Les pièces de formes complexes des domaines aéronautique et automobile sont fabriquées par usinage 5 axes UGV pour accroître leur qualité ou la productivité. Cependant, la gestion combinée du multi-axe et des vitesses élevées posent divers problèmes au couple MO-CN lors de l'exécution des trajectoires.<br />Ces travaux portent sur l'optimisation de l'usinage 5 axes UGV au travers de l'étude des trajectoires et de leur suivi. Après avoir analysé le processus de réalisation des trajectoires et identifié les limites associées, un modèle d'évaluation des performances cinématiques lors du suivi est développé ; il permet de détecter les portions critiques des trajets ainsi que les éléments limitants. Une structure d'optimisation, basée sur un modèle de description surfacique des trajets est ensuite présentée. L'optimisation de l'orientation de l'axe de l'outil, tenant compte des contraintes précédentes y est plus spécifiquement étudiée pour évaluer la faisabilité d'une telle démarche.

Le thème abordé est celui de la fabrication de pièces de formes complexes sur centre d'usinage à 5 axes et plus particulièrement le point de vue de la génération de trajectoires et de leurs exécutions sur les machines. Quatre thèmes distincts seront abordés dans les quatre chapitres proposés : la prise en compte des performances cinématiques du couple MO-CN en FAO, la prise en compte du modèle géométrique de la machine en FAO, Les formats d'échange et de description des données dans la chaîne numérique de fabrication et enfin l'industrialisation du polissage automatique sur MOCN 5 axes. Enfin dans la troisième partie sont regroupés les articles publiés dans des revues internationales et qui sont proposés comme documents de références pour les développements de la deuxième partie.

La conception des engrenages spiro-coniques reste encore très complexe de nos jours car la géométrie des dentures, et donc les performances cinématiques, découle du mode de fabrication de ce type d'engrenage. Le taillage est lié à deux constructeurs principaux : Gleason et Klingelnberg. De nombreux paramètres de réglage des machines influencent directement les surfaces de denture, leur optimisation n'est donc pas intuitive. Avec les progrès réalisés cette dernière décennie par les machines d'usinage à commande numérique et la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), il devient possible de fabriquer des engrenages spiro-coniques de bonne qualité sur une machine 5 axes. Un modèle numérique a été développé pour générer une géométrie simplifiée de type Gleason, usinée par la suite avec une machine 5 axes. Une étude de métrologie, permettant de comparer les dents usinées avec les modèles CAO, a ensuite été réalisée pour prouver que l'usinage par une machine 5 axes peut être une alternative aux méthodes de taillage classiques. De nouveaux types de géométrie peuvent donc être proposés, qui ne pouvaient pas être envisagés par les moyens de fabrication classiques. Une géométrie basée sur la théorie des développantes sphériques, combinée à une spirale logarithmique a été développée, puis usinée. De plus, des corrections de bombé ou de profil peuvent être définies afin d'éviter les contacts en bords de denture. Ce type de géométrie analytique offre des possibilités plus simples d'optimisation de l'engrènement. L'optimisation des surfaces peut être réalisée à l'aide du modèle d'engrènement quasi-statique sous charge développé dans le cadre de cette thèse. L'environnement de l'engrenage est pris en compte dans la simulation : déformation des arbres, des dentures et de leurs supports (jantes et voiles) ainsi que les déformations locales de contact. La méthode des coefficients d'influence est utilisée pour résoudre le partage des charges entre toutes les dents instantanément en contact. Une méthode originale, utilisant sur un seul calcul élément finis et la définition de bases de fonctions, permet de calculer rapidement les flexions de denture dans leur environnement. Les déformations de contacts sont, quant à elles, obtenues par une méthode analytique, basée sur les théories de Boussinesq. De plus, des défauts d'assemblage peuvent être intégrés entre le pignon et la roue spiro-conique. Afin de valider les modèles numériques développés, un banc d'essai a été mis en place, permettant la mesure de l'erreur de transmission et la visualisation des portées. Le banc d'essai est intégré dans une fraiseuse numérique 3 axes : le pignon est monté dans la broche de la fraiseuse, le reste du banc étant bridé sur son plateau. Ainsi, des défauts de montage peuvent être appliqués facilement et précisément.

