Angle de coupe

Usinage par outil coupant
GM*-3-PRODU1
Thibaut Chaise
Équipe Procédés de Fabrication - GMC
Plan du cours
•
Modélisation des opérations d’usinage par outil coupant
Comment définir une opération d’usinage
Paramètres géométriques, cinématiques, dynamiques
Comment calculer un temps d’usinage ?
•
Caractérisation et contraintes liées aux outils de coupe
Un peu d’histoire et d’anatomie des outils de coupe
Quelques bases pour l’aide au choix d’un outil de coupe
•
Modélisation des efforts en usinage
Comment calculer les efforts nécessaires à une opération d’usinage ?
•
Contraintes liées aux machines-outils
Comment choisir au mieux une machine-outil ou dimensionner un usinage ?
•
Vers l’optimisation
Comment usiner au plus vite ?
Comment usiner au plus économique ?
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2
Usiner oui, mais avec quel outil ?
•
Vous avez dit outil d’usinage ?
Outil = plaquette + porte-plaquette
•
Tournage
Selon les matériaux, les géométries
usinées, les opérations
Voir catalogues fournisseurs
 TP Optimisation
Source : SANDVIK
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3
Mais encore…
•
Fraisage
Fraise ARS, carbures, multi-étagées…
•
Perçage
Carbures, à plaquettes, multi-étagés, coupe au centre…
Source : SANDVIK
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Constitution d’un outil de coupe, un peu d’historique
•
Course à la dureté
-
Aciers « rapides »
Plus grandes vitesses d’usinage
possibles
-
Eléments d’alliage : W, Mo
-
Carbures de tungstène : WC
avec revêtement
-
Diamant (€€€), CBN (€)
Inserts
Source : HSS Forum
-
Céramiques
Inertes chimiquement
mais fragiles
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Quels matériaux ?
•
Aciers rapides (HSS : High Speed Steel)
+ Cr, W, Mo, V Co
↑ Dureté, résistance à la chaleur, résistance à l’usure
•
Si W>Fe, on obtient les plaquettes carbures
Fabrication par frittage
1927 – Friedrich Krupp : carbure de tungstène-cobalt Widia « Wie Diamant »
+ revêtements (TiN le plus classique) : ↑ Dureté, ↑ résistance à l’usure, ↓coeff. frottement, barrière
thermique
•
Céramiques
Oxyde d’alumine (Al2O3) + zircone (ZrO2), nitrures de silicium (Si3N4) …
Additifs pour améliorer la ténacité, la conductivité thermique,….
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Source : HSS Forum
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Principaux éléments géométriques d’un outil d’usinage
•
𝑉𝑐
Un zoom sur l’outil de référence : plaquette de tournage
Comme pour la modélisation, les considérations suivantes sont généralisables pour toutes les
opérations d’usinage par outil coupant. Voir TP Perçage.
•
Un outil…
…coupe la matière au niveau de l’arrête de coupe
𝑉𝑓
celle-ci s’écoulant sur la face de coupe.
•
𝑉𝑐
Des points de repères géométriques
Bec de l’outil ●
N
Face de dépouille
Arrête et face de dépouille secondaires
Rayon de bec Rε
Rε
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ap
𝑉𝑓
o
Pr
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Principaux éléments géométriques d’un outil d’usinage
•
Un zoom sur l’outil de référence : plaquette de tournage
Comme pour la modélisation, les considérations suivantes sont généralisables pour toutes les
opérations d’usinage par outil coupant. Voir TP Perçage.
•
Un outil…
…coupe la matière au niveau de l’arête de coupe
κ
celle-ci s’écoulant sur la face de coupe.
•
Des points de repères géométriques
•
et des angles caractéristiques
𝑉𝑐
λ
N
Angle de direction d’arête κ
ap
Angle de coupe γ
𝑉𝑓
Angle d’inclinaison d’arête λ
Angles dus à l’orientation de l’outil et
de son porte-outil
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γ
o
Pr
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Définition des angles d’outil
•
Définition précise des angles de coupe : cf méthodologie.
