Search

Dans cet article, il est question des pratiques de modifications corporelles, comme le tatouage et le perçage, chez les adolescents. L’argumentation proposée est la suivante : dans nos sociétés modernes, l’absence de repères (psychologique et sexuel) propres à l’adolescence se double de l’absence de repères sociaux en général. Le marquage corporel apparaît ainsi comme un moyen privilégié de sacralisation du corps et d’affirmation de l’individualité., This article is about the practices of physical modifications, as tattoo and piercing, amongst teenagers. According to the author’s argumentation, already disoriented by their journey from child to adult, the teenagers find themselves in disoriented societies. Therefore, physical modifications would be a way for teenagers to sacralize their body and to assert their own individuality.

The drilling process is a complex operation generating high forces, torques and temperatures in a very localized and confined area. This thermomechanical loading can trigger early damage to the tools and impair the generated surfaces, especially when drilling Ti6Al4V, a material that is difficult to machine. The objective of this thesis is to improve the understanding of the involved cutting phenomena and provide a reliable and relevant evaluation of the loadings induced by the passage of the tool on the wall of the drilled hole. Experimentally, due to the high speeds and the difficult access to the cutting zone, obtaining reliable and quality information is a challenging task. The experimental part of this thesis therefore focus on the implementation and realization of tests for the measurement of thermomechanical fields at different scales of study. This multi-scale approach enables to identify the phenomena involved at different levels, but also to compare the studies at different scales in order to validate them and allow the change of scale. In addition, a numerical study is conducted. Faced with experimental difficulties, numerical modeling appears to be a relevant alternative in the assessement of the desired data. The approach adopted here is to couple it to the experimental strategy in order to develop a robust multi-scale model of Ti6Al4V drilling. This modeling is based on behavior and damage laws presenting an explicit coupling of thermal and mechanical phenomena, as well as on a fine determination of friction laws and partition coefficients. Finally, a comparison of the numerical and experimental results is carried out at each scale of study and enabled to conclude on the relevance of the proposed numerical model.; Le procédé de perçage consiste en une opération complexe générant d’importants efforts, couples et températures au sein d’une zone très localisée et confinée. Ce chargement thermomécanique peut conduire à l’usure prématurée des outils et à l’altération des surfaces générées, notamment lors du perçage du Ti6Al4V, matériau difficilement usinable. L’objectif de ces travaux de thèse est de fournir les clés pour une meilleure compréhension des phénomènes en jeu et une évaluation fiable et pertinente de ce chargement induit par le passage de l’outil sur la paroi du trou percé. Expérimentalement, du fait des vitesses élevées et de la zone de coupe difficile d’accès, obtenir des informations fiables et de qualité constitue un réel défi. Le volet expérimental de cette thèse a donc porté sur la mise en place et la réalisation d’essais pour la mesure de champs thermomécaniques à différentes échelles d’étude. Cette approche multi-échelle a permis d'identifier les phénomènes mis en jeu à différents niveaux, mais aussi de confronter les études aux différentes échelles afin de les valider et de permettre le changement d'échelle. En complément, une étude numérique est menée. Face aux difficultés expérimentales, la modélisation numérique apparaît comme une alternative pertinente pour l’évaluation des données souhaitées. La démarche adoptée ici est de la coupler à la stratégie expérimentale en vue d'élaborer une modélisation multi-échelle du perçage du Ti6Al4V qui se veut robuste. Cette modélisation est basée sur des lois de comportement et d'endommagement présentant un couplage explicite des phénomènes thermiques et mécaniques, ainsi que sur une détermination fine des lois de frottement et des coefficients de partage. Finalement, une confrontation des résultats numériques et expérimentaux est réalisée à chaque échelle d’étude et a permis de statuer sur la pertinence du modèle numérique proposé.

The use of forced vibration drilling process has grown widely in the aircraft industry in recent years. This technology allows good chip fragmentation and limits heat production, in particular when drilling titanium alloys. Forced vibration drilling process is often used on Automatic Drilling Unit (ADU). These devices offer a low radial rigidity. Thus, the combination of a flexible machine and a discontinuous cutting process induces a significant risk of radial oscillations of the drill during the different phases of the drilling which, in fine, results in geometric deviations in the cylindricity and the dimension of the holes generated.Obtaining a good geometric quality of the holes using these devices depends on a set of interacting factors, such as the grinding of the tool tip, the particular kinematics of the operation linked to the use of vibration drilling process, the mechanical characteristics of the material drilled, and the characteristics of the machine used to perform the operation.The works presented in this thesis is divided in two parts. The first part aims to characterize the geometry of holes surface. An original method, having a strong discriminating capability, is proposed. It identifies the critical parameters that control the dynamics of the process. The implementation of this method has shown its ability to quantify the influence of the drill-bush and the influence of the web-thinning geometry.The second part of the work focuses on proposing an analytical modelling of the forced vibration drilling process dynamics taking into account the forces distribution along the cutting edges, and more particularly at the centre of the tool (web thinning). The objective of this analytical model is to predict the lateral displacements of the tool tip during the full material penetration phase, given the major impact of this step in controlling the geometric quality of the holes., L’utilisation du perçage vibratoire à oscillations forcées s’est largement répandue dans l’industrie aéronautique ces dernières années. Cette technologie permet une bonne fragmentation du copeau et limite la production de chaleur, en particulier lors du perçage des alliages de titane. Le perçage vibratoire est souvent utilisé sur des machines de type Unités de Perçages Automatisées (UPA). Ces dispositifs offrent peu de rigidité radiale. Ainsi la combinaison d’une machine flexible et d’une coupe discontinue induit un risque important d’oscillations radiales du foret lors des différentes phases du perçage qui, in fine, se traduit par des écarts géométriques sur la cylindricité et la dimension des perçages générés.L’obtention d’une bonne qualité géométrique des perçages à l’aide de ces dispositifs relève d’un ensemble de facteurs en interaction, tels que l’affûtage de la pointe du foret, la cinématique particulière de l’opération liée à l’utilisation du perçage vibratoire, les caractéristiques mécaniques du matériau percé, et les caractéristiques de la machine employée pour réaliser l’opération.Les travaux présentés dans cette thèse se composent de deux parties. La première partie vise à caractériser la géométrie des surfaces. Une méthode originale, ayant un fort pouvoir discriminant, est proposée. Elle permet d’identifier les paramètres critiques qui contrôlent la dynamique du procédé. La mise en œuvre de cette méthode a permis de montrer sa capacité à quantifier l’influence du guidage du foret (canon) et l’influence de l’affûtage de l’amincissement d’âme du foret.La seconde partie du travail s’attache à proposer une modélisation analytique de la dynamique du procédé de perçage vibratoire prenant en compte la répartition des efforts le long des arêtes de coupe, et plus particulièrement au centre de l’outil (amincissement d’âme). L’objectif de ce modèle analytique est de prédire les déplacements latéraux de la pointe de l’outil lors de la phase de pénétration en pleine matière, compte tenu de l’impact majeur de cette étape dans la maîtrise de la qualité géométrique des trous.

In aircraft structures, drilled holes are major critical areas from where fatigue damage can be initiated. Depending on the drilling parameters and process, manufacturers observe significant different fatigue strength of the drilled structures. This thesis aims to give elements for understanding this industrial problem, for the case of AA2024-T351 drilled parts. It deals with industrial drilling configurations and focus on two drilling processes: orbital drilling which offers many potential economic advantages and axial drilling which is the conventional drilling process. The objective of the study is to assess the impact of the drilling configuration on the fatigue strength of the drilled part, but also on surface integrity of the drilled hole. This has to enable to identify the surface integrity parameters controlling the fatigue strength and the major drilling process parameters driving the surface integrity. The first step of the work was to conduct fatigue tests to assess the fatigue performance of different drilling configurations. These revealed significant differences in fatigue life between some drilling configurations. The second step was to lead an experimental characterization of the surface integrity of the drilled holes. This was orientated by a finite element model predicting the material depth affected in the hole subsurface and new analysis methods (like the "HOCT") had to be considered for some aspects of the surface integrity due to the small depth affected. This campaign showed the dominating influence of the internal aspects of the surface integrity (strain hardening and residual stress) on the fatigue strength. Finally, the last step of the work aimed to study the impact of the drilling process parameters on the surface integrity. For this purpose, a finite element model of orthogonal cutting has been developed. The dominating influence of the tool geometry on the surface integrity has been shown.; Dans les structures aéronautiques, les trous percés constituent des zones critiques à partir desquelles des endommagements peuvent s'initier en fatigue. En fonction des paramètres et des procédés de perçage employés, les industriels constatent des différences significatives de tenue en fatigue des structures percées. Ces travaux de thèse visent à apporter des éléments de compréhension à cette problématique industrielle, pour le cas pièces percées en AA2024-T351. Ils portent sur l'étude de configurations de perçage industrielles et se focalisent sur deux procédés de perçage : le perçage orbital qui est un procédé présentant de nombreux avantages économiques potentiels et le perçage axial qui est le procédé de perçage conventionnel. L'objectif des travaux est d'évaluer l'impact de la configuration de perçage sur la tenue en fatigue de la pièce percée, mais aussi sur l'intégrité de surface du trou percé. Cela doit permettre d'identifier les paramètres de l'intégrité de surface pilotant la tenue en fatigue et les paramètres majeurs du procédé de perçage contrôlant l'intégrité de surface. La première étape des travaux a été de mener des essais de fatigue afin d'évaluer la performance en fatigue de différentes configurations de perçage. Ceux-ci ont révélé des écarts significatifs de durée de vie en fatigue entre certaines configurations de perçage. La seconde étape a consisté à caractériser expérimentalement l'intégrité de surface des trous percés. Celle-ci a été guidée par un modèle éléments finis prédictif de la profondeur de matériau affectée en sous-surface du trou et de nouvelles méthodes d'analyse (comme la "HOCT") ont dû être envisagées pour certains aspects de l'intégrité de surface dû à la faible profondeur affectée. Cette campagne a montré l'influence prépondérante des aspects internes de l'intégrité de surface (écrouissage et contraintes résiduelles) sur la tenue en fatigue. Enfin, la dernière étape des travaux visait à étudier l'impact des paramètres du procédé de perçage sur l'intégrité de surface. Pour cela, un modèle éléments finis de coupe orthogonale a été développé. L'influence prépondérante de la géométrie de l'outil sur l'intégrité de surface a été montrée.

