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'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.

Les travaux présentés dans cette thèse s'inscrivent dans le contexte de la modélisation et la compréhension des phénomènes liés à l'usinage du Ti5553. L'objectif des travaux est de lever certains verrous scientifiques et d'améliorer les connaissances sur l'usinage de ce matériau afin de proposer des conditions de coupe et d'engagement optimales à l'entreprise Messier-Dowty. Nous avons identifié plusieurs modèles nous permettant de décrire au mieux le processus de coupe en tournage et en fraisage. Au niveau de l'usure des outils et des possibilités d'amélioration de l'usinabilité de l'usinage du Ti5553, l'ensemble des travaux a montré un manque d'informations dû à la rareté du matériau. Pour définir les constantes de la loi de Johnson-Cook et de fait caractériser le matériau, notre démarche s'est focalisée vers le développement d'une méthode basée sur des essais d'usinage et des essais de traction permettant ainsi d'obtenir une loi ajustée à l'usinage du Ti5553. La loi de comportement a ensuite été utilisée dans les modélisations d'efforts de coupe en tournage et en fraisage avec pour objectif de modéliser l'ensemble de la gamme des outils employés par l'entreprise Messier-Dowty (formes, géométries de coupe. . .). Ces modèles nous ont ensuite permis de mettre en avant les difficultés liées à l'usinage du Ti5553 et de proposer des conditions de coupe et d'engagement adaptées. La troisième partie est consacrée à l'analyse des phénomènes d'usure des outils coupants où les différents modes de dégradation en tournage et en fraisage ont été identifiés. Leurs relations avec le processus de coupe ont été définies afin de proposer un critère d'évaluation de l'usure des outils. Une partie de cette étude est également consacrée à l'identification de l'influence des conditions d'engagement, des géométries de coupe, des conditions de coupe sur l'usure. Le dernier chapitre concerne la valorisation industrielle où nous présentons les applications et les extrapolations de nos travaux dans le contexte industriel. Nous avons également testé l'augmentation de la température qui constitue une des pistes d'amélioration de l'usinabilité mais sans résultat probant. Enfin, nous avons abordé la problématique de la surveillance d'usinage où nous avons mis en avant les difficultés liées aux particularités du processus de coupe. / The work presented in this thesis fits the context of modeling and understanding of phenomena related of Ti5553 machining. The goal is to improve knowledge about material to provide optimal cutting conditions, optimal engagement and cutting geometry. We have identified several models allowing to describe the cutting process in tunining and milling. In terms of tool wear and usinability improvement in Ti5553 machining all studies showed a lack of information. Our approach focused towards in developing an alternative method to define the Johnson-Cook law constants based on machining tests and tensile tests to obtain the constitutive law adjusted to Ti5553 machining. The constitutive law was used cutting forces modeling for turning and milling involving the full range of tools used by the company (shapes, cutting geometries...). These models were allowed us the highlights the machining difficulties and propose suitable conditions. The third part focused on wear cutting tools mechanisms analysis where the differents degradation stage in turning and milling have been defined. Their relationships with the cutting process has been identified in order to propose a criterion of wear evolution. Part of this study is to identify the effect of engagement, cutting geometries and cutting conditions on tool wear. The last part concerns the industrial development where we present our work applications and extrapolations in our industrial context. We also tested one of the prospects of machinability improving (increase temperature) but without result. Finally, we addressed the problem of process monitoring on Ti5553 machining where we highlighted the difficulties related to the specifics on cutting process.