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La thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR BOOST multipartenaires dont l’objectif général est de de faire la démonstration de la possibilité de l’utilisation du bois, sous forme de placages en produit lamellé, pour son utilisation comme matériau structurel pour les véhicules. Ses principaux atouts sont ses bonnes propriétés mécaniques rapportées à sa masse volumique et son impact environnemental avantageux lorsqu’il est produit et transformé localement. BOOST cible plus particulièrement les contreplaqués pour leur faible coût et le domaine des transports : aéronautique, naval, automobile ferroviaire. Jusqu’à présent, le contreplaqué, constitué de plusieurs plis de diverses essences orientées simplement à 0° ou 90° n’a été utilisé comme matériau structurel que dans l’aviation jusqu’à la deuxième guerre mondiale (1) et ponctuellement dans l’automobile (2) et le nautisme de loisir. Aussi, il existe un vaste champ de recherches pour ce matériau seul ou utilisé en sandwich, et BOOST a choisi de prioriser trois thématiques scientifiques.

A 3D finite element modeling of the orthogonal turning process was curried out in the current study. It aims to carefully investigate the mechanisms controlling the chip segmentation and the crack propagation direction in the case of the Ti6Al4V machining. Coupled temperature-displacement numerical simulations were performed in the software Abaqus®/Explicit, under different cutting conditions. The instantaneous distribution of numerical thermomechanical variables along the width of cut was investigated. High plastic strains, temperatures and damage were predicted in the median plane of the workpiece, mainly in the shear bands around the tool tip vicinity. Whereas, a reduction of their values was noted while moving towards the chip sides and its upper surface. The 3D numerical simulations pointed out that the orthogonal machining resulted in an increase of the chip width, in addition to the material flow along the X and Y directions. The quantitative analysis of the side burr formation highlighted its sensitivity to the cutting conditions. The definition of high feed rates resulted in pronounced material flow in the workpiece edges, thus the modeling of wider chip. The present study concluded that the chip segmentation is a 3D mechanism. In addition, it pointed out the limitations of the 2D numerical simulations, as well as the inadequacy of the plain strain hypothesis, even in the case of the orthogonal machining.

Machining of titanium alloys workpieces, especially in Ti6Al4V which has a low machinability, has always been among the major preoccupations of the companies in the aeronautics sector. However, it is difficult, basing only on experimental tests, to well understand the mechanisms involved during the chip formation. In fact, the use of reliable numerical models that allow the access to instantaneous and very localized physical quantities is required. The presented work consists on the increase of the cutting modeling reliability. 2D and 3D numerical simulations have been performed. The Johnson-Cook constitutive model and the damage evolution criterion have been used. The preliminary 2D study focused on the mesh effect, especially the size of the finite element, its type and its interpolation function, has highlighted the importance of a convenient discretization of the model that takes into account the machining computing cost. In addition, it has been shown that a suitable choice of the formulation type is crucial. The effect of the rheological and damage (initiation and evolution) coefficients on the chip formation (morphology, strain and temperature field) has been determined. Experimental orthogonal cutting tests of the Ti6Al4V at different cutting conditions have been performed. The dependency of the chip geometry and the efforts to the cutting speed and the feed rate has been studied. Experimental results have been used in the validation of the 3D numerical models, which allow a deep study of the chip formation process. This approach has allowed an accurately reproduction of the physical phenomena that occurs in the median plan of the workpiece as well as in its sides. The predicted results have highlighted that, even in the case of orthogonal cutting process, the chip formation is a 3D phenomenon. In order to increase the reliability of 3D numerical models, a new thermo-visco-plastic law has been proposed. This law, identified and implemented in the software Abqus® through the subroutine VUMAT©, has been used to model machining process of the Ti6Al4V. It has resulted in a notable improvement of numerical results.; L’usinage des pièces en alliages de titane, notamment en Ti6Al4V qui a une faible usinabilité, a été toujours parmi les préoccupations majeures des entreprises du secteur de l’aéronautique. Toutefois, il est difficile, en se basant seulement à des essais expérimentaux, de bien comprendre les mécanismes participants à la formation du copeau. Il est alors nécessaire d’avoir recours à des modélisations numériques fiables permettant d’avoir accès à des grandeurs physiques instantanées et très localisées. Le travail présenté porte sur la fiabilisation de la modélisation de la coupe. Des simulations numériques 2D et 3D ont été mises en place. Le modèle de comportement de Johnson-Cook et le critère énergétique d’évolution d’endommagement ont été utilisés. L’étude préliminaire 2D de l’effet du maillage, notamment la taille, le type et la fonction d’interpolation des éléments finis, a souligné l’importance d’une discrétisation convenable du modèle qui tient compte du coût de calculs. De plus, il a été montré qu’un choix convenable du type de la formulation est crucial. L’effet des coefficients rhéologiques et d’endommagement (initiation et évolution) sur la formation du copeau (morphologie, champ de déformation et de température) a été déterminé. Des essais expérimentaux de la coupe orthogonale du Ti6Al4V à différentes conditions de coupe ont été effectués. La dépendance de la géométrie du copeau et des efforts à la vitesse de coupe et à l’avance a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour la validation des modèles numériques 3D qui permettent une étude fine de la formation du copeau. Cette approche a permis de reproduire fidèlement les phénomènes physiques se produisant au niveau du plan médian de la pièce tout en tenant compte de l’écoulement de la matière sur les bords. Les résultats prédits ont mis en évidence que, même dans le cas d’une coupe orthogonale, la formation du copeau est bien un phénomène 3D. Afin d’augmenter la fiabilité des modèles numériques 3D, une nouvelle loi thermo-viscoplastique a été proposée. Cette loi, identifiée et implémentée dans le logiciel Abaqus® à travers la routine VUMAT©, a été utilisée pour la simulation de l’usinage du Ti6Al4V. Elle a conduit à une amélioration notable des résultats numériques.