In the current industrial context, aerospace players seek to achieve a high level of performance for the mechanical resistance of critical components, while reducing production costs. This industry was one of the first to consider the control of manufacturing processes as a privileged axis of its research, since the consequences of in-service fatigue failure can be economically and humanly disastrous. Among the various existing processes, machining still represents a large part of the manufactured critical components obtained by roughing and finishing operations. Drilling remains the most common machining operation used in industry, but also one of the least studied due to the machined geometrical shape. Indeed, the creation of cylindrical holes prevents direct observation of the cutting mechanisms, making it difficult to study the thermomechanical phenomena involved in the drilled hole. In an industrial environment, dry drilling operation is very detrimental to the tool and the material because it results in a significant lack of lubrication, caused by a machining hazard. In this configuration, heat transfers play a crucial role in the generation of residual stresses. The development of an original experimental and numerical strategy made it possible to identify and modeling the thermomechanical phenomena involved in dry drilling of Inconel 718. Thus, residual stresses induced in the hole could be modeled and compared to XRD analyses., Dans le contexte industriel actuel, les acteurs du secteur aéronautique et spatial cherchent à atteindre un haut niveau de performance pour la tenue en fatigue de pièces jugées critiques, tout en réduisant les dépenses associées à leur production. Cette industrie a été l’une des premières à faire de la maîtrise des procédés de fabrication un axe privilégié de sa recherche, car les conséquences de la rupture d’un composant en service peuvent être désastreuses, tant sur le plan économique que sur le plan humain. Parmi les différents procédés existants, l’usinage représente encore aujourd’hui une grande part dans la fabrication des pièces critiques en ébauche et en finition. À ce jour, le perçage demeure l’opération d’usinage la plus répandue dans l’industrie, mais reste une des moins étudiées en raison de la forme géométrique réalisée. En effet, la création de trous cylindriques empêche toute observation directe des mécanismes de coupe, rendant très complexe l’étude des phénomènes thermomécaniques mis en jeu à l’échelle du trou percé. En contexte industriel, l’opération de perçage à sec est d’autant plus pénalisante pour l’outil et la matière puisqu’elle résulte d’une absence significative de lubrification, causée par un aléa d’usinage. Dans une telle configuration, les transferts de chaleur jouent un rôle déterminant dans la génération des contraintes résiduelles. Le développement d’une stratégie originale, expérimentale et numérique, a permis d’identifier et de modéliser les phénomènes thermomécaniques mis en jeu lors du perçage à sec de l’Inconel 718. Ainsi, les contraintes résiduelles induites au niveau de la surface du trou ont pu être modélisées et confrontées à des analyses expérimentales par DRX.

Bone drilling is commonly practised in various surgical operations for orthosynthesis screws insertion or placement of dental and cochlear implants. During bone drilling procedure, the thermomechanical constraints resulting from the tool-bone interaction can damage the bone tissues in the vicinity of the drilling area. Thus, a significant increase in temperature can cause thermal osteonecrosis. It is therefore important to optimize the operating conditions (spindle speed and feed rate, geometry of the drill, drilling operation strategy ...) in order to reduce the risk of damage to bone tissues. To do this, it is necessary to analyse and understand the effects of cutting conditions on the mechanisms controlling the drill-bone interaction. The present work aims to contribute to the understanding of these mechanisms by combining an experimental approach with numerical and analytical modelling. The experimental study investigates the effect of the cutting speed, feed rate of the drill and the microstructure of the drilled area on the resulting cutting forces (thrust force and axial torque) and temperature rise during the drilling of porcine bone specimens and biomechanical test materials (Sawbones). These materials have the advantage of a uniform microstructure per given sample unlike bone. Numerical models of orthogonal cutting and bone drilling are implemented using the Finite Element code ABAQUS / Explicit. The purpose of this development is to analyse the influence of bone constitutive and damage laws on the model predictions (cutting mechanism, temperature and cutting forces). In order to propose a simplified approach, an analytical modelling based on moving heat source theory is developed for predicting bone thermal response. The relevance and limits of the approach proposed is shown through experimental validation.; Le perçage de l’os est couramment pratiqué dans de nombreux types de chirurgie comme lors de la pose de vis d’ostéosynthèse et d’implants dentaires et cochléaires. Lors de l'opération de perçage, le chargement thermomécanique dû à l'interaction outil-os peut endommager les tissus osseux au voisinage de la zone de perçage. Ainsi, une augmentation significative de la température peut provoquer une ostéonécrose thermique. Il est donc important d'optimiser les conditions opératoires (vitesses de rotation et d'avance, géométrie du foret, stratégie de perçage...) afin de réduire les risques d'endommagement de l'os. Pour ce faire, il faut analyser et comprendre les effets des conditions de coupe sur les mécanismes contrôlant l'interaction foret-os. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de contribuer à la compréhension de ces mécanismes en combinant une approche expérimentale avec de la modélisation numérique et analytique. L'étude expérimentale porte sur l’effet de la vitesse de coupe, de l’avance du foret et de la microstructure de la zone percée sur l’évolution des efforts de coupe (l'effort d'avance et le moment axial) et de l’augmentation de la température pendant le perçage d’un échantillon d’os porcin et de matériaux de tests biomécaniques (Sawbones). Ces derniers présentent l'avantage d'une microstructure uniforme par échantillon donné contrairement à l'os. Les modèles numériques de la coupe orthogonale et du perçage de l’os cortical sont développés en utilisant le code Eléments Finis ABAQUS/Explicit. L’objectif est d'analyser l’influence des lois de comportement et d’endommagement sur les prédictions du modèle (mécanisme de coupe, température et efforts de coupe). Afin de proposer une approche simplifiée, une modélisation analytique basée sur la théorie de la source mobile a également été proposée. La validation expérimentale a montré la pertinence des approches proposées ainsi que leurs limites.

Bone drilling is commonly practised in various surgical operations for orthosynthesis screws insertion or placement of dental and cochlear implants. During bone drilling procedure, the thermomechanical constraints resulting from the tool-bone interaction can damage the bone tissues in the vicinity of the drilling area. Thus, a significant increase in temperature can cause thermal osteonecrosis. It is therefore important to optimize the operating conditions (spindle speed and feed rate, geometry of the drill, drilling operation strategy ...) in order to reduce the risk of damage to bone tissues. To do this, it is necessary to analyse and understand the effects of cutting conditions on the mechanisms controlling the drill-bone interaction. The present work aims to contribute to the understanding of these mechanisms by combining an experimental approach with numerical and analytical modelling. The experimental study investigates the effect of the cutting speed, feed rate of the drill and the microstructure of the drilled area on the resulting cutting forces (thrust force and axial torque) and temperature rise during the drilling of porcine bone specimens and biomechanical test materials (Sawbones). These materials have the advantage of a uniform microstructure per given sample unlike bone. Numerical models of orthogonal cutting and bone drilling are implemented using the Finite Element code ABAQUS / Explicit. The purpose of this development is to analyse the influence of bone constitutive and damage laws on the model predictions (cutting mechanism, temperature and cutting forces). In order to propose a simplified approach, an analytical modelling based on moving heat source theory is developed for predicting bone thermal response. The relevance and limits of the approach proposed is shown through experimental validation.; Le perçage de l’os est couramment pratiqué dans de nombreux types de chirurgie comme lors de la pose de vis d’ostéosynthèse et d’implants dentaires et cochléaires. Lors de l'opération de perçage, le chargement thermomécanique dû à l'interaction outil-os peut endommager les tissus osseux au voisinage de la zone de perçage. Ainsi, une augmentation significative de la température peut provoquer une ostéonécrose thermique. Il est donc important d'optimiser les conditions opératoires (vitesses de rotation et d'avance, géométrie du foret, stratégie de perçage...) afin de réduire les risques d'endommagement de l'os. Pour ce faire, il faut analyser et comprendre les effets des conditions de coupe sur les mécanismes contrôlant l'interaction foret-os. Les travaux de cette thèse ont pour objectif de contribuer à la compréhension de ces mécanismes en combinant une approche expérimentale avec de la modélisation numérique et analytique. L'étude expérimentale porte sur l’effet de la vitesse de coupe, de l’avance du foret et de la microstructure de la zone percée sur l’évolution des efforts de coupe (l'effort d'avance et le moment axial) et de l’augmentation de la température pendant le perçage d’un échantillon d’os porcin et de matériaux de tests biomécaniques (Sawbones). Ces derniers présentent l'avantage d'une microstructure uniforme par échantillon donné contrairement à l'os. Les modèles numériques de la coupe orthogonale et du perçage de l’os cortical sont développés en utilisant le code Eléments Finis ABAQUS/Explicit. L’objectif est d'analyser l’influence des lois de comportement et d’endommagement sur les prédictions du modèle (mécanisme de coupe, température et efforts de coupe). Afin de proposer une approche simplifiée, une modélisation analytique basée sur la théorie de la source mobile a également été proposée. La validation expérimentale a montré la pertinence des approches proposées ainsi que leurs limites.