Voir TD sur le tronçonnage et TP Perçage
•
Les angles présentés sont les angles d’outil « en main »
•
Détermination des angles de coupe outil en main
Spécifier la face de coupe, face de dépouille et arête de coupe
Déterminer les vecteurs Vc et Vf en un point O de l’arrête de coupe
Associer le repère (O,X0,Y0,Z0)
Identifier les plans de l’outil (en main) Pr, Pf, Po et Ps
{Pr ┴ Vc} ; {Pf = (Vf, Vc)} ; {Ps contient l’arête et ┴ Pr} ; {Po ┴ Pr et Ps)}
Projeter la plaquette dans ces plans pour identifier les angles de l’outil
Dans Pr : angle de direction d’arête κ
Dans P0 : angles des face : γ0 α0 β0
Dans Ps : angle d’inclinaison d’arête λ
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Pourquoi connaître ces angles d’outils ?
•
Car ils influence sur :
La longueur d’arête en travail
L’entrée en matière en début de passe
La sortie de passe
La fragilité en pointe de l’outil
La direction de dégagement du copeau
La robustesse et la réversibilité de la plaquette
…
•
Une fois encore, le but n’est pas de former des spécialistes des outils de coupe
mais d’entrevoir la complexité des outils et de maîtriser les bases élémentaires.
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Angle de direction d’arête
•
L’angle de direction d’arête κ
représente l’orientation de l’arête de coupe par rapport à la direction d’avance de l’outil dans le
plan de référence Pr
Influe sur la géométrie usinable, l’épaisseur de copeau (et donc les efforts), la fragilité de la
pointe de l’outil…
𝑉𝑓

A
Pr
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Source : SANDVIK
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Angle de direction d’arête
•
L’angle de direction d’arête κ
représente l’orientation de l’arête de coupe par rapport à la direction d’avance de l’outil dans le
plan de référence Pr
Influe sur la géométrie usinable, l’épaisseur de copeau (et donc les efforts), la fragilité de la
pointe de l’outil…
𝑉𝑐
A
Coupe A-A
e
𝑉𝑓

A
Plan
orthogonal
Pr
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Angles des faces
•
Dans le plan orthogonal Po
Trois angles, définis par rapport à la vitesse de coupe
Plan
orthogonal
Signes :
γo>0
αo>0
𝑉𝑐
Angle de coupe γo, par rapport à la face
de coupe
qui joue directement et principalement
sur les efforts de coupe
Angle de dépouille αo, par rapport à la
face… de dépouille
qu’on prendra soin de garder positif pour
αo+β+γo=90°
γo
αo
éviter le talonnage, αo~5-6°
Et angle de taillant β
caractéristique de l’outil lui-même et non
β
de son orientation
Face de coupe
Face de dépouille
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Angle de coupe
•
Choix de l’angle de coupe
Fonction du matériau et de sa dureté
Ex : comment découper le beurre en fonction du réglage de son frigo…
•
Angles de coupe positifs
Dans le plan Po
orthogonal à l’arête de
coupe et contenant Vc
𝑉𝑐
Pour l’usinage de matériaux mous
γo>0
+ Efforts moindres : réduction des vibrations, pour machines
moins puissantes ou peu rigides…
- Fragilité de l’outil coupant…
•
Angles de coupe négatifs
𝑉𝑐
Pour l’usinage de matériaux durs
+ Réversibilité de la plaquette, usinage au choc…
- Efforts importants, machines de plus grande puissance et rigidité,…
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γo<0
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Angle de coupe
•
Exemple de simulation numérique (Éléments Finis)
Usinage de l’alliage de Titane
γo (°)
Ti-6Al-4V
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a)
-6
b)
 Effet de l’angle de coupe γ0 et de
l’avance f sur la segmentation du
0,06
copeau
SEDG : Endommagement dans le copeau
Données complémentaires :
c)
d)
Vc = 120m/min
µf = 0.7 (coeff. de
0,10
frottement)
f (mm/tr)
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Angle d’inclinaison d’arête
𝑉𝑐
λ
•
N
ap
Déf. : direction de l’arête de coupe
𝑉𝑓
par rapport à Pr dans le plan Ps
o
contenant l’arête et orthogonal à Pr
≈ orientation de l’arête de coupe autour de l’axe
