L'industrie automobile cherche à réduire son utilisation des liquides de coupe en usinage pour des raisons économiques, environnementales et sanitaires. Les fabricants développent ainsi la démarche Minimum Quantity Lubrication qui vise à réduire au strict minimum l'utilisation des liquides de coupes en usinage. En l'absence de liquide de coupe, la stabilisation thermique de la pièce n'est plus assurée et des échauffements locaux apparaissent. Ces échauffements créent des déformations qui doivent être quantifiés et pris en compte afin d'assurer la conformité de la géométrie produite.Une démarche de modélisation de l'échauffement d'une pièce pendant l'usinage est présentée. Le modèle obtenu permet à la fois de quantifier la quantité de chaleur introduit dans la pièce pour des usinages simples et de simuler les déformations d'une pièce complexe lors de l'enchainement d'opération d'usinage. Cette quantification repose sur une méthode inverse. Elle est appliquée à des opérations de fraisage, perçage et taraudage d'un alliage d'aluminium AS9U3. Dans un second temps, une étude de l'influence de l'ordonnancement des opérations d'usinage d'un carter de boite de vitesses automobile sur la qualité de la géométrie produite est conduite. Cette étude illustre l'intérêt du modèle de simulation et des outils développés pendant la thèse. Enfin, les enjeux économiques et environnementaux de la technologie MQL seront abordés.

Le sujet de recherche proposé se présente comme une étude préliminaire à l'optimisation de l'usinage à sec des composites carbone/époxy. L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils. Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-pièce (efforts, température, frottement, rugosité) et de les confronter à l'usure des outils. Les opérations de coupe par enlèvement de matière génèrent des efforts et des gradients de température importants, d'où risques d'endommagements au niveau des surfaces usinées. Un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique, coefficient de frottement) et la simulation numérique par la méthode des éléments discrets sont ensuite misent en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, profilométrie optique) a permis d'identifier les différents types d'endommagement de l'outil et du composite. Une étude spécifique du perçage des composites a permis de visualiser les dommages créés par un foret et, après analyse, de proposer un outil mieux adapté. Le délaminage des derniers plis du composite, provoqué par la pénétration du foret est considéré comme le défaut majeur. Un modèle mathématique a permis de prévoir l'effort de pénétration du foret. Ce modèle a été validé par une procédure expérimentale. Une relation liant l'effort de pénétration aux conditions de coupe et à l'usure du foret a été proposée. La synthèse de l'étude fait apparaître l'intérêt industriel du travail. L'approche basée sur la détermination des efforts de coupe à l'aide de simulations numériques par la méthode des éléments discrets a permis de corréler les mécanismes de formation du copeau et d'enlèvement de matière. La justesse des simulations numériques est conditionnée par la capacité de la modélisation à prédire des efforts de coupe et une morphologie du copeau en accord avec l'expérimentation. Les simulations numériques ont conduit à l'obtention d'une bonne corrélation entre les prédictions et les résultats expérimentaux.

L'industrie automobile cherche à réduire son utilisation des liquides de coupe en usinage pour des raisons économiques, environnementales et sanitaires. Les fabricants développent ainsi la démarche Minimum Quantity Lubrication qui vise à réduire au strict minimum l'utilisation des liquides de coupes en usinage. En l'absence de liquide de coupe, la stabilisation thermique de la pièce n'est plus assurée et des échauffements locaux apparaissent. Ces échauffements créent des déformations qui doivent être quantifiés et pris en compte afin d'assurer la conformité de la géométrie produite.Une démarche de modélisation de l'échauffement d'une pièce pendant l'usinage est présentée. Le modèle obtenu permet à la fois de quantifier la quantité de chaleur introduit dans la pièce pour des usinages simples et de simuler les déformations d'une pièce complexe lors de l'enchainement d'opération d'usinage. Cette quantification repose sur une méthode inverse. Elle est appliquée à des opérations de fraisage, perçage et taraudage d'un alliage d'aluminium AS9U3. Dans un second temps, une étude de l'influence de l'ordonnancement des opérations d'usinage d'un carter de boite de vitesses automobile sur la qualité de la géométrie produite est conduite. Cette étude illustre l'intérêt du modèle de simulation et des outils développés pendant la thèse. Enfin, les enjeux économiques et environnementaux de la technologie MQL seront abordés. / The application of MQL or dry machining in mass production becomes more and more accepted. Dry (MQL) machining is a very efficient solution to reduce the usage of cutting fluids and represents an effective measure for an environmental friendly production. However, these techniques do not benefit any more from the stabilization in temperature obtained with cutting fluids. More important and more heterogeneous increases of the temperature are observed. This leads to distortions of the work piece during machining which are necessary to be taken into account to maintain the geometrical quality of the manufactured surfaces.A model of the warm-up of a part during machining is presented. The obtained model allows to quantify heat introduced into the work piece for simple operations and to feign the distortions of a complex part when operations are enchained. This quantification is based on an inverse method. It is applied for reaming, drilling and tapping process for an aluminum alloy AS9U3. Secondly, a study about influence of operations organization is done. We use the model to quantify distortions an aluminum clutch case along machining. This study illustrates interest of the model and of tools developed during the PhD. In a last part, economic and environmental stakes of the MQL approach are discussed.

