En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l'utilisation de cookies pour vous proposer des contenus et services adaptés à vos centres d'intérêts. En savoir plus et gérer ces paramètres. OK X
 
 

 

 

Actualité des entreprises

Évolution des modèles d’épaisseur de copeau pour le fraisage

Publication: 12 juillet

Partagez sur
 
Plusieurs facteurs déterminent les résultats des méthodes d’usinage...
 

L’un des plus importants et des moins compris est l’« épaisseur des copeaux » générés par l’outil coupant. Fondamentalement, l’« épaisseur de copeau » est la mesure de l’épaisseur du matériau non déformé à un angle droit par rapport à l’arête de coupe. Cette épaisseur est notamment en étroite corrélation avec les forces exercées sur l’outil et sur la pièce à usiner. Une épaisseur de copeau excessive provoque l’écaillage et la rupture de l’arête de coupe, tandis qu’une épaisseur insuffisante entraîne l’usure rapide de l’arête.

En déterminant et en contrôlant l’épaisseur de copeau, le fabricant peut optimiser sa productivité, adapter ses méthodes d’usinage aux différentes matières à usiner et maîtriser ses coûts. Nombre de fabricants ne comprenant pas bien l’importance de l’épaisseur de copeau surchargent ou sous-utilisent leurs outils coupants, ce qui influe négativement sur leur productivité et sur la durée de vie de leurs outils.

Cela dit, il existe des modèles mathématiques qui aident à comprendre l’importance fonctionnelle de l’épaisseur de copeau. Les modèles d’épaisseur de copeau sont passés de simples équations décrivant les copeaux générés en tournage constant à des formules complexes tenant compte de nombreuses variables dans l’environnement d’usinage interrompu du fraisage.

Modèles d’épaisseur de copeau pour le fraisage

Dans le cas des opérations de tournage continu, l’épaisseur de copeau reste inchangée. En fraisage, toutefois, l’épaisseur des copeaux change continuellement à mesure que l’arête de coupe rentre et ressort de la matière à usiner.

Afin de simplifier la compréhension de l’épaisseur de copeau en fraisage, des chercheurs en usinage ont élaboré il y a environ 40 ans le concept d’épaisseur moyenne de copeau. La formule de ce concept crée mathématiquement un copeau théorique d’une épaisseur moyenne constante. Le modèle d’épaisseur moyenne de copeau a permis de mieux comprendre et contrôler le processus de fraisage.

Pour déterminer l’épaisseur moyenne de copeau, il convient de tenir compte de l’engagement radial de la fraise dans la matière à usiner, de la géométrie et de l’angle de l’arête de coupe, ainsi que de l’avance. En modifiant la l’avance, le fraiseur peut agir sur l’épaisseur de copeau.

Le degré d’engagement radial de la fraise dans la matière à usiner peut aller d’un faible pourcentage de son diamètre à 100 % de celui-ci dans une opération de rainurage. Un faible engagement radial produit des copeaux plus fins. À mesure que l’engagement radial augmente, l’épaisseur du copeau atteint son maximum à 50 % du diamètre de fraise. Au-dessus de 50 %, les copeaux recommencent à s’affiner.

La préparation de l’arête de coupe influe également sur l’épaisseur de copeau. En règle générale, l’épaisseur de copeau doit au minimum être égale au rayon de l’arête de coupe. Par exemple, dans le cas d’une arête de 60 µm de rayon, il conviendra d’ajuster l’avance de manière à produire un copeau d’au moins 60 µm d’épaisseur. Si l’avance est insuffisante, l’arête frottera et ne parviendra pas à couper la matière.

Les préparations des arêtes de coupe des outils de fraisage augmentent généralement le rayon de l’arête afin de la protéger contre l’écaillage et la rupture. Il s’agit notamment de tonnelage. Elles permettent des avances plus agressives pour le fraisage de matériaux difficiles ou de surfaces d’ébauche. L’objectif consiste à former le copeau derrière l’arête de coupe et ainsi éviter de concentrer la pression et l’impact là où ils accéléreraient l’usure ou la rupture de l’arête. Ajuster l’avance permet de déplacer la formation des copeaux et de contrôler leur épaisseur. En l’augmentant, les copeaux s’épaississent, en la réduisant, ils s’affinent.

L’angle de l’arête de coupe influe directement sur l’épaisseur de copeau. Avec un angle de 90 degrés, comme dans le cas d’une fraise à surfacer-dresser, l’épaisseur de copeau est égale à 100 % de l’avance. À 45 degrés, cependant, l’épaisseur de copeau est égale à 70 % de l’avance. Ceci parce que le copeau se forme sur une plus grande longueur de l’arête de coupe. En réduisant l’angle de l’arête de coupe, le copeau s’affine. Il convient alors d’augmenter l’avance afin de maintenir l’épaisseur de copeau souhaitée.