Pr
de rot
•
Exemple :
λ<0, vers Vc
Pr
influence sur la direction
λ>0
d’évacuation des copeaux
o
Vf
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o
Copeaux
Vf
Arêtes de coupe
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Brise-copeau
•
Les outils de coupe ont sur leur face de coupe un brise-copeaux
 fragmentation des copeaux pour éviter la formation de pelotes et la dégradation de la surface
usinée
 Domaine de fonctionnement défini pour chaque outil, donnée constructeur
Géométries spécifiques selon le type d’opération
Exemple de diagramme
brise-copeaux
Domaine de
bon
fonctionnement
de l’outil
Source : Sandvik
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Influence de l’acuité de l’arête
•
Pour une épaisseur de copeau e trop faible :
Découpe de la matière impossible
Dans le plan Po
orthogonal à l’arête de
coupe et contenant Vc
 écrouissage de la surface
épaisseur mini liée à la matière découpée et à l’outil
(usure, matériau, acuité de l’arête…)
•
𝑉𝑐
e
En première approche on prendra emini=0.1mm
Voir TD (ex contraintes d’usinage)
et TP (influence sur la rugosité)
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De l’influence des caractéristiques géométriques de l’outil
•
Quelles sont les principales influences de ces différents paramètres à prendre en
compte pour le choix des conditions de coupe ?
Angle de direction d’arête κ : géométries réalisables, épaisseur de copeau
Rε : état de surface ?... A nuancer…
Pour éviter d’usiner « dans le rayon » on prendra toujours 𝑎𝑝 ≥ 2 3 𝑅𝜀
 c’est l’avance qui jouera au 1er ordre sur l’état de surface
Angle de coupe γo : efforts, à choisir selon le type de matériau (durs γo<0)
Angle de dépouille αo : R.A.S. sauf cas particuliers (cf. TD)
Domaine de fonctionnement du brise-copeau
•
A ajuster selon l’opération
Ebauche : max. de matière, efforts conséquents => outil à forte ténacité, choix de κ, γo, αo
Finition : priorité état de surface, grande vitesse de coupe => outil à forte résistance à l’usure, choix
sur Rε
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Angles d’outils en main vs. angles d’outils en travail
•
Jusqu’ici… Angles d’outil définis par rapport à la vitesse de coupe Vc
En pratique, la vitesse d’écoulement de la matière est Vo/p=Vc+Vf
Dans quelques cas d’application (voir TD) l’orientation de la vitesse outil/pièce aura une influence
sur la définition des angles des faces (coupe γ et dépouille α)
•
Si Vc≈Vf on définit les angles des faces par rapport à Vo/p :
Tronçonnage κ=90°
Arête outil ┴ axe
rotation pièce
Po
Pr
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Angles d’outils en main vs. angles d’outils en travail
•
Jusqu’ici… Angles d’outil définis par rapport à la vitesse de coupe Vc
•
Si Vc≈Vf on définit les angles des faces par rapport à Vo/p :
Po(rthogonal)
D
Conséquences :
Xo
Vo/p
Angles de coupe et de
VC
dépouille effectifs
i
Yo
γe=γ0+i
αe=α0-i
Vf
γ0
α0
αe
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β
γe
Pr
Avec 𝑖 = 𝑎𝑡𝑎𝑛
𝑉𝑓
𝑉𝑐
Si αe≤0 : talonnage
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Vie et mort d’un outil
•
Endurance et usure de l’outil
Constatations expérimentales
Face de
coupe
Face de dépouille
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Causes de l’usure
•
Contact mécanique outil/pièce : efforts et frottements importants
 Usure par adhésion et par abrasion
•
Echauffement
 Usure par oxydation et diffusion
•
Sources variables selon
les domaines d’usinage
•
D’où revêtements des
plaquettes :
 + grande résistance à l’usure
mécanique
 Effet de barrière thermique
Source : http://plasmas.agmat.asso.fr
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Mesure de l’usure
•
Deux éléments géométriques
Cratère sur la face de coupe : profondeur du cratère Kt
 Mesure délicate
Bande d’usure sur la face de dépouille : largeur de la bande VB
 Plus facile à mettre en œuvre
•
Corrélation entre ces deux éléments ?