In the case of the turbocharger housings machining (milling, drilling and tapping operations) made of heatresistant austenitic stainless steel (HRASS), the tools life is greatly altered compared to standard steels ofequivalent mechanical resistance. Therefore, the machining cost of such pieces, including the cutting tools,constitutes a significant amount of their total cost. Concerning the drilling, the severity of the machining isincreased and even more since it relies on stepped, complex and expensive one-piece tools.This PhD project aims to develop a new cutting geometry optimized for the HRASS drilling. In thisperspective, a characterization of the cutting tool is carried out based on one hand on the local cutting forcesanalysis from a global cutting forces discretization during the drill tip penetration, and also on the initial chipformation. Then, an in-situ analysis of the cumulative strain hardening of the machined subsurface layer is alsocarried out using an identification of the incremental equivalent plastic strain. All the performed analysescontribute to the understanding of the strain hardening/machinability relationship for the tool life improvementof the HRASS dedicated drills.; Dans le cas de l’usinage des corps de turbocompresseurs (fraisage, perçage et taraudage) en acier inoxydableausténitique réfractaire (AIAR), les durées de vie des outils de coupe sont fortement altérées par rapport à desaciers standards de résistance mécanique équivalente. De ce fait, le coût de l’usinage de ces pièces, outilscoupants compris, constitue une part importante du prix de production. Dans le cas de leur perçage, la sévéritéde l’usinage est accrue et ceci d’autant plus qu’il repose sur des outils monoblocs étagés, complexes etcouteux.Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle géométrie de coupe optimisée pour le perçage des AIAR.Dans cette optique, une caractérisation de l’outil de coupe est réalisée en se basant non seulement sur l’analysedes efforts de coupe locaux à partir d’une discrétisation des efforts de coupe globaux dans le régime transitoire,mais aussi sur la formation du premier copeau. Ensuite, une analyse in-situ du cumul de l’écrouissage de lasous-couche usinée est également réalisée en s’appuyant sur une identification de la déformation plastiqueéquivalente incrémentale. L’ensemble des analyses contribuent à la compréhension de la relationécrouissage/usinabilité pour les AIAR pour l’amélioration de la durée de vie des outils.

In the case of the turbocharger housings machining (milling, drilling and tapping operations) made of heatresistant austenitic stainless steel (HRASS), the tools life is greatly altered compared to standard steels ofequivalent mechanical resistance. Therefore, the machining cost of such pieces, including the cutting tools,constitutes a significant amount of their total cost. Concerning the drilling, the severity of the machining isincreased and even more since it relies on stepped, complex and expensive one-piece tools.This PhD project aims to develop a new cutting geometry optimized for the HRASS drilling. In thisperspective, a characterization of the cutting tool is carried out based on one hand on the local cutting forcesanalysis from a global cutting forces discretization during the drill tip penetration, and also on the initial chipformation. Then, an in-situ analysis of the cumulative strain hardening of the machined subsurface layer is alsocarried out using an identification of the incremental equivalent plastic strain. All the performed analysescontribute to the understanding of the strain hardening/machinability relationship for the tool life improvementof the HRASS dedicated drills.; Dans le cas de l’usinage des corps de turbocompresseurs (fraisage, perçage et taraudage) en acier inoxydableausténitique réfractaire (AIAR), les durées de vie des outils de coupe sont fortement altérées par rapport à desaciers standards de résistance mécanique équivalente. De ce fait, le coût de l’usinage de ces pièces, outilscoupants compris, constitue une part importante du prix de production. Dans le cas de leur perçage, la sévéritéde l’usinage est accrue et ceci d’autant plus qu’il repose sur des outils monoblocs étagés, complexes etcouteux.Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle géométrie de coupe optimisée pour le perçage des AIAR.Dans cette optique, une caractérisation de l’outil de coupe est réalisée en se basant non seulement sur l’analysedes efforts de coupe locaux à partir d’une discrétisation des efforts de coupe globaux dans le régime transitoire,mais aussi sur la formation du premier copeau. Ensuite, une analyse in-situ du cumul de l’écrouissage de lasous-couche usinée est également réalisée en s’appuyant sur une identification de la déformation plastiqueéquivalente incrémentale. L’ensemble des analyses contribuent à la compréhension de la relationécrouissage/usinabilité pour les AIAR pour l’amélioration de la durée de vie des outils.

National audience; L’objectif principal du projet PURE-SNOW est d’étudier l’inflammation et le remodelage pulmonaires, suite à une exposition répétée à des nanoparticules de silice, afin de déterminer les effets de ces nanoparticules dans la survenue de lésions pulmonaires observées dans la bronchopneumopathie chronique obstructive Chez l’Homme. Ce projet est sans équivalent sur le plan national ou international, car il porte sur une thématique de recherche Santé Travail (dans le secteur du BTP) non explorée à ce jour sous l’angle de la nanotoxicologie.

On account of the major economic and ecological stakes to which the aeronautic industry stakeholders had to react during the last decades, the composite mass percentage in aircrafts never stopped to increase and reached more than 50% in 2013 for the Airbus A350. Indeed, the aim always being to build lighter aircrafts, aluminum alloys (which represented more than 75% of the total mass in the 70’) were gradually replaced by other materials which were considered to have more advantageous mechanical properties to weight ratios and especially by CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic). Since the CFRP/titanium alloy pair demonstrates a better thermal and electrochemical compatibility compared to the CFRP/aluminum alloy pair, the use of titanium alloys in aircraft increased as well.Therefore, many assembly cases are currently CFRP/Ti6Al4V hybrid stacks for which the goal is to be able to drill them in one shot, just as it was done for metal/metal stacks. Studies were carried out concerning hybrid stacks drilling and highlighted that the elevated temperatures during the Ti6Al4V drilling were mainly responsible for the non-fulfilment of aeronautical specifications. Based on these observations, the idea of using the cryogenic assistance emerged: cooling down the cutting area by using liquid nitrogen instead of classic modes of lubrication and cooling.Indeed, the latent heat that liquid nitrogen absorbs when it vaporizes makes it an excellent candidate to efficiently cool the cutting zone. Moreover, since it evaporates quickly at room temperature, it eliminates the need to clean the parts and to recycle the fluids while being neutral for the planet and the machine operator.This Ph.D thesis revolves around the study of cryogenic assistance effects in Ti6Al4V drilling and focuses especially on its impact on hole shrinkage. Indeed, the shape and dimensions of the drilled hole, as well as the thermomechanical loads induced by the operation depend on this little-known phenomenon. Therefore, this thesis proposes to highlight the key role of hole shrinkage in Ti6Al4V drilling and to give elements of analysis and understanding on the phenomenon, for dry and cryogenic cutting conditions.; En raison des enjeux économiques et écologiques majeurs auxquels doivent faire face les acteurs de l’industrie aéronautique depuis plusieurs décennies, la part massique de composite dans la composition des avions n’a cessé d’augmenter : elle était d’environ 5% en 1972 pour l’Airbus A300 pour arriver à plus de 50% en 2013 pour l’Airbus A350. En effet, l’objectif étant de réduire toujours plus la masse des avions, les alliages d’aluminium qui les composaient en grande majorité (75% de la masse dans les années 70) ont été progressivement remplacés par d’autres matériaux aux caractéristiques mécaniques spécifiques jugées plus intéressantes et notamment par le CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) que l’on couple souvent aux alliages de titane parce qu’ils font preuve d’une meilleure compatibilité thermique et électrochimique que le couple CFRP/alliage d’aluminium.En conséquence, de nombreux cas d’assemblage sont aujourd’hui des empilages hybrides CFRP/Ti6Al4V pour lesquels l’objectif est de pouvoir réaliser le perçage en une seule opération comme c’était le cas auparavant avec les assemblages métal/métal. Les études réalisées sur le perçage de ces empilages hybrides ont montré que les températures de coupe élevées de l’opération, majoritairement dues à l’usinage de la partie constituée de Ti6Al4V, étaient une cause majeure du non-respect des spécifications aéronautiques. C’est à partir de ces constatations que l’idée d’utiliser l’assistance cryogénique est née : refroidir la zone de coupe en injectant de l’azote liquide par le centre broche, en lieu et place des moyens de lubrification et de refroidissement plus classiques.En effet, la chaleur latente que l’azote liquide absorbe lors de sa vaporisation en fait un excellent candidat pour refroidir efficacement la zone de coupe. Son utilisation est de plus une solution totalement écologique puisqu’elle permet d’éviter l’utilisation de fluides de coupe et permet ainsi d’éviter les opérations de lavage des pièces, d’essorage des copeaux et de recyclage des fluides tout en restant neutre pour l’opérateur et la planète.Ainsi, ce projet de thèse s’articule autour de l’étude des effets de l’assistance cryogénique sur le perçage du Ti6Al4V et s’intéresse en particulier à son impact sur le phénomène de resserrement du trou. En effet, les chargements thermomécaniques induits par l’opération ainsi que les formes et dimensions finales des trous réalisés sont en réalité fortement liés à ce phénomène qui n’avait jusqu’ici été que très peu étudié. Par conséquent, cette thèse propose d’une part de mettre en évidence l’importance du resserrement du trou en perçage de Ti6Al4V et d’autre part de fournir des éléments d’analyse et de compréhension sur ce phénomène dans les conditions d’usinage à sec et avec assistance cryogénique.

National audience; Dans les structures mécaniques, les trous percés constituent des zones critiques majeures à partir desquelles des endommagements peuvent s'initier en fatigue. Les industriels, notamment dans le domaine aéronautique, constatent des différences significatives en termes de tenue en fatigue des structures percées en fonction des paramètres et des procédés de perçage employés. L'optimisation du comportement des assemblages aéronautiques passe par la compréhension de l'impact du procédé de perçage sur les caractéristiques matériau de la pièce percée qui sont liées aux sollicitations thermomécaniques. L'objectif de l'étude, en collaboration avec Airbus, est donc de comprendre et d'identifier les phénomènes et mécanismes qui pilotent la durée de vie en fatigue des pièces percées en alliage d'aluminium. Pour cela, un plan d'expériences est conduit, dans lequel certains paramètres de perçage sont testés (perçage axial ou orbital, réalisation d'un avant-trou), avec une instrumentation en effort, couple et température. Ces acquisitions sont corrélées aux paramètres de process. Cela permettra ensuite d'envisager une modélisation numérique du procédé de perçage qui permette la simulation de l'état du matériau suite à cette opération. Une étude de la durée de vie en fatigue sera envisagée, afin de relier la performance en fatigue (quantifiée par l'IQF) aux caractéristiques matériau.

