Micromilling mechanism : research and realization

par Jinsheng Wang

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Gabriel Abba et de Yadong Gong.

Soutenue le 13-01-2009

à Metz en cotutelle avec Northeastern University (Shenyang) , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec Laboratoire de Génie Informatique, de Production et de Maintenance (laboratoire) .

Le président du jury était Minjie Wang.

Le jury était composé de Jean-François Antoine, Philippe Picart, Yingxue Yao.

mots clés

• Micro-fraisage
• Microstructure
• Copeau segmenté
• Micro-machine-outils
• Fraise trajectoire
• Rugosité
• Surface générée
• Fraisage (travail des métaux)
• Micro-usinage

Titre traduit

Etude des mécanismes de coupe en micro-usinage : application au micro-fraisage

Résumé

Le procédé du micro-fraisage apporte de nombreux avantages pour la fabrication de pièces de petites dimensions. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier les mécanismes physiques intervenant en micro-fraisage pour l'amélioration de la fabrication de produits miniaturisés. Plusieurs thématiques de recherche sont abordés afin d'améliorer la technologie de micro-usinage tant en terme de qualité que de productivité. Parmi ces thématiques, on peut citer le développement de micro-machines-outils, l'étude de l'influence de la microstructure des pièces, l'étude des trajectoires de l'extrémité de la micro-fraise, l'analyse numérique et analytique de la formation d'un copeau segmenté, la modélisation de la rugosité de la surface usinée, par exemple par réseau de neurones ou la conception de bancs d'essais. Certains résultats importants obtenus durant ce travail sont : 1. Les différences de phases métalliques dans un matériau polycristallin multiphase affectent beaucoup le processus de micro-fraisage, induisant des variations dans les efforts de coupe et influençant la qualité de la surface générée. 2. Pendant le processus de micro-fraisage, seule un seule arête coupe la matière. L'angle de l'arête de la direction d'avance sont les paramètres les plus importants pour réduire l'erreur d'usinage et pour répartir les efforts de coupe. 3. Le mécanisme de formation du copeau est étudié par une méthode hybride analytique-numérique. Les variations de la longueur de contact entre l'outil et le copeau et de la longueur de la bande de cisaillement sont les raisons principales qui expliquent l'apparition du copeau segmenté

Résumé

Micromilling technique brings many advantages to the fabrication of micro-sized features. The objectives of this thesis are to investigate the micromilling mechanism for the efficient fabrication of miniaturized products. There are a number of issues that influence micromilling processes : cutting forces, dynamics and stability, chip formation, and machine tools. Several research topics, including Micro Machine Tool (MMT) development, workpiece microstructure influences, micromill tip trajectory investigation, wavy chip formation analysis via FEM-analytical ap- proach, surface roughness prediction based on the neural network and design of experiment are focused in this thesis. Some important results are listed : 1. The metal phase differences in the multi-phase polycrystalline material affect the micromilling process greatly, induce the cutting force variation, and influence the surface generation. 2. The single flute cutting condition always occurs in the micromilling process. The flute angle and feed angle are important to the machining error and chip load distribution. 3. The wavy chip formation mechanism is studied via hybrid analytical-FEM approach. It has been found the chip acquires additional angular acceleration in the segment generation instant. The variations of the tool chip contact length and shear band length are the main reasons of wavy chip segment formation