Contribution to the modelling of the surface geometrical quality generated by vibratory drilling - Application to the case of aeronautical parts in titanium alloy Ti6Al4V4

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.