Une prothèse de genou est généralement, composée de deux parties fixées respectivement sur le fémur et sur le tibia et d’une troisième, dite intercalaire. Durant le processus de fabrication de ces composants des déformations apparaissent au niveau des bruts de fonderie. Les fabricants de prothèses choisissent d’assurer l’épaisseur nominale de la prothèse en enlevant une épaisseur constante sur le brut de fonderie. Cette opération est généralement réalisée manuellement. L’objectif de ces travaux de thèse est de contribuer à l’automatisation de ces opérations en proposant une méthode d’adaptation des trajectoires d’usinage aux variations géométriques de la surface cible. L’objectif de ce travail de recherche est d’adapter une trajectoire d’usinage sur un modèle nominal pour enlever une épaisseur constante sur une surface brute de fonderie mesurée. La méthode proposée commence par une étape d’alignement de la surface mesurée sur la trajectoire nominale en utilisant un algorithme d’ICP. Par la suite, la trajectoire nominale est déformée pour venir enlever l'épaisseur désirée sur la surface brute mesurée. Cette dernière est définie, dans ces travaux, suivant un modèle STL. Naturellement, les discontinuités de ce type de modèle induit une impression des motifs du STL sur la trajectoire adaptée et, donc, sur la pièce usinée. Par la suite, afin de d’atténuer ce problème et d’améliorer la qualité de fabrication, il est proposé de procéder à un lissage de la trajectoire.Afin de valider les développements théoriques de ces travaux, des essais ont été réalisés sur une machine cinq axes pour l’ébauche de composants fémoraux d’une prothèse uni-compartimentale de genou. / Commonly, knee prostheses are composed of two parts fixed respectively on femur and tibia, and a third one called intercalary. During the manufacturing process, of these components distortions appear on roughcast workpiece geometry. Thus, prosthesis manufacturers choose to ensure the nominal thickness of the prosthesis by removing a constant thickness on the roughcast workpiece. This operation is generally carried out realized manually.The aim of this thesis is to contribute to the automation of these manual operations by providing a method to adapt the machining toolpaths at geometrical variations of the target surface. The aim of this research work is to adapt a machining toolpath computed on a nominal model to remove a constant thickness on a roughcast measured surface. The proposed method starts with an alignment step of the measured surface on the nominal toolpath using an ICP algorithm. Subsequently, the nominal toolpath is deformed to remove the desired thickness of the measured rough surface defined in presented case by a STL model. Naturally, discontinuities of this type of model induce the apparition of pattern for the STL on the adapted toolpath and thus on the machined workpiece. Subsequently, to limit this problem and to improve the quality of realized surface, it is proposed a toolpath smoothing method. To validate theoretical developments of this work, tests were carried out on a five-axis machine for roughing of femoral components of a unicompartmental knee prosthesis.