L'étude proposée traite de la compréhension des mécanismes d'endommagement des outils carbure dans le cas de l'usinage à sec d'un alliage d'aluminium aéronautique (AA2024 T351). Elle a pour but de déterminer les différents paramètres tribologiques de l'interface outil-copeau (frottement, température, pression) et de les confronter aux différents modes d'usure. Une modélisation du contact entre le copeau et l'outil basée sur les propriétés viscoplastiques de l'écoulement du matériau est d'abord proposée. Elle permet d'établir les relations qui existent entre la géométrie du copeau (angle de cisaillement), les contraintes appliquées sur l'outil, le coefficient de frottement et la vitesse de glissement du copeau au voisinage de la pointe de l'outil. Le modèle analytique est alors employé pour déterminer la nature du contact (collant, glissant) et calculer la vitesse de glissement. Pour déterminer la température et la pression de contact, un dispositif d'étude basé sur l'observation expérimentale de la formation du copeau (caméra vidéo rapide, mesure des efforts, calcul de flux thermique) et la simulation numérique par la méthode des éléments finis est ensuite mis en place. La caractérisation physico-chimique réalisée à l'aide de techniques complémentaires d'analyse de surface (MEB, EDS, AES, profilométrie optique) a permis d'identifier clairement les différents types d'endommagement. Ils se traduisent par la formation d'arêtes rapportées et de couches adhérentes (couches de transfert formées par extrusion de précipités) ainsi que par la fragilisation de l'outil provoqué par la diffusion de certaines espèces chimiques du copeau vers l'outil. Grâce à la démarche proposée, il est possible de relier ces différents modes d'endommagement aux conditions de contact existant à l'interface outil-copeau.

Lors de l'usinage des alliages métalliques, les outils de coupe sont soumis à un chargement thermomécanique intense conduisant à une réduction considérable de leur durée de vie. L'utilisation d'outils revêtus s'avère alors bénéfique, en particulier lors de l'usinage à sec des aciers inoxydables considérés comme difficiles à usiner. Ce travail de thèse porte sur l'effet des revêtements en abordant les aspects de modélisation, de simulation numérique et expérimentaux de l'usinage à sec, avec des outils à géométries complexes. Des essais de chariotage ont été réalisés sur l'acier AISI 304L avec des outils revêtus et non revêtus. Une attention particulière a été apportée à la température, aux efforts et à la rugosité. Une large gamme de conditions de coupe a été considérée pour une compréhension avancée des phénomènes physiques mis en jeu. Cela a permis l'identification des conditions de coupe optimales pour le couple outil/pièce considéré, et la mise en évidence de l'importance des revêtements lors de l'usinage à sec des aciers inoxydables. Par ailleurs, une modélisation hybride analytique/numérique a été développée et mise en oeuvre. Fondée sur la direction d'écoulement du copeau, elle permet de déduire les efforts 3D à partir d'une simulation numérique 2D de l'usinage. Une procédure d'extraction de profils réels de l'outil à été introduite en utilisant un système de numérisation 3D Breuckmann. Cette procédure permet la prise en compte de la géométrie réelle de l'outil lors des simulations numériques. Enfin, la comparaison des résultats numériques et expérimentaux a permis la validation de la modélisation proposée / When machining metal alloys, cutting tools are subjected to intense thermomechanical loading, which can lead to a significant reduction of their lifetime. The use of coated tools is then beneficial, in particular during dry machining of stainless steels which are considered as difficult to cut materials. This phD thesis is focused on the effect of coatings addressing aspects of modeling, simulation and experimental tests using tools with complex geometries. Experimental tests under dry turning configuration were performed on an AISI 304L stainless steel with coated and uncoated tools. Particular attention was paid to the temperature evolution, cutting forces and roughness. A wide range of cutting conditions was considered for an advanced understanding of the physical phenomena involved in machining. Experimental results allowed the identification of optimum cutting conditions for the considered tool/workpiece couple and highlighted the importance of coatings in dry machining of stainless steels. In addition, a hybrid analytical/numerical modeling was developed and implemented in DEFORM code. Based on the chip flow direction, 3D forces can be deduced from a 2D numerical simulation of machining. An extraction procedure of real profiles of the tool was introduced using a 3D scanning Breuckmann system. This procedure allows taking into account the real geometry of the tool in numerical simulations. Finally, the comparison between numerical and experimental results allowed the validation of the proposed model