The surface integrity has a significant impact on the fatigue life of the machined parts. New requirements appear from manufacturers and especially from aeronautical industrialists. Drilling holes are critical and can damage the component. Nevertheless, residual stresses are not studied a lot in drilling processes. The residual stresses created are a result of multi-physical phenomena during drilling processes. It is difficult to identify them due to the confinement of the hole. In the current study, experimental tests are realized and numerical model of drilling surface integrity was developed. First, experimental works were performed in several lubrication conditions to understand physical phenomena which lead to residual stresses in the drilled workpiece. The numerical developments are set-up about two sections. The first numerical model represents the drilling operation. The state of the art and an initial study were shown that the actual numerical models are not able to simulate a drilling operation in an important drilling depth. So the first numerical model gives an estimation of loads induced by the drilling operation and necessary to compute residual stresses. Finally, the second numerical model simulates residual stresses in a drilled part taking in account loads provided.; L’intégrité de surface a un rôle significatif sur la tenue en fatigue des composants usinés. Des spécifications particulières émergent de la part des fabricants et particulièrement de ceux de l’aéronautique. Les trous percés sont des zones critiques à partir desquelles des endommagements peuvent se produire. Néanmoins les contraintes résiduelles sont peu étudiées en perçage. Elles émanent de phénomènes multi-physiques issus de l’opération de perçage difficilement identifiables à cause du confinement du trou. Ce rapport présente les travaux expérimentaux et numériques mis en œuvre au cours de la thèse. Le projet s’est d’abord focalisé autour de l’identification des phénomènes physiques mis en jeu pendant l’opération de perçage pour différents modes de lubrification et sur l’analyse des contraintes résiduelles sur la surface du trou percé. Ce premier volet expérimental a posé les bases de compréhension nécessaires au développement des modèles numériques.Les développements numériques s’articulent autour de deux axes. Le premier consiste à représenter l’opération de perçage. L’état de l’art ainsi qu’une étude préalable ont permis d’identifier les difficultés liées à la modélisation numérique d’une opération de perçage pour des longueurs percées significatives. Le premier modèle développé répond à cette problématique et détermine les sollicitations induites par le perçage nécessaires au calcul des contraintes résiduelles. Le deuxième axe de développement numérique permet de prédire les contraintes résiduelles présentes dans une pièce percée à partir des chargements issus du premier modèle.

The surface integrity has a significant impact on the fatigue life of the machined parts. New requirements appear from manufacturers and especially from aeronautical industrialists. Drilling holes are critical and can damage the component. Nevertheless, residual stresses are not studied a lot in drilling processes. The residual stresses created are a result of multiphysical phenomena during drilling processes. It is difficult to identify them due to the confinement of the hole. In the current study, experimental tests are realized and numerical model of drilling surface integrity was developed. First, experimental works were performed in several lubrication conditions to understand physical phenomena which lead to residual stresses in the drilled workpiece. The numerical developments are set-up about two sections. The first numerical model represents the drilling operation. The state of the art and an initial study were shown that the actual numerical models are not able to simulate a drilling operation in an important drilling depth. So the first numerical model gives an estimation of loads induced by the drilling operation and necessary to compute residual stresses. Finally, the second numerical model simulates residual stresses in a drilled part taking in account loads provided.; L’intégrité de surface a un rôle significatif sur la tenue en fatigue des composants usinés. Des spécifications particulières émergent de la part des fabricants et particulièrement de ceux de l’aéronautique. Les trous percés sont des zones critiques à partir desquelles des endommagements peuvent se produire. Néanmoins les contraintes résiduelles sont peu étudiées en perçage. Elles émanent de phénomènes multi-physiques issus de l’opération deperçage difficilement identifiables à cause du confinement du trou. Ce rapport présente les travaux expérimentaux et numériques mis en oeuvre au cours de la thèse. Le projet s’est d’abord focalisé autour de l’identification des phénomènes physiques mis en jeu pendant l’opération de perçage pour différents modes de lubrification et sur l’analyse des contraintes résiduelles sur la surface du trou percé. Ce premier volet expérimental a posé les bases de compréhension nécessaires au développement des modèles numériques. Les développements numériques s’articulent autour de deux axes. Le premier consiste à représenter l’opération de perçage. L’état de l’art ainsi qu’une étude préalable ont permis d’identifier les difficultés liées à la modélisation numérique d’une opération de perçage pour des longueurs percées significatives. Le premier modèle développé répond à cette problématique et détermine les sollicitations induites par le perçage nécessaires au calcul des contraintes résiduelles. Le deuxième axe de développement numérique permet de prédire les contraintes résiduelles présentes dans une pièce percée à partir des chargements issus du premier modèle.

International audience; Les simulations numériques actuelles du perçage présentent des difficultés au niveau des temps de calcul par rapport à la longueur percée simulée. La méthode présentée permet de simuler des longueurs percées significatives (plusieurs dizaines de mi llimètres) en prenant en compte les phénomènes thermiques et mécaniques. Un modèle eulérien est développé pour simuler l’écoulement de la matière dans les copeaux au contact du foret. Une stratégie particulière de déplacements de maillage permet de générer le trou percé.

In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multi-material fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multi-material machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bi-material structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i) reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv) analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.; Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications, l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage. L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti.

In modern aerospace industry, the use of hybrid CFRP/Ti stacks has experienced an increasing trend because of their enhanced mechanical/physical properties and flexible structural functions. In spite of their widespread applications, machining hybrid CFRP/Ti stacks in one-shot time still consists of the main scientific and technological challenge in the multi-material fastening. Compared to the high cost of pure experimental investigations on the multi-material machining, this study aims to provide an improved CFRP/Ti cutting comprehension via both numerical and experimental methodologies. To this aim, an FE model by using the cohesive zone concept was established to construct the anisotropic machinability of the bi-material structure. The numerical work aims to provide preliminary inspections of the key cutting mechanisms dominating the hybrid CFRP/Ti stack machining. Afterward, some systematic experimental work including orthogonal cutting and hole drilling was carefully performed versus different input cutting conditions. A special focus was made on the study of the effects of different cutting-sequence strategies on CFRP/Ti cutting output and induced interface damage formation. The combined numerical-experimental studies provide the key findings aiming to (i) reveal the activated mechanisms controlling interface cutting and subsequent interface damage formation, (ii) clarify the influences of different cutting-sequence strategies on hybrid CFRP/Ti stack machining, (iii) outline the machinability classification of hybrid CFRP/Ti stacks, and (iv) analyze finally the parametric effects of the material/tool geometry on cutting CFRP/Ti stacks.; Dans l’industrie aérospatiale, l’utilisation des matériaux hybrides CFRP/Ti montre une tendance à la hausse en raison de leurs propriétés mécaniques/physiques améliorées ainsi que des fonctions structurelles plus flexibles. En dépit de leurs nombreuses applications, l’usinage CFRP/Ti en perçage en une seule passe reste le principal défi scientifique et technologique de l’assemblage multi-matériaux. Par rapport au coût de production élevé et le temps des recherches basées sur des approches exclusivement expérimentales de l’usinage multi-matériaux, cette étude a pour objectif d’amener une meilleure compréhension de la coupe CFRP/Ti à travers une approche physique hybride qui fait dialoguer les méthodes numériques et expérimentales. Un modèle EF utilisant le concept de zone cohésive a été développé pour étudier l’usinabilité anisotrope de pièces structurales CFRP/Ti à des fins d’assemblage. L’approche numérique explicite, par des études préliminaires, les mécanismes de coupe clés qui contrôlent l’usinage CFRP/Ti. Par la suite, l’approche expérimentale a été conduite sous différentes conditions d’usinage en configuration de coupe orthogonale et de perçage. Une attention spéciale a été consacrée aux effets des stratégies des séquences de coupe CFRP/Ti sur la formation des endommagements d’interface induits. Ces études expérimentales et numériques ont permit (i) d’expliciter les mécanismes physiques activés qui contrôlent la coupe à l’interface ainsi que les endommagements induits par celle-ci, (ii) de préciser les effets des différentes stratégies d’assemblage multi-matériaux sur l’usinage CFRP/Ti, (iii) de définir la classification d’usinabilité CFRP/Ti, et (iv) d’analyser enfin les effets paramétriques géométrie/matériau d’outil régissant l’opération d’usinage CFRP/Ti.

Vibrations assisted drilling is a process which ensures chip shape control in order to increase reliability during drilling operations. The adding of axial oscillation, controlled with amplitude and frequency, introduce two new parameters which must determinate according to the conventional parameters (feed and speed rotation). The optimal setting of vibrations assisted drilling is not obvious. To provide an optimization-tool of the process, a new model which take into account the “Tool-Workpiece-Machine” environment, is proposed. Drill geometry, Tool-Workpiece interactions and dynamic behavior of the Machine are incorporated in the model. Tis specificity allows adjusting behavior of the process with the case of application. An identification methodology is presented to characterize the environment. Simulation’s results and experimental results are compared to validate the model. This model thus allows predicting process behavior in order to optimize the operational parameters.; Le perçage assisté par vibrations est un procédé assurant la maîtrise dimensionnelle des copeaux pour gagner en fiabilité sur les opérations de perçage. L’ajout d’une oscillation axiale pilotée en amplitude et en fréquence introduit deux nouveaux paramètres à déterminer en adéquation avec les paramètres conventionnels que sont l’avance et la vitesse de coupe. Le paramétrage d’une telle opération n’est donc pas trivial. Afin de fournir un outil d’optimisation du paramétrage du procédé, une nouvelle modélisation prenant en compte l’environnement « Pièce-Outil-Machine » est proposée. L’intégration de la géométrie de l’outil, des spécificités des interactions entre l’Outil et la Matière, et du comportement dynamique de la Machine permet s’adapter aux conditions de mise en oeuvre du procédé. Une méthode d’identification dissociée des éléments de l’environnement « Pièce-Outil-Machine » permet de caractériser les spécificités de chacun de ces éléments. Cette modélisation est validée par une campagne d’essai. La modèle développé dans ces travaux permet donc de prédire le comportement du procédé en vue d’une optimisation des paramètres opératoires.