L’usinage 5 axes à grande vitesse est de plus en plus utilisé dans l’industrie pour réaliser des pièces de géométrie complexe à forte valeur ajoutée avec pour contrainte de respecter la qualité géométrique tout en maximisant la productivité. Dans ce contexte, la FAO et plus particulièrement la génération des trajectoires d’usinage jouent un rôle prépondérant. Ces travaux proposent de définir des trajectoires en fonction de la pièce à réaliser mais aussi de la structure poly articulée et de ses performances cinématiques. La grande diversité des structures en termes d’architecture et de cinématique impose une méthode de calcul générique facilitant la définition de trajectoires adaptées pour leur suivi. L’état de l’art des travaux réalisé dans les domaines de l’usinage et de la robotique pour répondre à cette problématique conduit à utiliser des polytopes de manipulabilité cinématique pour modéliser les contraintes cinématiques. L’analyse de ces polytopes et de la géométrie de la pièce à usiner permet de générer des trajectoires avec une vitesse outil/pièce maîtrisée et un temps de parcours réduit dans le cas de l’usinage 5 axes positionné et de l’usinage 5 axes continu. Ce formalisme met en avant les fortes dépendances entre les différents paramètres de la stratégie d’usinage (positionnement de la pièce, direction d’avance et orientation de l’outil) et permet de privilégier certaines combinaisons de ces paramètres pour maîtriser la vitesse d’exécution de la trajectoire. / 5 axes high speed milling is increasingly used for manufacturing high addedvalue parts with complex forms in order to respect surface quality while maximizing productivity. In this context, CAM and more specifically toolpath computations play a major part. This work proposes to define toolpath depending on the workpiece but also onkinematical capacities of the polyarticulated structure.The large variety of structure in terms of architecture and kinematic enforce a generic calculation method to simplify adaptative toolpath generation. A state of the art realized in machining and robotics proposes to investigate the use of kinematical manipulability polytopes to represent kinematical capacities. An analysis of the polytopes and of the workpiece allows to generate toolpaths with a controlled feedrate and a decreasing time in 5 axes positionned milling and in 5 axes continous milling. This formalism highlights strong interactions between milling strategy parameters (workpiece setup, feed direction, tool orientation) and allows to prioritize specific parameters mix to have a controlled execution feedrate.

Ces travaux contribuent à l'amélioration de la fabrication de pièces complexes de turbomachine. Elles sont principalement composées de veines fluides souvent délimitées par des pales, dont la fonction première est de transférer de l'énergie entre un fluide et une partie mécanique. Dans ce cas précis, la géométrie de ces pièces est essentielle pour obtenir un bon rendement du mécanisme. Cependant, lors de l'usinage, les flexions des pales et/ou de l'outil ainsi que les interférences locales occasionnent des défauts géométriques pouvant nuire à l'efficacité du système. Dans le but de résoudre cette problématique, une approche globale est utilisée dans ce mémoire. Elle débute par l'étude de la conception de ces pièces, en introduisant des concepts de Design For Manufacturing, utilisables grâce à la proposition d'indicateurs de fabricabilité par usinage 5-axes de pièces de turbomachine. Cette démarche permet donc de garantir que les pièces conçues sont économiquement réalisables. Les travaux ont continué avec la mise en place d'une méthodologie d'aide au choix de la meilleure stratégie d'usinage basée sur des critères de respect des besoins fonctionnels de la pièce et des critères économiques. La seconde partie de ce mémoire est consacrée à l'étude d'une approche novatrice permettant la réduction des interférences locales lors de l'usinage par le flanc de surfaces non développables. Cette méthode, baptisée Computation of Adapted Tool Shape, optimise la forme de l'outil, pour une trajectoire et une surface données, afin d'obtenir un meilleur respect des besoins fonctionnels de la pièce. La dernière partie de ces travaux définit le domaine d'application de cette nouvelle méthode par sa mise en oeuvre sur des études de cas académiques et industriels.

