Cette thèse doctorale se focalise sur l'étude du procédé d'usinage au moyen de l'outil numérique de calcul par Eléments finis (MEF). Concrètement, il s'agit d'étudier les phénomènes thermomécaniques qui ont lieu, lors de l'opération d'arrachement de matière, à l'interface et qui contrôlent le type de contact entre l'outil et le copeau. Pour cela, un modèle numérique de coupe orthogonale sous la formulation ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) a été développé avec le code de calcul par MEF Abaqus/Explicit. Plusieurs études paramétriques ont été menées à bien pour découpler les effets des variables locales, tant sur les résultats macroscopiques (forces...), comme dans la zone de l'interface (température...). Les résultats numériques montrent que ce sont les effets combinés du type de modèle de frottement implémenté à l'interface, avec l'adoucissement thermique du matériau, qui conditionnent l'apparition du type de contact collant, et par conséquent, régissent le contact outil/copeau. On propose deux nouveaux modèles de frottement variable en fonction de la vitesse, pour améliorer la définition du frottement à l'interface. D'autre part, la validité du modèle numérique est vérifiée en observant une bonne corrélation entre les forces numériques obtenues, et les forces de coupe expérimentales obtenues pour le même matériau et dans les mêmes conditions de coupe / This doctoral thesis is focused on the study of the process of machining by means of the numerical tool for calculation by Finite Element Method (FEM). Concretely, it is a question of studying the thermomechanical phenomena which take place, during an operation of material removal, at the interface and that control the type of contact between the tool and the chip. for that, a numerical model of orthogonal cutting under the ALE formulation (Arbitrary Lagrangian Eulerian) was developed with the code Abaqus/Explicit. Several parametric studies were carried out to uncouple the effects of the local variables, on the macroscopic results (forces...), as in the interface (temperature...). The numerical results show that in fact the combined effects of the type of the implemented friction model at the interface, both with the thermal softening of the material, condition the appearence of the sticking contact, and consequently, govern the tool/chip contact type. Two new models of variable friction with to velocity are proposed, to improve the definition of friction in the interface. Finally, the validity of the numerical model is checked by observing a good correlation between the obtained numerical forces, and the experimental cutting forces obtained for same material and under the same cutting conditions

Dans ce travail de thèse, une approche hybride (analytique-numérique) a été développée dans le cas de l'usinage des alliages métalliques. La modélisation thermomécanique de l'écoulement du matériau dans la zone de cisaillement primaire, la longueur de contact outil-copeau ainsi que les dimensions des zones de contact collant et glissant ont été obtenues via une approche analytique. L'approche numérique a été introduite pour résoudre le problème thermique non linéaire dans le copeau à l'aide de la méthode des éléments finis. Les zones de contact collant et glissant à l'interface ont été prises en compte en considérant un champ de vitesses conforme aux observations expérimentales. Il a été montré dans cette étude que la coexistence d'un contact collant-glissant influence considérablement l'état de contraintes et la distribution de la température à l'interface outil-copeau. La nature hybride de l'approche proposée permet d'analyser, avec un faible temps de calcul, l'effet des différents paramètres d'usinage (conditions de coupe, paramètres matériaux, géométrie d'outils, etc.) sur le comportement tribologique dans le contact. Enfin, l'approche hybride développée dans le cadre de cette thèse a permis de mettre en place une loi de frottement physique évolutive mettant en relation le frottement apparent mesuré expérimentalement, le frottement local et le comportement thermomécanique du matériau usiné.

Lors d'une opération d'usinage, l'intégrité de la surface usinée et l’optimisation du procédé sont conditionnées par les paramètres de coupe (vitesses de coupe et d’avance, géométrie et matériau de l'outil...). Certaines conditions de coupe peuvent induire des effets indésirables tels que des vibrations importantes, des efforts de coupe excessifs et une usure prématurée de l'outil, conduisant à des qualités de surfaces médiocres. Dans l’industrie, l’utilisation d'approches empiriques pour opérer ce choix se révèle couteux et difficilement exploitable. Le développement d’outils de simulation basés sur des modèles prédictifs s’avère nécessaire. Ces modèles permettent de maitriser et de comprendre les phénomènes thermomécaniques aux interfaces outil-copeau et outil-pièce qui conditionnent l'intégrité de la surface usinée ainsi que la durée de vie de l'outil de coupe. L'objectif de la thèse est la modélisation des effets thermomécaniques en usinage avec des approches hybrides 'Analytique-c. Ceci permet d'analyser l'interaction entre les conditions de coupe du procédé d'usinage, le comportement du matériau et les conditions tribologiques aux interfaces outil-copeau et outil-pièce (contact collant-glissant, partage de la source de chaleur due au frottement). Le travail comporte également une validation expérimentale pour la coupe orthogonale à sec. Le modèle proposé est basé sur les développements suivants: (i) mise en place d'une 'Approche 1D par Tranche' pour la prise en compte de l'écoulement de la matière dans la zone primaire de cisaillement du copeau, (ii) modélisation du problème thermique transitoire non linéaire dans le système 'copeau-outil-pièce' en couplant une formulation EF de type Petrov-Galerkin avec la méthode de Newton-Raphson et une intégration implicite dans le temps, (iii) une nouvelle formulation de la distribution de pression le long de la face de coupe de l'outil, (iv) une nouvelle approche pour gérer le partage de la source de chaleur par friction à l'interface outil-copeau. La démarche proposée permet de mettre en place une modélisation thermomécanique de l'interaction outil-matière applicable aux procédés industriels comme le perçage très utilisé dans le domaine aéronautique. Comparée aux simulations basées sur la méthode des Éléments Finis, l'approche développée requiert un temps de calcul de l'ordre de quelques minutes avec une précision comparable / In dry machining, the thermomechanical process of chip formation, the tool wear and the surface integrity depend strongly on the tribological conditions along the tool rake face. Besides, the friction conditions at the tool-chip interface and along the round cutting edge are very complex. It should be noted that to understand the friction effects in machining, we have to analyse the inherent relationship among, the cutting conditions (cutting and feed velocities, tool geometry), the workpiece material behaviour, the thermomechanical characteristics of the tool material, the frictional heat partition in the sliding zone and the friction conditions at the tool-chip and tool-workpiece interfaces. Due to the problem complexity, it appears that despite many works on machining, the understanding of the effect of friction conditions requires further investigations. In the present work, to identify the interaction between the thermomechanical phenomena at the tool-chip interface and the material flow in the primary shear zone; an analytical model has been coupled with a finite element approach. For the tool rake face, a new pressure model was developed. The transient nonlinear thermal problem in the workpiece-tool-chip system has been solved by using a FE model based on the Petrov-Galerkin formulation. The coupling between the primary shear zone (PSZ) (chip formation), the secondary shear zone (SSZ) (sticking zone) and the frictional heat at the sliding zone has been taking into account. The model allows to determine in a fast and simple way several significant machining parameters as: (i) the cutting forces, (ii) the temperature distribution in the tool-chip-workpiece system, (iii) the heat flux from the PSZ to the workpiece, (iv) the tool-chip contact length, (v) the frictional heat partition and (vi) the apparent friction coefficient. The proposed model allows to analyze different industrial machining processes such as drilling and milling