The aeronautic field has stronger and stronger requirements so the use of materials for structures has been unavoidable. That’s why carbon fiber composite is appeared in plane structures, used with elements in titanium alloy, and most part of them in Ti6Al4V. These materials are also dispatched in stacks and are drilled in a “one shot” operation, in the aim of being assembled with rivets or bolts. Through the industrial point of view, many problems are highlighted by this operation, generating several over costs. Technologic and scientific locks linked with this operation will be analyzed in this study.The knowledge of local stresses exerted by the tool on the machined matter is the first point allowing the improvement of the understanding of phenomenon that occurs during cutting. Few processes will be experimented to determine stresses submitted by the tool during drilling with accuracy. In the aim of completing the knowledge of the cutting operation, the analysis of the temperature inside the drill is needed. That’s why different experimental devices of thermal measurement are developed.These devices have allowed instrumented machining of holes in each material separately and in the stack of Ti6Al4V/CFRP in order to understanding phenomenon that occur during this operations.; Le secteur aéronautique ayant des exigences toujours plus contraignantes, l’emploi de nouveaux matériaux pour les structures a été incontournable. C’est pourquoi le composite à fibre de carbone a fait son apparition dans les structures d’avions, épaulé par des pièces en alliage de titane, majoritairement du Ti6Al4V. Ces matériaux sont alors disposés en empilages et percés en une seule opération pour être ensuite assemblés par des rivets ou des boulons. Un certain nombre de problèmes, d’un point de vue industriel, sont soulevés par cette opération, générant des surcoûts importants. Les verrous technologiques et scientifiques liés à cette opération seront donc analysés au cours de cette étude.La connaissance des efforts locaux exercés par l’outil sur la matière usinée constitue un premier point permettant l’amélioration de la compréhension des phénomènes survenant lors de la coupe. Pour cela plusieurs procédés seront expérimentés pour déterminer avec précision les efforts subis par l’outil tout au long du perçage. Afin de compléter les informations relatives aux efforts sur l’outil, l’analyse de la température au sein du foret est nécessaire. Plusieurs dispositifs expérimentaux de mesure de la température in-situ sont développés.Ces dispositifs ont permis l’usinage instrumenté de trous à la fois dans chacun des deux matériaux composant l’empilage et dans l’empilage afin de comprendre au mieux les phénomènes survenant lors de ces opérations.

The invention relates to a machining device comprising a supporting structure, a transmission shaft (3) and a drive mechanism (1) comprising a first meshing member (13) able to drive the rotation of said shaft about the axis (A) thereof, a second meshing member (17) in a helicoidal connection with said shaft in order to drive the translational movement of said shaft along the axis thereof in a feed movement, dependent on the relative rotational velocity of said first and second meshing members, and means for generating axial oscillations. According to the invention, said second meshing member (17) is translationally mobile with respect to said supporting structure along the axis (A), said means of generating axial oscillations comprising an electromechanical actuator (20) mounted in a fixed frame of reference connected with said supporting structure, able to be coupled axially to said second meshing member (17) to cause it to oscillate translationally so as to superpose an axial oscillation component on said feed movement. L'invention concerne un dispositif d'usinage comprenant une structure de support, un arbre de transmission (3) et un mécanisme d'entraînement (1) comprenant un premier élément de maillage (13) apte à entraîner la rotation dudit arbre autour de l'axe (A) de celui-ci, un second élément (17) en prise dans une connexion hélicoïdale avec ledit arbre pour entraîner le mouvement de translation de ladite tige suivant l'axe de celui-ci dans un mouvement d'avance, en fonction de la vitesse de rotation relative desdits premier et deuxième engrenage, et un moyen pour générer oscillations axiales. Selon l'invention, ledit deuxième élément (17) est mobile en translation par rapport à ladite structure de support le long de l'axe (A) en prise, lesdits moyens de génération d'oscillations axiales comprenant un actionneur électromécanique (20) monté dans un cadre fixe de référence relié avec ladite structure de support, apte à être couplé axialement audit deuxième élément (17) pour l'amener à osciller en translation de façon à superposer une composante axiale d'oscillation sur ledit mouvement d'avance en prise. Relation contractuelle ARTS / CETIM

La présente invention concerne le domaine de l’usinage par enlèvement de matière. L’invention a ainsi pour objet une machine d’usinage et, plus particulièrement, une machine de perçage ou de fraisage. La machine à la particularité d’intégrer deux moteurs électriques destinés à contrôler les mouvements d’avance et de rotation d’un outil, tout en permettant une action d’assistance vibratoire, particulièrement utile pour le perçage de matériaux difficiles à usiner. The present invention relates to the field of machining of materials by chip removal. The invention presents a special machine tool and, more particularly, a drilling or milling machine. The machine has the particularity of incorporating two electric motors for controlling the feed and rotation motions of a tool, while allowing a vibration assistance optional motion, particularly useful for drilling hard to machine materials . Contrats et collaboration ARTS / AEI

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La simulation d'un procédé d’enlèvement de matière tel que le perçage par laser en régime de percussion serait très utile pour prédire la morphologie des trous ainsi que les défauts induits par le procédé. C'est aussi un outil qui nous permettrait de mieux comprendre les phénomènes physiques qui interviennent au cours du perçage. Pour des intensités de l'ordre de la dizaine à la cinquantaine de MW/cm² pendant des temps d'interaction de l'ordre de la milliseconde, l'interaction laser/matière qui génère un trou consiste à échauffer la matière au-dessus du point de vaporisation du matériau en focalisant le faisceau laser sur la surface. La partie fondue est éjectée par la pression de vapeur et ainsi, la matière est enlevée. Plusieurs travaux de simulations ont été proposés avec la méthode usuelle des éléments finis couplée avec une méthode dite 'front capturing' à maillage fixe ou bien à maillage mobile, on parle alors de méthode dite 'front tracking'. Ces choix numérique sont restreints par la méthode des éléments finis elle-même, notamment à cause des restrictions dues au maillage. Dans le but de se dégager de ces inconvénients, ce travail propose une simulation basée sur une nouvelle approche numérique basée sur la méthode CNEM. Il sera présenté ici la CNEM (Constraint Natural Element Method), une méthode à mi-chemin entre les éléments finis et les méthodes dites sans maillage. La CNEM nous permet d'une façon simplifiée de décrire géométriquement la surface libre à l'interface liquide/gaz et facilite l'implémentation des équations de la chaleur et de la mécanique des fluides. Le couplage multiphysique aux conditions limites induit par la vaporisation est pris en compte. Après avoir rappelé les connaissances expérimentales de base sur le procédé, le modèle physique sera décrit. Sa résolution au moyen de la CNEM sera présentée et les résultats seront comparés avec les morphologies de trous suivant les paramètres principaux du procédé.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Dans le domaine aéronautique, le perçage est l’une des opérations les plus courantes, néanmoins cet usinage reste complexe et couteux, notamment dans les matériaux difficiles à usiner. De par le caractère fermé de l’opération il est difficile de mesurer ou évaluer les phénomènes présents, de plus découpler les efforts sur les diverses parties du foret semble complexe. Cette étude portera sur deux méthodologies permettant d’étudier les efforts le long d’une arête de foret, en développant les avantages et inconvénients. La première de ces méthodes consiste à décomposer physiquement les segments de l’arête de l’outil. Cette démarche, comme la suivante, repose sur l’hypothèse d’indépendance des segments : chaque portion d’arête coupe la matière indépendamment de ses voisins (que ce soit concernant l’écoulement du copeau ou encore les efforts de coupe). En mesurant les efforts résultant du perçage de diverses échantillons ayant des diamètres inférieurs ou supérieurs à celui du foret, avec ou sans alésage intérieur, il est possible de reconstituer par segments les efforts le long de l’arête et le long du listel. La seconde des deux méthodes, toujours basée sur l’hypothèse d’indépendance des segments, décompose les efforts lors de l’enfoncement progressif de la pointe de l’outil dans la matière. A chaque altitude donnée, l’outil a un engagement d’arête différent, ce qui permet de reconstruire les efforts sur tout le long de l’arête ainsi que sur le listel. Des essais ont été réalisés afin de comparer ces méthodes avec des forets issus du même lot sur un unique lot de matière (un alliage de titane : le Ti6Al4V).

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les exigences de qualité dimensionnelle, d’état de surface et de santé matière imposées sur les trous percés dans des stratifiés composites UD sont drastiques dans le domaine aéronautique, du fait parfois d’une mauvaise connaissance de l’impact des défauts générés pendant le perçage sur la tenue en service des assemblages. C’est le cas de l’exigence d’un critère de rugosité Ra. Nos travaux portent sur la caractérisation et la qualification des défauts de paroi rencontrés lors des opérations de perçage des stratifiés composites UD. Dans un premier temps, les endommagements caractéristiques d’une opération de perçage ont été identifiés et reliés à l’angle entre la vitesse de coupe et l’orientation des fibres d’un pli. Par la suite, la surface d’un perçage a été mesurée au rugosimètre à contact, sur toute sa circonférence, par pas de 5°. Il apparaît que la valeur de Ra obtenue dépend fortement de la position de la ligne de mesure. Cela s’explique par le fait que la position angulaire des endommagements varie et dépend de la séquence d’empilement du stratifié. Il apparaît également que le profil de rugosité R est en partie artificiel, du fait du filtrage de l’ondulation (ISO4287). Ces travaux démontrent donc qu’un critère Ra (ou autre critère de type R) n’est pas représentatif de l’état de surface des trous percés dans les stratifiés composites, et que d’autres critères doivent être envisagés. Par la suite, l’étude s’est attachée à identifier les critères de type P qui sont représentatifs des états de surface obtenus, et à étudier l’influence des conditions opératoires lors du perçage (conditions de coupe, usure outil) sur la dégradation du stratifié. Les résultats montrent qu’un seul critère ne suffit pas à caractériser l’état de surface. L’étude permet également d’identifier les relations entre l’endommagement de la surface percée et les conditions opératoires.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Alors que l’usinage des matériaux « classiques » est relativement bien appréhendé, ils restent de nombreux point d’interrogations autour de l’usinage des matériaux composites. Pourtant, le perçage des matériaux composites est un enjeu essentiel pour l’industrie, en particulier pour l’industrie aéronautique. Les matériaux composites, de par leur définition, sont un assemblage de différents matériaux aux propriétés différentes. Les conditions d’usinage devraient être différentes pour ces différents matériaux impliquant des durées de vie d’outils différentes. Cette étude a pour objectif de présenter l’influence de différentes propriétés des matériaux telles que le type et le taux de fibres, constituant les composites. Cette étude a été menée sur une variété d’outils ayant chacun des avantages et inconvénients en ce qui concerne la qualité du trou obtenu et la durée de vie de l’outil. Un accent particulier est mis de même sur les propriétés de la résine telle que son type, ses propriétés mécaniques et la température de transition vitreuse. Enfin des indications d’usure chimique sur les outils sont mises en évidence.