La conception des engrenages spiro-coniques reste encore très complexe de nos jours car la géométrie des dentures, et donc les performances cinématiques, découle du mode de fabrication de ce type d’engrenage. Le taillage est lié à deux constructeurs principaux : Gleason et Klingelnberg. De nombreux paramètres de réglage des machines influencent directement les surfaces de denture, leur optimisation n’est donc pas intuitive. Avec les progrès réalisés cette dernière décennie par les machines d’usinage à commande numérique et la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur), il devient possible de fabriquer des engrenages spiro-coniques de bonne qualité sur une machine 5 axes. Un modèle numérique a été développé pour générer une géométrie simplifiée de type Gleason, usinée par la suite avec une machine 5 axes. Une étude de métrologie, permettant de comparer les dents usinées avec les modèles CAO, a ensuite été réalisée pour prouver que l’usinage par une machine 5 axes peut être une alternative aux méthodes de taillage classiques. De nouveaux types de géométrie peuvent donc être proposés, qui ne pouvaient pas être envisagés par les moyens de fabrication classiques. Une géométrie basée sur la théorie des développantes sphériques, combinée à une spirale logarithmique a été développée, puis usinée. De plus, des corrections de bombé ou de profil peuvent être définies afin d’éviter les contacts en bords de denture. Ce type de géométrie analytique offre des possibilités plus simples d’optimisation de l’engrènement. L'optimisation des surfaces peut être réalisée à l’aide du modèle d’engrènement quasi-statique sous charge développé dans le cadre de cette thèse. L’environnement de l’engrenage est pris en compte dans la simulation : déformation des arbres, des dentures et de leurs supports (jantes et voiles) ainsi que les déformations locales de contact. La méthode des coefficients d’influence est utilisée pour résoudre le partage des charges entre toutes les dents instantanément en contact. Une méthode originale, utilisant sur un seul calcul élément finis et la définition de bases de fonctions, permet de calculer rapidement les flexions de denture dans leur environnement. Les déformations de contacts sont, quant à elles, obtenues par une méthode analytique, basée sur les théories de Boussinesq. De plus, des défauts d’assemblage peuvent être intégrés entre le pignon et la roue spiro-conique. Afin de valider les modèles numériques développés, un banc d’essai a été mis en place, permettant la mesure de l'erreur de transmission et la visualisation des portées. Le banc d’essai est intégré dans une fraiseuse numérique 3 axes : le pignon est monté dans la broche de la fraiseuse, le reste du banc étant bridé sur son plateau. Ainsi, des défauts de montage peuvent être appliqués facilement et précisément. / The design of spiral bevel gears is still very complex nowadays because the tooth geometry, and thus the kinematic performance, come from the manufacturing process of this type of gear. The cutting is related to two major manufacturers: Gleason and Klingelnberg. Many machine settings drive directly the shape of teeth surfaces, their optimization is therefore not intuitive. Due to the progress made during the last decade by the CNC machines and the CAM (Computer Aided Manufacturing) softwares, it becomes possible to manufacture spiral bevel gears of quite correct quality on a 5-axis milling machine. A numerical model was developed in order to generate a simplified type Gleason geometry. This last was then manufactured with a 5-axis milling machine. A metrological study, comparing the teeth obtained with the CAD models, was then carried out to prove that the manufacturing by 5-axis milling machine can be an alternative to conventional cutting methods. New types of geometry can be then proposed, which could not be considered by the conventional methods of manufacturing. Geometry based on the theory of spherical involutes, combined with a logarithmic spiral was developed and then manufatured. In addition, profile and crowning modifications can be defined to avoid the tooth edge contacts. This type of analytical geometry offers simpler possibilities for optimizing the meshing. The surface optimization can be achieved using the quasi-static meshing model under load developed in the context of this thesis. The surroundings of the gear are taken into account in the simulation: deformation of the shafts, of the gears and their supports (rims for example) as well as the local contact deformations. The influence coefficient method is used to solve the load sharing between all the teeth instantaneously in contact. An original method, using only one finite element computation and the definition of a set of functions, can quickly calculate the teeth bending, taking into account their surroundings. The contact deformations are obtained with an analytical method, based on Boussinesq theories. In addition, meshing defects can be integrated between the spiral beval pinion and gear. To validate the numerical model, a test bench was achieved, allowing the measurement of the loaded transmission error and the visualization of the contact patterns. The test bench is integrated inside a numerical 3-axis milling machine: the pinion is mounted in the spindle of the milling machine, when the base of the bench is clamped on its plate. Thus, assembly errors can be imposed easily and accurately.