Si les phénomènes d’usure sur les faces de coupe et de dépouille
sont corrélés, il suffit de mesure VB pour avoir une vision représentative de l’usure de l’outil
 A confirmer lors d’une étude de cas
 Voir TP Usure
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Évolution de l’usure
•
Observons l’évolution de l’usure (en dépouille, soit VB) en fonction du temps
d’usinage
Identification de trois zones de fonctionnement (échelle log)
VB
I – Phase de rodage : usure rapide
II – Phase d’usure lente et quasi linéaire
III – Phase de rupture brutale, effondrement de l’arête
VB

Choix d’une valeur limite de VBlim
(norme) fixant la durée de vie de la
VBlim
plaquette T
-
I
II
de l’outil
III
T
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Assurer une durée de vie suffisante
tu [log]
-
Éviter la rupture pendant un
usinage
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Influence des paramètres d’usinage
•
On fait varier la vitesse de coupe Vc uniquement
Tous autres paramètres d’usinage constants
Mesure de la durée de vie T de l’outil pour un critère Vblim fixé
T [log]
Courbe expérimentale
Comportement quasi linéaire dans le
domaine de vitesses d’usinage :
Modèle de Taylor
log(T) = n.log(Vc) + cte
 T = C. Vcn
Valable uniquement dans le
domaine de linéarité
Domaine de
validité du
modèle
Vc [Log]
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Modèle de Taylor généralisé
•
On retrouve une dépendance linéaire (sur une échelle log-log) en faisant varier
l’avance f et la profondeur de passe ap
 Modèle de Taylor généralisé :
T = k . apl . fm . Vcn
•
k dépend du Couple Outil Matière… Attention aux unités !
k en (min1+nmm-l-m-n103n) ?... A exprimer en unités C.U. (conventionnelles en usinage)
•
Les coefficients l, m et n ne dépendent que du matériau constituant l’outil
Avec l ≈ n/6 et m ≈ n/3
(l, m, n) < 0, une forte valeur (absolue) de n indique une forte dépendance de la durée de vie à la
vitesse donc un matériau peu résistant à l’usure
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Données du modèle de Taylor généralisé
•
Cas général :
Matériau outil connu – Données issues de la littérature/constructeurs pour n et donc l et m
Matériau
outil
Aciers
Rapides
Ordinaires
ARO
Aciers
Rapides
Supérieurs
ARS
Carbures
métalliques
frittés
Carbures
revêtus
Céramique,
CBN
n
-8
-6
-4
-3
-2
Un seul essai d’usure à faire pour déterminer k
 Modèle de Taylor utilisable pour tout triplet (Vc,f,ap) contenu dans le domaine de validité
•
Pour déterminer plus précisément les coefficients de la loi d’usure :
Au minimum 9 essais d’usure jusqu’à Vblim
 Détermination de k, l, m et n par expérimentation
Cf TP Usure
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Un outil standard
•
Plaquette en carbure de tungstène WC, revêtement TiN
Choix de la nuance selon l’application :
(E) nuance résistance aux chocs et efforts
•
(F) nuance résistante à l’usure
C1 N2 M3 G4 125 046 087 – F8 R9 – PF10
1 – Forme de la plaquette : orthorhombique d’angle 80°
2 – Angle de dépouille de la plaquette : 0°
3 – Tolérances : ± 0.08 mm
4 – Type de plaquette
5 – Taille du logement : iC=12mm
6 – épaisseur de la plaquette : s=4.76mm
7 – Rayon de bec : Rε=0.8mm
8 – Etat de l’arête de coupe : vive
9 – Sens de coupe
10 – Options propres au fabricant : ici finition
Source : SANDVIK
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