Airframe assembly process needs many drilling and countersinking operations. The two main challenges concerning the drilling process are that the holes must fit in the required tolerances in order to ensure the assembly quality, and that the use of drills must be optimal in order to reduce production costs. These two objectives require the implementation of a reliable online monitoring system. A vast amount of work has been done in the field of drilling monitoring. Unfortunately, many methodologies described in these studies are unlikely to leave the labs as they were often considered difficult to implement, unreliable or not viable economically. The use of multisensor systems integrated with intelligent information processing techniques improved reliability and flexibility of tool condition monitoring systems. However, they have mainly been implemented under steady process conditions and in sensor-friendly lab environments, and neither issues about the variability of the operating conditions, nor quality of input data have been tackled. The work presented here is aimed at demonstrating the potential improvements that could be achieved in robust monitoring of drilling operations by using multisensor fusion and associated recent theoretical developments about uncertainty modeling and handling. The monitoring problem will be formalized, and its associated requirements in terms of accuracy and reliability, as well as issues related to industrial implementation will be detailed in order to position the problem. An approach to implement an industrial monitoring system will be proposed that covers the following steps: sensor integration, feature extraction, estimator choice, and monitoring system evaluation. The proposed methodology could be applied to a broader scope of applications, including most complex manufacturing automated operations., L'assemblage de structures aéronautiques nécessite de nombreuses opérations de perçage et de fraisurage. Les deux problématiques principales concernant ces opérations sont que les alésages réalisés correspondent aux standards de qualité exigés, et que les outils coupants soient utilisés de manière optimale afin de réduire les coûts. Ces deux objectifs nécessitent l'implémentation d'une solution de surveillance en ligne des opérations de perçage. De nombreuses études ont été réalisées à ce sujet. Pourtant, une grande partie des méthodologies développées ont peu de chance de quitter les laboratoires au profit des sites de production industrielle en raison de leur difficulté d'implémentation et de leur manque de robustesse. L'utilisation de plusieurs capteurs, couplés à des techniques avancées de traitement de l'information a permis une meilleure appréhension de la complexité du procédé de perçage et une augmentation de la flexibilité des systèmes de surveillance. Cependant, la majorité des études ont été réalisées en laboratoire et dans des conditions favorables, et les problématiques relatives à la flexibilité des conditions opératoires, ou encore à la qualité des données issues des capteurs n'ont pas été abordées. Cette étude a pour but de démontrer les améliorations potentielles que peuvent apporter les développements récents concernant la modélisation et la fusion de connaissances imparfaites pour la surveillance robuste des opérations de perçage. Une approche sera proposée pour l'implémentation industrielle de systèmes de surveillance de procédés. La méthodologie proposée doit pouvoir être transposée à un champ d'application plus large incluant la plupart des procédés de fabrication automatisés.

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.

National audience; Dans cette étude, un matériau sandwich issu d'un empilement de plaque composite carbone/époxy et plaque en alliage aluminium a été percé à sec. L'influence des paramètres de coupe (vitesse d'avance et vitesse de rotation) sur la qualité d'usinage et sur la formation du copeau a été analysée. Les outils utilisés sont en carbure de tungstène, avec et sans revêtement. Le revêtement est de type nanocristallin référencé nc-CrAlN/a-Si3N4. Les résultats expérimentaux montrent que la forme et la taille des copeaux sont fortement influencées par le choix de la vitesse d'avance. Les efforts de poussée générés lors du perçage du composite sont de 10 % à 15 % plus faibles avec un outil revêtu que ceux obtenus avec un outil non revêtu. Cependant les efforts de poussée dans l'aluminium sont 50 % plus faibles avec des outils revêtus comparés aux efforts générés par des outils non revêtus. Les outils revêtus permettent de réaliser des trous dans les plaques composites et aluminium avec des rugosités de 50 % meilleures à celles obtenues avec des outils non revêtus.

National audience; Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l'aéronautique. Le perçage est l'opération d'usinage la plus couramment réalisée pour l'assemblage des pièces en composite. L'état de surface de ces perçages est donc important notamment en regard du comportement mécanique des assemblages. Ce travail présente l'influence de l'état de surface des trous après usinage sur la tenue en matage des stratifiés carbone/époxy. L'état de surface du trou est quantifié par le critère de rugosité Ra. De par leur nature hétérogène, les matériaux composites ne présentent pas le même faciès de défauts que les matériaux métalliques. La question qui se pose est de savoir si la rugosité pourrait avoir une influence sur le comportement mécanique des matériaux composites et si ce critère Ra est bien adapté aux composites. Dans un premier temps, l'effet de la rugosité sur le matage des éprouvettes en statique a été investigué. Pour ce faire, des essais de perçage ont été réalisés dans des conditions de perçage variées afin d'obtenir deux qualités de perçage à comparer. Afin d'avoir une vision exhaustive des défauts de rugosité, une procédure fine de mesure de l'état de surface a été mise en place. Une fois les deux qualités de perçage obtenues, des essais de matage ont été réalisés sur ces éprouvettes. Une baisse de la raideur locale des éprouvettes avec un Ra élevé par rapport aux éprouvettes dont le Ra est faible a été constatée. Par la suite, la cinétique d'endommagement par matage liée aux défauts de perçage a pu être établie.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le cadre du projet européen ACCENT sur la maîtrise de l'intégrité de surface par la surveillance lors de l'usinage des pièces critiques aéronautiques. Des études antérieures ont montrées que des anomalies générées lors de l'usinage peuvent induire un abattement sur la tenue en fatigue des pièces. Dans ce contexte, l'objectif de ces travaux est de modéliser la relation entre l'intégrité de surface et les signaux enregistrés lors du perçage de l'Udimet®720. A partir d'une démarche expérimentale basée sur le Couple-Outil-Matière et les plans d'expériences, une caractérisation de l'usure de l'outil, de l'intégrité de surface et des signaux enregistrés a été effectuées en fonction des conditions d‘usinage et du contexte de l'opération (lubrifiant, dureté matière). Cette caractérisation à permis d'établir des corrélations entre les caractéristiques de l'intégrité de surface et celles des signaux. Ces corrélations ont été modélisées par des méthodes directes et statistiques, afin de mettre en avant la pertinence des capteurs de puissance, d'efforts et d'accélération par rapport aux anomalies d'usinage. Ainsi les capteurs permettent la prédiction de la couche de matière affectée par l'opération quelque soit le contexte d'usinage.

The invention relates to a drilling head with an axial oscillation generator, based on the use of piezoelectric ceramic actuators. The invention relates to a drilling head with an axial oscillation generator, based on the use of piezoelectric ceramic actuators. Projet AVIBUS (FUI 8, 2009-2013)

Due to the increasing growth of the use of abrasive waterjets in the industry, especially for drilling, the aim of this work is to understand the mechanism of material removal occurring when an abrasive water jet impinges on a solid body. Given the difficulty of achieving precise experimental studies where the spotlight is on the inside of the hole during the drilling process, the purpose of this thesis is to build a numerical model representing this machining process. Such a model involves: modeling the fluid jet and the abrasive particles, modeling of the erosion due to the particles impact on the target's surface and an interaction procedure between both models. The choice of using the Computational Fluid Dynamics software Fluent 6, led to a validation study made to demonstrate its ability and compatibility with our extreme conditions of work. It is coupled with models of erosion and remeshing of the computational domain. This configuration allowed us to achieve the simulations of the vertical drilling of a steel plate which was the objective of an experimental study at the Arts et Mériers ParisTech in collaboration with SNECMA. The validation of our modeling is obtained by comparing numerical results to experimental ones, i.e. the holes profiles, produced by our simulation are compared to those provided by the experiments. This comparison shows a good agreement for the hole's depth and diameter; the gap is never greater than 10%., Actuellement, nous assistons à une croissance forte de l'emploi des machines d'usinage par jet d'eau haute pression (HP) dans de nombreuses applications industrielles, notamment celle du perçage. Afin d'accompagner cette tendance et pour permettre une avancée technologique significative de ce procédé de fabrication, nous nous proposons, dans le cadre de cette thèse, de modéliser et simuler numériquement le perçage par jet d'eau abrasif. Aujourd'hui, pour étudier l'interaction d'un jet d'eau chargé de particules avec la matière dans le cadre du perçage et ainsi comprendre le mécanisme d'enlèvement de matière, les chercheurs procèdent expérimentalement. Les expériences ainsi réalisées sont très complexes et difficiles à maîtriser. Compte tenu de ces difficultés, une approche numérique du problème du perçage par jet d'eau abrasif permettrait de porter un regard plus local sur l'interaction jet d'eau abrasif - matière et ainsi de mieux comprendre le phénomène d'enlèvement de matière. Notre modélisation prend en compte l'écoulement composé du jet et des particules abrasives, l'interaction de ce jet avec la matière et l'érosion produite sur la cible. Le choix de l'utilisation du logiciel Fluent 6 pour simuler l'écoulement a conduit à une étude de validation et de compatibilité avec nos conditions extrêmes de travail. Ce logiciel est couplé avec des modèles d'érosion et de remaillage du domaine de calcul. Cette configuration nous a permis de réaliser la simulation du perçage droit non débouchant d'une plaque en acier qui a été l'objet d'une étude expérimentale au sein d'Arts et Métiers Paris Tech en partenariat avec la SNECMA. La validation de notre modélisation est assurée par la comparaison des résultats fournis par les expériences et la simulation numérique qui montre un bon accord, moins de 10% d'écart, aussi bien pour la profondeur que pour le diamètre du perçage.