Application de l’équation de l’épaisseur moyenne de copeau L’équation de l’épaisseur moyenne de copeau tient compte de l’angle de l’arête de coupe de l’outil et de l’engagement radial de la fraise. La figure 3 est un graphique de l’équation appliquée en contournage, en bleu, et en fraisage central, en rouge. Sur le graphique principal, l’engagement radial de la fraise est comparé au diamètre de la fraise sous la forme du rapport Ae/Dc. Le petit graphique dans le coin supérieur de la figure trace la courbe de l’effet de l’angle de l’arête de coupe.

La figure illustre une situation où la formule d’épaisseur moyenne de copeau n’est pas tout à fait efficace. En cas de contournage avec un engagement radial très faible par rapport au diamètre de la fraise, la formule ne fonctionne pas correctement (voir la ligne pointillée). En fraisage central, lorsqu’au moins 50 % de la fraise est engagée dans la coupe, la ligne rouge montre une augmentation constante de l’avance. Cela est contraire à l’expérience pratique, où un plus grand engagement de la fraise veut généralement que l’avance diminue. Donc, le modèle d’épaisseur moyenne de copeau est plus utile lorsque l’engagement radial est supérieur à 20-25 % du diamètre de fraise et inférieur à 50-75 % de cette valeur.

Le modèle d’épaisseur moyenne de copeau repose sur des facteurs géométriques et simplifie une situation complexe. Des décennies d’application ont montré que l’utilisation du modèle d’épaisseur moyenne de copeau dans les équations de durée de vie de l’outil fournit des estimations exactes à plus ou moins 15 %. Ce taux de précision est suffisant pour les calculs de puissance et de couple, ainsi que pour de nombreuses opérations dans des matériaux couramment usinés. En outre, la durée et les efforts de calculs nécessaires pour résoudre manuellement l’équation de l’épaisseur moyenne de copeau sont raisonnables.

Toutefois, lorsque les applications nécessitent un plus haut degré de précision ou que le fraisage implique ce que l’on appelle des matériaux difficiles à usiner, un modèle incluant des facteurs supplémentaires est nécessaire.

Épaisseur de copeau équivalente

Le chercheur suédois Sören Hägglund a mis au point un modèle plus global fournissant une mesure appelée épaisseur de copeau équivalente, qui permet de prédire la durée de vie de l’outil avec une précision de plus ou moins 2 %. Dans le modèle illustré à la figure 4, l’arc jaune représente les différentes épaisseurs du copeau réel généré par la fraise. La barre orange, qui illustre le concept d’épaisseur moyenne de copeau, est une version non déployée du copeau jaune. La barre bleue représente l’épaisseur de copeau équivalente. La principale différence est que le modèle d’épaisseur de copeau équivalente tient compte du temps que l’arête passe dans la coupe. Cela est important, car lorsque la proportion de la fraise engagée dans la matière varie, la durée d’engagement de l’arête dans la coupe change et l’épaisseur du copeau généré change également..

Le modèle d’épaisseur de copeau équivalente tient également compte de l’influence du rayon de l’outil sur l’épaisseur du copeau. Le modèle utilise un concept initialement mis au point pour les opérations de tournage, par l’ingénieur suédois Ragnar Woxén, dans les années 1930. La formule de Woxén calcule l’épaisseur théorique du copeau le long du rayon de l’outil. Le résultat correspond au rayon de l’outil redressé et permet de décrire la zone de copeau à l’aide d’un rectangle.

Calculer l’épaisseur de copeau aide les fabricants à éviter les problèmes qui se posent lorsque les copeaux sont plus fins qu’une certaine limite inférieure ou plus épais qu’une limite supérieure définie. Lorsque l’engagement radial augmente par rapport au diamètre de la fraise, l’avance doit être diminuée afin de maintenir la même épaisseur de copeau. Cela garantit que l’épaisseur du copeau maximale ne devienne excessive, une condition qui réduirait la durée de vie de l’outil et finirait par casser la fraise.

D’autre part, produire des copeaux plus épais qu’une certaine limite inférieure est particulièrement important lors de l’usinage de matériaux sujets à l’écrouissage comme les superalliages et le titane. Une arête de coupe générant des copeaux trop fins crée une zone écrouie qui est coupée par les arêtes de coupe suivantes. Couper cette zone écrouie du matériau accélère l’usure de l’outil et peut diviser par trois sa durée de vie.

