Usinage par outil coupant GM*-3-PRODU1 Thibaut Chaise Équipe Procédés de Fabrication - GMC

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1 Usinage par outil coupant GM*-3-PRODU1 Thibaut Chaise Équipe Procédés de Fabrication - GMC

2 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? 2

3 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 3

4 Mais encore Fraisage Fraise ARS, carbures, multi-étagées Perçage Carbures, à plaquettes, multi-étagés, coupe au centre Source : SANDVIK 4

5 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 5

6 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,. Source : HSS Forum 6

7 Principaux éléments géométriques d un outil d usinage Un zoom sur l outil de référence : plaquette de tournage V c 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 celle-ci s écoulant sur la face de coupe. V f Des points de repères géométriques V c Bec de l outil Face de dépouille N Arrête et face de dépouille secondaires Rayon de bec R ε V f o a p R ε P r 7

8 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 celle-ci s écoulant sur la face de coupe. κ Des points de repères géométriques V c et des angles caractéristiques Angle de direction d arête κ Angle de coupe γ Angle d inclinaison d arête λ λ N V f o a p Angles dus à l orientation de l outil et de son porte-outil γ P r 8

9 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 V c et V f en un point O de l arrête de coupe Associer le repère (O,X 0,Y 0,Z 0 ) Identifier les plans de l outil (en main) P r, P f, P o et P s {P r V c } ; {P f = (V f, V c )} ; {P s contient l arête et P r } ; {P o P r et P s )} Projeter la plaquette dans ces plans pour identifier les angles de l outil Dans P r : angle de direction d arête κ Dans P 0 : angles des face : γ 0 α 0 β 0 Dans P s : angle d inclinaison d arête λ 9

10 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. 10

11 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 P r Influe sur la géométrie usinable, l épaisseur de copeau (et donc les efforts), la fragilité de la pointe de l outil V f P r A Source : SANDVIK 11

12 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 P r Influe sur la géométrie usinable, l épaisseur de copeau (et donc les efforts), la fragilité de la pointe de l outil V f A V c e Coupe A-A P r A Plan orthogonal 12

13 Angles des faces Dans le plan orthogonal P o Trois angles, définis par rapport à la vitesse de coupe Plan orthogonal V c Signes : γ o >0 α o >0 Angle de coupe γ o, par rapport à la face de coupe qui joue directement et principalement sur les efforts de coupe Angle de dépouille α o, par rapport à la face de dépouille α o +β+γ o =90 α o β γ o qu on prendra soin de garder positif pour éviter le talonnage, α o ~5-6 Et angle de taillant β caractéristique de l outil lui-même et non de son orientation Face de coupe Face de dépouille 13

14 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 Pour l usinage de matériaux mous + Efforts moindres : réduction des vibrations, pour machines moins puissantes ou peu rigides Dans le plan P o orthogonal à l arête de coupe et contenant V c V c γ o >0 - Fragilité de l outil coupant Angles de coupe négatifs V c Pour l usinage de matériaux durs + Réversibilité de la plaquette, usinage au choc - Efforts importants, machines de plus grande puissance et rigidité, γ o <0 14

15 Angle de coupe Exemple de simulation numérique (Éléments Finis) Usinage de l alliage de Titane Ti-6Al-4V γ o ( ) 15 a) b) - 6 Effet de l angle de coupe γ 0 et de l avance f sur la segmentation du copeau 0,06 SEDG : Endommagement dans le copeau Données complémentaires : V c = 120m/min c) d) µ f = 0.7 (coeff. de frottement) 0,10 f (mm/tr) 15

16 Angle d inclinaison d arête V c λ N Déf. : direction de l arête de coupe par rapport à P r dans le plan P s V f o a p contenant l arête et orthogonal à P r orientation de l arête de coupe autour de l axe de rot P r Exemple : influence sur la direction d évacuation des copeaux Pr λ<0, vers V c λ>0 o o Vf Copeaux Vf Arêtes de coupe 16

17 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 17

18 Influence de l acuité de l arête Pour une épaisseur de copeau e trop faible : Découpe de la matière impossible Dans le plan P o orthogonal à l arête de coupe et contenant V c écrouissage de la surface épaisseur mini liée à la matière découpée et à l outil (usure, matériau, acuité de l arête ) V c En première approche on prendra e mini =0.1mm e Voir TD (ex contraintes d usinage) et TP (influence sur la rugosité) 18

19 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 R ε : état de surface?... A nuancer Pour éviter d usiner «dans le rayon» on prendra toujours a p c est l avance qui jouera au 1 er ordre sur l état de surface 2 3 R ε Angle de coupe γ o : efforts, à choisir selon le type de matériau (durs γ o <0) Angle de dépouille α o : 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, γ o, α o Finition : priorité état de surface, grande vitesse de coupe => outil à forte résistance à l usure, choix sur R ε 19

20 Angles d outils en main vs. angles d outils en travail Jusqu ici Angles d outil définis par rapport à la vitesse de coupe V c En pratique, la vitesse d écoulement de la matière est V o/p =V c +V f 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 V c V f on définit les angles des faces par rapport à V o/p : Tronçonnage κ=90 Arête outil axe rotation pièce P o P r 20

21 Angles d outils en main vs. angles d outils en travail Jusqu ici Angles d outil définis par rapport à la vitesse de coupe V c Si V c V f on définit les angles des faces par rapport à V o/p : P o(rthogonal) Conséquences : X o Angles de coupe et de D V o/p i V C dépouille effectifs γ e =γ 0 +i α e =α 0 -i Y o V f α 0 β γ 0 γe P r Avec i = atan V f V c Si α e 0 : talonnage α e 21

22 Vie et mort d un outil Endurance et usure de l outil Constatations expérimentales Face de coupe Face de dépouille 22

23 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 : 23

24 Mesure de l usure Deux éléments géométriques Cratère sur la face de coupe : profondeur du cratère K t 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 24

25 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) I Phase de rodage : usure rapide VB II Phase d usure lente et quasi linéaire III Phase de rupture brutale, effondrement de l arête VB lim VB Choix d une valeur limite de VB lim (norme) fixant la durée de vie de la plaquette T I II III T t u [log] - Assurer une durée de vie suffisante de l outil - Éviter la rupture pendant un usinage 25

26 Influence des paramètres d usinage On fait varier la vitesse de coupe V c uniquement Tous autres paramètres d usinage constants Mesure de la durée de vie T de l outil pour un critère Vb lim fixé Comportement quasi linéaire dans le domaine de vitesses d usinage : log(t) = n.log(v c ) + cte T = C. V n c T [log] Courbe expérimentale Modèle de Taylor Valable uniquement dans le domaine de linéarité Domaine de validité du modèle V c [Log] 26

27 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 a p Modèle de Taylor généralisé : T = k. a pl. f m. V c n k dépend du Couple Outil Matière Attention aux unités! k en (min 1+n mm -l-m-n 10 3n )?... 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 27

28 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 Un seul essai d usure à faire pour déterminer k Modèle de Taylor utilisable pour tout triplet (V c,f,a p ) 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 Vb lim Détermination de k, l, m et n par expérimentation Cf TP Usure 28

29 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 C 1 N 2 M 3 G F 8 R 9 PF 10 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 29

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