The aim of this work is to develop a new experimental method in order to determine simultaneously co-diffusion coefficients in zeolites for mixtures of single- and di-branched C6 paraffins, with totally different diffusion kinetics. The species are 2- and 3-methyl-pentane (2MP and 3MP) and 2-2- and 2-3-dimethyl-butane (22DMB and 23DMB) and the adsorbent is a silicalite. This method is based on the output measurement of an adsorbent column subjected to cyclic variations of its input concentration. The analysis of the mixture experimental breakthrough curves, on several cycles, is carried out using a mathematical model, based on Maxwell-Stefan theory of multi-component diffusion, allowing an estimation of thermodynamic and kinetic parameters. The experimental conditions are close to industrial constraints, i.e. at very high adsorption loading, and in the liquid phase (185°C and 35 bars). This requires to develop a modified Maxwell-Stefan diffusion model, applied to the "Dusty Gas Model", including volume constraints in the crystal which implies to redefine the adsorbent saturation. Moreover, while preserving the simplicity of the "Single File Diffusion" model (no counter-diffusion), a relative volumetric flow of the solid is taken into account, allowing to ensure the independence of the diffusion coefficient of each component in the adsorbent. The Maxwell-Stefan diffusion coefficients for the different isomers, obtained from breakthrough curves simulations on one cycle for fast diffusing species and several cycles for slow molecules are in the sequence : D3MP D2MP, > D23DMB > D22DMB, with a difference of three orders of magnitude between 3MP and 22DMB. This implies that a separation process based on kinetic selectivity can be considered. The cyclic breakthrough experiments, allowing a better characterization of the system, highlight a very slow accumulation of the 22DMB isomer during cycles for specific operating conditions, which may be undetectable on a small number of cycles and on the profiles of the other components.. This phenomenon involves a decrease of the adsorbent performances, in terms of capacity as well as selectivity; L'objectif de cette thèse est de développer une méthode expérimentale permettant de mesurer simultanément des coefficients de co-diffusion dans les zéolithes, pour des mélanges de paraffines en C6 mono et di-branchées, dont les cinétiques de diffusion sont très différentes. Les espèces sont le 2- et le 3-methyl-pentane (2MP et 3MP) et le 2-2- et le 2-3-dimethyl-butane (22DMB et 23DMB) et l'adsorbant est une silicalite. Cette méthode est basée sur la réponse en sortie d'un lit fixe d'adsorbant à une variation cyclique de la composition à son entrée. La conception d'un modèle faisant intervenir des paramètres cinétiques et thermodynamiques a également être effectuée afin de simuler les courbes de perçages des différents constituants en mélange et sur plusieurs cycles. Les conditions expérimentales sont proches des conditions industrielles, à savoir en phase liquide et à fort taux de remplissage de l'adsorbant (185°C et 35 bars) L'écriture d'un modèle de diffusion, basé sur l'équation de Maxwell-Stefan appliquée au "Dusty Gas Model", dans ces conditions de fonctionnement, implique d'introduire des grandeurs volumiques qui permettent de redéfinir les contraintes liées à la saturation de l'adsorbant. De plus, tout en conservant la simplicité du modèle "Single File Diffusion" (pas de contre-diffusion microporeuse), nous avons montré que la prise en compte d'un flux volumique relatif associé au solide permet de conserver l'indépendance des coefficients de diffusion dans le cristal. Les simulations des courbes de perçage sur un seul cycle pour les molécules rapides et sur plusieurs cycles pour les molécules lentes indiquent que les coefficients de diffusion des différents isomères suivent l'ordre suivant : D3MP D2MP > D23DMB > D22DMB, avec un écart de trois ordres de grandeurs entre le 3MP et le 22DMB, ce qui laisse supposer qu'un procédé de séparation basé sur une sélectivité diffusionnelle peut être envisagé. Cependant, les tests de perçage en condition cyclique permettant de caractériser de manière plus précise le système, il a été possible de mettre en évidence une très lente accumulation du 22DMB au cours des cycles sous certaines conditions opératoires, phénomène qui peut s'avérer indétectable sur un faible nombre de cycles et/ou sur le profils de concentration des autres espèces. Ce phénomène a pour conséquence de diminuer les performances de l'adsorbant, aussi bien d'un point de vue capacitif que d'un point de vue sélectif

In the world of machining, due to new environmental constraints, the use of cooling is less and less recommended. For drilling operations, several techniques avoiding or limiting coolant have appeared during the last few years. Vibratory drilling is a new process which generates low frequency self vibrations in order to get a discontinuous cutting. Thus the low uncut chip thickness allows its natural evacuation. Vibrations are generated by a self vibratory drilling head which can be used on every kind of machine tool. This PhD work aims at modelling the cutting phenomenon in vibratory drilling. For each tool/material pair, it is possible to identify the cutting coefficients of the models thanks to an experimental strategy. The resulting models had then been introduced in a numerical simulator. This allows a virtual study of the dynamical behaviour of the drilling head with a fairly accuracy. Several experimental rounds of test show that the drill geometry, the cutting conditions and the drilling head parameters have a strong effect on the vibration's area. All the experiments have been done on an industrial application of crankshaft drilling. The optimization of this new process proved that long dry vibratory drilling is effective at an industrial scale. The drilling's quality is similar to the one of traditional drilling. The productivity is increased by five compared to the one of gun-drilling.; Dans le domaine de la fabrication, des nouvelles contraintes environnementales imposent de limiter au maximum l'utilisation de fluide de coupe. En perçage, de nombreuses techniques permettant d'usiner à sec ou avec très peu de lubrification commencent à voir le jour. Le perçage vibratoire est un nouveau procédé générant des vibrations axiales auto-entretenues à basse fréquence dans le but de créer une coupe discontinue. Les vibrations sont générées par un porte-outil spécifique utilisable sur tout centre d'usinage. Le copeau résultant est fractionné et peut s'évacuer naturellement. L'opération de perçage peut ainsi être réalisée à sec. Le travail réalisé s'articule autour de la modélisation de l'ensemble du phénomène de coupe en perçage vibratoire. Le modèle mis en place est couplé à une stratégie expérimentale de recalage qui abouti à l'identification précise de l'effort de coupe pour tout couple Outil/Matière. Une étude virtuelle du comportement dynamique de la tête est réalisée à l'aide d'un simulateur de perçage vibratoire intégrant les modèles établis. Plusieurs campagnes expérimentales ont mis en évidence l'influence de la géométrie des outils, des conditions de coupe et des paramètres de réglage de la tête, sur le domaine de vibration. L'ensemble des campagnes expérimentales a été effectué sur une application spécifique de perçage dans un acier à vilebrequin. L'optimisation du procédé a montré la faisabilité d'un perçage vibratoire long à sec dans le cadre d'une utilisation industrielle. La qualité de perçage obtenue est similaire à celle d'une opération de perçage traditionnel et la productivité a été multipliée par cinq par rapport à celle d'un forage avec foret ¾.

In the world of machining, due to new environmental constraints, the use of cooling is less and less recommended. For drilling operations, several techniques avoiding or limiting coolant have appeared during the last few years. Vibratory drilling is a new process which generates low frequency self vibrations in order to get a discontinuous cutting. Thus the low uncut chip thickness allows its natural evacuation. Vibrations are generated by a self vibratory drilling head which can be used on every kind of machine tool. This PhD work aims at modelling the cutting phenomenon in vibratory drilling. For each tool/material pair, it is possible to identify the cutting coefficients of the models thanks to an experimental strategy. The resulting models had then been introduced in a numerical simulator. This allows a virtual study of the dynamical behaviour of the drilling head with a fairly accuracy. Several experimental rounds of test show that the drill geometry, the cutting conditions and the drilling head parameters have a strong effect on the vibration's area. All the experiments have been done on an industrial application of crankshaft drilling. The optimization of this new process proved that long dry vibratory drilling is effective at an industrial scale. The drilling's quality is similar to the one of traditional drilling. The productivity is increased by five compared to the one of gun-drilling., Dans le domaine de la fabrication, des nouvelles contraintes environnementales imposent de limiter au maximum l'utilisation de fluide de coupe. En perçage, de nombreuses techniques permettant d'usiner à sec ou avec très peu de lubrification commencent à voir le jour. Le perçage vibratoire est un nouveau procédé générant des vibrations axiales auto-entretenues à basse fréquence dans le but de créer une coupe discontinue. Les vibrations sont générées par un porte-outil spécifique utilisable sur tout centre d'usinage. Le copeau résultant est fractionné et peut s'évacuer naturellement. L'opération de perçage peut ainsi être réalisée à sec. Le travail réalisé s'articule autour de la modélisation de l'ensemble du phénomène de coupe en perçage vibratoire. Le modèle mis en place est couplé à une stratégie expérimentale de recalage qui abouti à l'identification précise de l'effort de coupe pour tout couple Outil/Matière. Une étude virtuelle du comportement dynamique de la tête est réalisée à l'aide d'un simulateur de perçage vibratoire intégrant les modèles établis. Plusieurs campagnes expérimentales ont mis en évidence l'influence de la géométrie des outils, des conditions de coupe et des paramètres de réglage de la tête, sur le domaine de vibration. L'ensemble des campagnes expérimentales a été effectué sur une application spécifique de perçage dans un acier à vilebrequin. L'optimisation du procédé a montré la faisabilité d'un perçage vibratoire long à sec dans le cadre d'une utilisation industrielle. La qualité de perçage obtenue est similaire à celle d'une opération de perçage traditionnel et la productivité a été multipliée par cinq par rapport à celle d'un forage avec foret ¾.

The determination of the cutting forces generated during the drilling operation is an essential step in the drilling optimisation. This information is crucial for the cutting conditions determination and the tool definition. The aim of this work is to propose a predictive thermo mechanical model for the drilling process. This model is based ont the thermo mechanical oblique cutting model developed and validated in the LPMM laboratory. The parameters used in this model are the cutting angles, the cutting conditions, the behaviour of the workpiece materials and the friction conditions on tool-chip interface. After the determination of the cutting angles from the CAD definition of the drill using a mathematical geometrical model developed in this work, the cutting edges are decomposed into a series of linear oblique cutting edges. A modified version of the thermo mechanical model is then apllied on each elemental cutting edge in order to calculate the elemental cutting forces, and then the global thrust and torque are determined. Experimental dry drilling tests were performed in order to validate the presented model. The calculated and measured global torque and thrust were compared, a good agreement was obtained. In the last section a numerical model using the finite element method with two commercial codes are presented. 2D orthogonal cutting and 3D drilling simulations were carried out. Numerical simulation provides interesting information on the chip formation and on the temperature and stress distributions but the calculations are time consuming. The two proposed methods may be used as complementary approaches to optimize cutting conditions and drill geometry; La définition de la géométrie du foret et le calcul des efforts de coupe générés pendant le perçage occupent une place centrale dans les travaux de modélisation. Ces informations sont indispensables pour étudier de nombreux problèmes liés au perçage. Ces travaux ont pour but de proposer une modélisation thermomécanique du perçage en utilisant le modèle de la coupe oblique développé et validé au LPMM. Le calcul des efforts de coupe est conduit à partir des angles et des conditions de coupe, du comportement du matériau usiné et des conditions de frottement à l'interface outil-copeau. Après le calcul des angles de coupe moyennant un modèle géométrique développés dans ce travail en se basant sur une définition CAO du foret, les arêtes de coupe sont décomposées en arêtes élémentaires en position de coupe oblique. Le modèle thermomécanique est ensuite appliqué après certaines modifications apportées pour tenir compte des caractéristiques du perçage. Des résultats expérimentaux en termes d'efforts de coupe sont présentés et comparés à ceux calculés par le modèle. Ces essais permettent d'analyser la pertinence du modèle et de valider. Enfin, une première étude d'optimisation de la géométrie du foret est présentée. Pour mieux comprendre les phénomènes accompagnant le perçage, des simulations de coupe orthogonale 2D et du perçage en 3D par la méthode EF ont été effectuées. L'approche numérique fournit une analyse complète et des informations sur le champ des contraintes, des températures, sur la morphologie et l'écoulement des copeaux, mais ces calculs requièrent énormément de temps. Les deux approches peuvent être considérés complémentaires pour l'optimisation du perçage

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Pour valider une géométrie, les fabricants d'outils sont contraints de réaliser des prototypes et d'effectuer des essais longs et coûteux. La modélisation et la simulation des opérations d'usinage devraient permettre de réduire ces coûts et de faciliter le développement des nouveaux outils de coupe. Dans ce travail, deux approches complémentaires de modélisation et de simulation sont utilisées. La première correspond à un modèle analytique composé d'une partie géométrique et d'une partie thermomécanique, elle donne des approximations acceptables des grandeurs globales et un aperçu de la répartition des températures et des efforts sur l'outil. La deuxième approche fait appel à la simulation numérique du perçage avec un code commercial aux éléments finis. La simulation permet de mieux appréhender la formation du copeau et son écoulement et d'étudier plus finement l'incidence de la géométrie sur les répartitions des contraintes et des températures de l'outil et de la pièce usinée.

International audience; In this paper, we propose a numerical Finite Element analysis within a quasi static framework of the thrust forces responsible for the defect at exit of the hole during the drilling phase of long fibers composite structures. This numerical model-compared with the analytical models existing in the literature-takes into account the tool point geometry as well as the shear force effects in the laminate. The validation of the numerical model is carried out thanks to tests of punching at low speed on two types of semi products in carbon / epoxy long fiber manufactured by the Hexcel Composites company. The numerical results present a good correlation with the experimental values. Moreover, a comparison between the numerical thrust forces and those provided by the analytical models of the literature are discussed.; Dans cet article, on propose une analyse numérique par E. F. dans un cadre quasi statique des efforts de poussée responsables du défaut en sortie du trou lors du perçage de plaques composites fibres longues. La particularité de ce modèle numérique, comparé aux modèles analytiques existants dans la littérature, est qu'il prend en considération la géométrie de la pointe de l'outil ainsi que les effets des efforts tranchants dans le stratifié. La validation de ce modèle numérique est réalisée grâce à des essais de poinçonnement à faible vitesse sur deux types de semi produits en carbone/époxy fibres longues fabriqués par Hexcel Composites. Les résultats numériques présentent une bonne corrélation avec les valeurs obtenues expérimentalement. De plus, une comparaison entre les efforts de poussée numériques et ceux fournis par les modèles analytiques de la littérature est discutée.

Although used in a very large variety of applications, drilling is one of the most complex and least understood manufacturing processes. Most of the research on drilling was done in the field of metal cutting for mechanical parts since, in this case, high precision and quality are needed. The use of composite materials in engineering applications has increased in recent years, and in many of these applications drilling is one of the most critical stages in the manufacturing process. This is because it is among the last operations in the manufacturing plan of composite parts. Delamination and extensive tool wear are among the problems which drilling of composite materials are currently facing. A major difference between metallic and composite plates is their structure: isotropic for metals and anisotropic for composite materials; meaning that while for metallic materials all the structure will respond in a similar manner under the machining loads, the composite structure will have localized responses from the same loads, leading to defects in the internal structure of the remaining work-piece material (i.e. delamination). Delamination can lead to failure in use and parts with such defects are usually discarded. Delamination is not usually visually detectable and special testing is necessary, affecting the costs of the final parts. Delamination during drilling was found to occur at tool entry (peel-up) or tool exit (push-out) and depends on the loads at inter-laminar level. The work presented in the current thesis focuses in providing reliable information about the thrust and torque distribution along the drill radius (and work-piece thickness) during drilling for varying cutting parameters, drill geometry and work-piece material. Such data should assist in the development of delamination models capable of capturing the influence of the drill geometry and cutting parameters on delamination onset and propagation during both exit and entry of the drill in the work-piece. A cutting force model is proposed to obtain the elementary cutting force distribution along the drill radius which is able to account for changes in axial feed rate and drill geometry. Based on oblique cutting, forces are considered on both rake and relief faces. A generic relationship in the form of a transformation matrix is developed to relate oblique cutting to drilling, valid for any drill geometry. The mathematical description of the drill geometry in the scope of cutting force modeling has been revised. The kinematics of the drilling process is now taken into account for (i) all geometrical parameters of the drill and for (ii) the elementary cutting forces decomposition. Additionally, a new drill type and its geometric features have been described mathematically and the definition of the geometrical parameters has been generalized so that other drills types or variations could be easily implemented into the model. It proved therefore possible to adopt simpler expressions for the empirical force coefficients of the cutting force model. Up to four empirical coefficients are used, which are calculated from experiments for each work-piece material and drill type. Most experimental investigations on drilling fiber reinforced composites analyze only the total thrust and torque generated during drilling or separately the forces caused by the chisel edge and cutting lips by drilling with or without a pilot hole. The later type of analysis suggested that is possible to obtain more detailed information about the distribution of the loads in drilling from the analysis of the forces variation during tool entry into the work-piece. Pursuing this direction, an experimental analysis method is proposed to obtain the axial and tangential elementary cutting force distribution along the tool radius or work-piece thickness. The cutting force distribution obtained experimentally was used to calibrate the cutting force model, rather than the total thrust and torque. The experimentally obtained cutting force distribution can also be used alone for analyzing the drilling process (i.e. the loads distribution among the plies of the composite laminate and how this load is influenced by changes in the drill geometry and the cutting conditions).

Vibrations assisted drilling is a process which ensures chip shape control in order to increase reliability during drilling operations. The adding of axial oscillation, controlled with amplitude and frequency, introduce two new parameters which must determinate according to the conventional parameters (feed and speed rotation). The optimal setting of vibrations assisted drilling is not obvious. To provide an optimization-tool of the process, a new model which take into account the “Tool-Workpiece-Machine” environment, is proposed. Drill geometry, Tool-Workpiece interactions and dynamic behavior of the Machine are incorporated in the model. Tis specificity allows adjusting behavior of the process with the case of application. An identification methodology is presented to characterize the environment. Simulation’s results and experimental results are compared to validate the model. This model thus allows predicting process behavior in order to optimize the operational parameters.; Le perçage assisté par vibrations est un procédé assurant la maîtrise dimensionnelle des copeaux pour gagner en fiabilité sur les opérations de perçage. L’ajout d’une oscillation axiale pilotée en amplitude et en fréquence introduit deux nouveaux paramètres à déterminer en adéquation avec les paramètres conventionnels que sont l’avance et la vitesse de coupe. Le paramétrage d’une telle opération n’est donc pas trivial. Afin de fournir un outil d’optimisation du paramétrage du procédé, une nouvelle modélisation prenant en compte l’environnement « Pièce-Outil-Machine » est proposée. L’intégration de la géométrie de l’outil, des spécificités des interactions entre l’Outil et la Matière, et du comportement dynamique de la Machine permet s’adapter aux conditions de mise en oeuvre du procédé. Une méthode d’identification dissociée des éléments de l’environnement « Pièce-Outil-Machine » permet de caractériser les spécificités de chacun de ces éléments. Cette modélisation est validée par une campagne d’essai. La modèle développé dans ces travaux permet donc de prédire le comportement du procédé en vue d’une optimisation des paramètres opératoires.