De nombreux ateliers usinent des matériaux sujets à l’écrouissage de la même manière que les aciers trempés, en diminuant les profondeurs de passe et les vitesses d’avance. Ainsi, les fraises fonctionnent souvent selon des paramètres produisant des épaisseurs de copeau insuffisantes, avec des résultats médiocres. Choisir un fraisage conventionnel ou un fraisage en avalant (voir encadré) influe également sur l’épaisseur de copeau et sur l’usinage des matériaux sujets à l’écrouissage.

Conclusion

Contrôler l’épaisseur de copeau est essentiel pour réussir les opérations de fraisage. Pour tirer pleinement parti des concepts d’épaisseur de copeau, il convient tout d’abord de calculer l’épaisseur de copeau équivalente, puis de déterminer les limites minimale et maximale d’épaisseur de copeau.

Le modèle complexe de l’épaisseur de copeau équivalente comprenant un nombre non négligeable de variables, les calculs nécessaires pour résoudre l’équation demandent beaucoup plus de temps et d’efforts que le modèle simplifié de l’épaisseur moyenne de copeau. Effectuer les calculs manuellement dans un environnement de production n’est efficace ni en matière de coûts ni en matière de temps.

Cependant, la disponibilité de programmes informatiques pour le calcul des paramètres de coupe, tels que ceux offerts par Seco, permet aux utilisateurs de saisir des données et de résoudre les équations en quelques secondes. Il en résulte des processus de fraisage optimisés qui améliorent la productivité et la rentabilité.

Encadré

Épaisseur de copeau et méthode de fraisage Le concept d’épaisseur de copeau équivalente est associé à la façon dont les copeaux se forment. En fraisage, la formation des copeaux se produit de deux manières distinctes. Elles dépendent de la rotation de la fraise par rapport au mouvement de la pièce. Les deux méthodes sont le fraisage conventionnel en opposition et le fraisage en avalant. Dans le cas du fraisage conventionnel, la fraise tourne dans le sens inverse de l’avance de la pièce. Dans le cas du fraisage en avalant, la fraise tourne dans le même sens que l’avance de la pièce.

Dans le cas du fraisage conventionnel, l’arête de coupe pénètre la pièce à une profondeur de passe de zéro. Le copeau commence à se former à son épaisseur minimale et se termine à son épaisseur maximale. À l’inverse, le copeau généré par le fraisage en avalant commence à se former à son épaisseur maximale et se termine à son épaisseur minimale.

En fraisant selon l’approche conventionnelle, l’arête de coupe frotte contre la pièce avant de couper, et le copeau fin absorbe mal la chaleur. Les deux conditions contribuent à l’écrouissage de la surface de la pièce et à la réduction de la durée de vie de l’outil. Les copeaux chutent devant la fraise où ils peuvent être retaillés, ce qui altère l’état de surface. En fraisage horizontal, les efforts de coupe ascendants peuvent soulever la pièce, obligeant à utiliser des dispositifs de serrage complexes.

Le fraisage en avalant est préférable pour plusieurs raisons. Il élimine la friction de l’arête de coupe à son entrée dans la coupe, ce qui maximise la durée de vie de l’outil et réduit la production de chaleur. Moins de puissance machine est nécessaire et les copeaux chutent derrière la fraise pour être au minimum retaillés. L’état de surface et la durée de vie de l’outil s’en trouvent ainsi améliorés. L’action de coupe génère une force descendante, ce qui aide à stabiliser la pièce et simplifie le serrage. L’épaisseur initiale du copeau lui permet d’absorber la chaleur et de minimiser l’écrouissage de la surface de la pièce lors de l’usinage de matériaux tels que les superalliages, l’acier inoxydable et le titane.

Toutefois, les forces descendantes créées lors du fraisage en avalant peuvent engendrer un jeu de la table d’usinage, en particulier sur les machines manuelles ou anciennes. Ce jeu nuit à la précision et augmente les contraintes sur la fraise au point qu’elle peut casser. Ainsi, l’approche de fraisage conventionnel peut être nécessaire dans des situations impliquant des machines et des pièces moins stables.

Le fraisage conventionnel peut également être préférable pour le fraisage de pièces coulées, forgées ou cémentées. Ceci parce que la coupe conventionnelle commence sous la surface brute ou traitée du matériau, alors que dans le cas du fraisage en avalant, la pénétration de l’outil dans la pièce à l’épaisseur de copeau maximale peut provoquer l’écaillage de l’arête de coupe au moment où elle se heurte à la zone traitée.

Suivez Industrie Mag sur le Web

 

Newsletter

Inscrivez-vous a la newsletter d'Industrie Mag pour recevoir, régulièrement, des nouvelles du site par courrier électronique.

Email: