa signature texturale multi-échelle,- l'exploitation de l'anisotropie contrôlée par simulation numérique qui conduit à la texture de fonction,- l'interaction surface – procédé de rodage qui devient indissociable, notamment dans la fabrication de la texture de fonction et sa qualification tribo-fonctionnelle par des essais tribométriques.Cette démarche méthodologique a été appliquée aux procédés de rodage industriel tel que le rodage plateau (PH), glissant (SH) et hélico-glissant (HSH). Cela a permis de démontrer qu'une texture anisotrope fine de type PH composée de plateaux et vallées de faible amplitude présente les meilleurs attributs fonctionnelles en frottement. Cependant, une texture anisotrope de type HSH avec un angle de striation de 130° est moins sensible en frottement à l'aspect plateau obtenu par écrêtage des pics de rugosité. Ce résultat ouvre une évolution potentielle du process HSH où la dernière étape de rodage peut être réduite voire supprimée. Par la suite, la démarche développée a été étendue aux textures innovantes à bas frottement de rodage en développement avec une anisotropie circulaire, ondulatoire, stratifiée mixte, ou assistée en trajectoire. Les résultats ont montré que des textures HSH optimisées en trajectoire (avec suppression de stries d'inversion au niveau des points mort haut (PMH) et point mort bas (PMB) du cylindre) ainsi que des textures stratifiées mixtes 45°-130°-45° (stries à 45° au PMB et PMH et 130° au milieu du cylindre) permettent une réduction significative du frottement segment-fût en régime de lubrification mixte en comparaison par rapport au texture de rodage HSH conventionnel. / Mechanical honing process is still the reference industrial process for high production engine liners. The current manufacturing way use reduced velocity friction and abrasion mechanisms to print a multiscale and anisotropic texture on the liner surface. The texture signature characteristics satisfy multifunctional requirements of the liner (friction, lubrication, wear, oil consumption etc.). It is generated by a stratified honing process for industrial production which consists of three stages with scale effect: rough (macroscopic scale), finish (mesoscopic scale) and super-finish honing (microscopic scale). Different honing methods emerged during last decade in which the technological and economic differentiation is essentially based on textural attributes of honed surfaces. The present study analyses the industrial honing processes, the possible surface anisotropy choices and texture parameters with a view to honed liner surface functionalisation. A methodological approach about multiscale honed surface tribofunctionality has been developed and then validated by numerical simulation in the case of ring-liner tribocontact. It builds on the following triptych:- the coupling between honing process and functionality through its multiscal textural signature,- the exploitation of the controlled anisotropy by numerical simulation which conducts to fonctionality,- the surface-process interaction which becomes indivisible, particularly in texture manufacturing and its tribofunctional qualification though tribometric trials.The methodology has been applied to industrial honing processes (plateau honing (PH), slide honing (SH) and helical slide honing (HSH)). The results show that smooth texture with lower plateau roughness and valley depth contributes to reduce frictional performances of honed surfaces. Nevertheless, Helical slide honed surfaces are less sensitive in friction to the plateaudness i.e., to superficial roughness comparatively to PH textures. This is promising for HSH process optimization, in which the third stage can be reduced or deleted. Then the developed approach has been extended to honing development for innovative texture anisotropy (circular, undulatory, mixed, trajectory assisted) for low-friction performances. The results show that assisted trajectory (without inversion grooves at top dead (TDC) and bottom dead centers (BDC)) and 45-130-45 mixed textures (with 45° cross-hatched grooves at TDC and BDC, 130° cross-hatched grooves at mid-height) enhance significantly frictional performances in comparison to HSH conventional process.

Les fûts des carter-cylindre des moteurs jouent un rôle fondamental dans la fonctionnalité du moteur et conditionnent ses performances. La texture des surfaces des fûts de carter représente, en effet, une surface " originale " à micro-échelle structurée de façon à répondre aux caractéristiques d'aspect de la surface et à ses propriétés d'anisotropie. Elle comprend des stries plateaux (régions portantes) et des vallées profondes pour retenir et transporter le lubrifiant. Ces surfaces sont générées par le process de rodage. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie robuste pour l'analyse des caractéristiques des surfaces rodées en tenant compte des relations entre les mécanismes d'usure abrasive pendant l'opération de rodage et les modifications multi-échelles des signatures topographiques inhérentes. Ces modifications multi-échelles de la surface sont, par ailleurs, reliées aux conditions opératoires définies pour le rodage des surfaces en harmonie avec le besoin fonctionnel. Cette thèse expose les bases d'utilisation des transformées en ondelettes continues pour étudier la nature multi-échelle de la génération de la topographie de la surface pendant le process de rodage utilisé pour finir les fûts de carter cylindres. La nature multi-échelle du process de rodage est clairement démontrée et constitue un traceur ex situ pouvant expliquer la superposition des signatures inhérentes aux opérations consécutives de rodage. L'implémentation de cette approche multi-échelle dans un environnement de production en série permet de corréler la qualité fonctionnelle du produit et le process de génération des surfaces rodées. Une cartographie de la topologie de la surface est ainsi définie via des spectres d'évolution de la texture de la surface. Elle permet d'analyser l'évolution des modifications texturales induites à chaque étape de rodage et de définir les relations exactes d'enchaînement causes/conséquences de l'intervention des variables process. Différentes applications sont, dès lors, exposées pour la conception process/produit permettant d'analyser l'efficience du process en relation avec le produit et de définir de nouveaux paramètres process de productivité.

La tenue des surfaces des contacts rugueux roulants est un problème crucial l’évaluation de la durée de vie des mécanismes. Cette durée de vie est conditionnée dès les premiers cycles par le rodage puis par les mécanismes de fatigue des surfaces. Le rodage est défini par le temps nécessaire à l’accommodation géométrique des surfaces rugueuses entre elles, à l’interface du contact. La charge transmise sur une faible aire de contact par rapport à l’aire apparente, crée des pressions importantes qui induisent de fortes contraintes en couche superficielle et des déformations plastiques de la microgéométrie. Cette plastification a lieu dans les tous premiers cycles puis la surface se stabilise, c’est le rodage. La répétition cyclique des sollicitations au cours du fonctionnement conduit enfin à l’endommagement du matériau et des avaries en surface telles que des micro-écailles. Après une étude bibliographique sur le contact roulant rugueux et les dispositifs expérimentaux existants, la difficulté de ce type d’analyse est mise en évidence. Elle consiste à effectuer un suivi en continu de l’évolution de l’état de surface du contact à une échelle suffisamment fine et précise. Une micromachine bi-disque a été développée afin de réaliser ce suivi quasi "in-situ" à l’échelle des rugosités permettant d’identifier les mécanismes de rodage et de dégradation. Un protocole expérimental précis permet de mesurer les surfaces antagonistes dans les premiers cycles correspondant au rodage. Les surfaces vierges mesurées sont utilisées comme paramètre d’entrée d’une simulation numérique du contact rugueux d’une sphère sur un plan. La déformée de surface numériquement obtenue à l’état stabilisé est comparée à celle mesurée expérimentalement à la fin du rodage. La très bonne superposition de ces résultats permet de valider cette méthode et les résultats numériques tels que les contraintes résiduelles et déformations plastiques. Les surfaces à l’état stabilisé obtenues, sont exploitées à travers différents critères de fatigue multiaxiaux. Les résultats numériques sont également comparés aux observations expérimentales pour déterminer le critère le plus adapté à cette analyse et permettant d’expliquer la formation de fissures et d’avaries de surfaces. / The surface life of rolling rough contacts is an important problem in the evaluation of the life expectancy of a machine. This life span is conditioned by the first cycles of the running-in process and then by the surface fatigue. The running-in period is defined by the time necessary for the rough surfaces to accommodate. The real area of contact is small compared with the apparent area, hence the load creates important pressures which lead to important stresses in the superficial layer and to plastic deformation of the microgeometry. The plastic deformation takes place over the first cycles then the surface stabilizes, this is the end of running-in process. The repeated cyclic loading finally leads to material damage below the surface and to surface micropitting. After a bibliographical study on the rough rolling contact and the existing experimental test machines, the difficulty of analysing the roughness evolution is pointed out. It requires a precise, continuous monitoring of the contact surface evolution on a small enough scale. A two-disk micro-machine was developed to perform this almost "in situ" monitoring at the roughnesses scale, allowing one to identify the mechanisms of running-in and surface degradation. An accurate experimental protocol allows one to measure the opposing surfaces in the first cycles corresponding to the running-in period. The initial surfaces are used as entrance parameters for a numerical simulation of the rough contact of a sphere on a plane. The deformed surface numerically obtained in the stabilized state is compared with the measured one at the end of the running-in period. The very good agreement between these results allows one to validate this method and the numerical results such as the residual stresses and the plastic deformation. Different multiaxial fatigue criteria are applied to the numerical results obtained in the stabilized state. The results are compared to the experimental observations to determine the criterion that is the most suited for this analysis and allows one to explain the crack formation and surfaces damage.

Dans ce travail, de nouveaux traitements de protection, à base de couches minces dures, de type nitrures des métaux de transition, ont été développés en vue d'améliorer la tenue de service d'outils destinés à l'usinage de MDF (Medium Density Fiberboard). En raison des sollicitations sévères auxquelles l'arête est soumise, ces revêtements doivent avoir de bonnes propriétés physicochimiques, mécaniques et tribologiques. Compte tenu des travaux précédents où des résultats prometteurs avaient été obtenus en utilisant des films de CrN, nous avons voulu améliorer les principales caractéristiques de ce système binaire en lui ajoutant des éléments métalliques tels que l'Al et le V. De ce fait, des couches de CrAlN et CrVN ont été réalisées par pulvérisation dual magnétron RF. Nous nous sommes intéressés en particulier à l'effet du pourcentage d'Al et de V respectivement sur les propriétés de CrAlN et CrVN. Dans un deuxième temps, les revêtements optimaux ont été par la suite, réalisés sur des plaquettes en carbure de tungstène utilisées en usinage de trois types de MDF (Standard, Hydrofuge et Ignifugé) et en tenant compte de l'épaisseur et du profil de densité de chaque panneau. Une procédure de pré-rodage des plaquettes carbure a été mise au point et les revêtements ont été effectués à la fois sur des plaquettes pré-rodées ou non. Les résultats indiquent que l'utilisation des films minces pouvait apporter des améliorations significatives en termes de résistance à l'usure et qu'une préparation préalable par pré-rodage était fortement conseillée pour permettre une meilleure adhérence de la couche