Expérimentation et modélisation de la micro-coupe pour une application au micro-fraisage

by Romain Piquard

Doctoral thesis in Matériaux

defended on 03-11-2016

in Besançon , under the authority of École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....) , in a partnership with École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....) (laboratoire) and Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Experimentation and modelling of micro-cutting for micro-milling application


  • Abstract

    Micro-manufacturing processes are undergoing a significant growth in industrial applications and in a number of major sectors. Among the micro-machining techniques, micro-milling is probably the most versatile both in terms of machined material and in terms geometrical achievability. However, micro-end-mill manufacturing is still limited by some parameters (such as cutting edge radius) and needs improvement. The top-down approach used to reproduce what is best from conventional scale to micro-scale is not necessarily suitable. As a result, micro-milling is still a poorly controlled process (tool wear, tool breakage, path control, burrs...).The aim of the thesis is to understand the mechanisms occurring during the material removal with micro-cutting and to propose a model to predict cutting forces according to cutting conditions, which will then make the optimization of micro-end-mills geometry easier.First, an experimental study is used to observe the elementary micro-cutting operation of a hardened tool steel using specially designed devices. A first device is used to measure cutting forces in elementary micro-cutting and a second innovative device is used to study chip formation by quick-stop tests.Then, modelling approaches of elementary micro-cutting are proposed to complete the experimental study. A cutting law approach based on the results of the elementary micro-cutting tests allows the cutting forces to be modelled. In addition, numerical simulations using the SPH method investigate chip formation and particularly deformation and shear zones.Finally, the proposed cutting law combined with a micro-milling geometric model allows the prediction of cutting forces when micro-milling the same hardened tool steel. The geometric model based on previous work has been completed to consider static tool deflection and run-out. This run-out is measured directly on the machine using a specially developed device. The results obtained show a good correlation between experimental and predicted forces.


  • Abstract

    Les procédés de micro-fabrication connaissent actuellement une croissance importante dans les applications industrielles et pour des secteurs majeurs. Parmi les techniques d’usinage en micro-fabrication, le micro-fraisage est sans doute le plus polyvalent que ce soit en termes de matériau usiné ou de géométrie obtenue. La fabrication de micro-fraises est encore limitée par un certain nombre de paramètres (comme le rayon d’acuité d’arête) et demande alors à être optimisée. L’approche utilisée consistant à reproduire à petite échelle ce qui se fait de mieux à une échelle conventionnelle n’est alors plus forcément adaptée. Il en résulte que le micro-fraisage est un procédé encore mal maîtrisé (usure prématurée de l’outil, bris d’outil, trajectoire non maîtrisée, bavures…).L’objectif de la thèse est donc de comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’enlèvement de matière en micro-usinage et d’en établir un modèle permettant de prédire les efforts de coupe selon les conditions choisies et qui permettra par la suite de faciliter l’optimisation de la géométrie des outils coupantDans un premier temps, une étude expérimentale s’attache à observer la micro-coupe élémentaire d’un acier dur à l’aide de dispositifs réalisés dans le cadre de ces travaux. Un premier dispositif permet de mesurer les efforts d’usinage en micro-coupe élémentaire et un deuxième dispositif innovant permet d’étudier la formation du copeau par coupe interrompue.Par la suite, une démarche de modélisation de la micro-coupe élémentaire est proposée en complément de l’étude expérimentale. Une approche par loi de coupe basée sur les résultats des essais de micro-coupe élémentaire permet de modéliser les efforts d’usinage. En complément, des simulations numériques utilisant la méthode SPH donnent aussi des informations intéressantes sur la formation du copeau, notamment au niveau des zones de déformation.Enfin la loi de coupe associée à un modèle géométrique du micro-fraisage permet de prédire les efforts de coupe lors de l’usinage du même acier. Le modèle géométrique basé sur des travaux précédents a été complété pour prendre en compte la flexion d’outil ainsi que le faux-rond. Ce faux-rond est mesuré directement sur la machine à l’aide d’un moyen d’observation spécialement développé. Les résultats obtenus montrent une concordance entre les efforts expérimentaux et les efforts prédits.


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  • Under the title: Expérimentation et modélisation de la micro-coupe pour une application au micro-fraisage
  • Details : 1 Vol. (192p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.181-192)
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