Paramètres de coupe en tournage

Paramètres de coupe en tournage

Formation du copeau

L’analyse des mécanismes de formation du copeau lors du processus d’usinage est le pas fondamental pour toute étude dans le domaine de la coupe, à titre d’exemple l’optimisation du choix des outils et prédiction de leur durée de vie.
Durant ce processus, différents phénomènes peuvent avoir lieu tels que les déformations plastiques, le contact et le frottement entre l’outil et la pièce, les effets thermiques, l’usure, etc….
Si l’on examine la courbe de traction d’un acier on observe trois zones :
– oa : Déformation élastique (réversible)
– ab : Ecoulement du métal
– bc : Déformation plastique (irréversible)
– à partir de c : Rupture
Dans le cadre de la formation du copeau, nous nous intéresserons à la déformation plastique, qui consiste dans le glissement de certaines couches de la matière par rapport à d’autres suivant des plans de cisaillement. Ces glissements provoquent :
– la modification de la forme, des dimensions et des positions relatives des grains du métal.
– un échauffement important et modifications des propriétés de la matière à usiner.

Principe de la coupe orthogonale en tournage

La configuration de la coupe orthogonale en tournage nécessite que l’arête de coupe soit perpendiculaire aux vitesses de coupe ?? et d’avance de l’outil. Dans la pratique, deux procédés classiques permettent d’obtenir ces conditions : le tournage de tube en bout et l’usinage de palier. Dans ce cas, l’arête de coupe est rectiligne, perpendiculaire au mouvement d’avance de l’outil. Cette configuration de coupe n’a quasiment pas d’applications industrielles, mais elle est intéressante, par les simplifications géométriques et cinématiques qu’elle induit, pour l’étude des phénomènes apparaissant lors de la coupe tel que le broutement. Les conditions de coupe se limitent à la vitesse de coupe et à l’avance par tour.
L’épaisseur du copeau restant faible par rapport à sa largeur. La coupe se modélise par un problème de déformations planes (les phénomènes entrant en jeu dans des plans perpendiculaires à l’arête de coupe sont identiques). En régime stationnaire et à vitesse de coupe constante, il est donc possible de tracer une représentation plane de la coupe.
la surface de coupe (pente d’affûtage ou surface de dégagement) c’est la surface sur laquelle s’écoule le copeau.
la surface de dépouille, c’est la surface en regard de la surface usinée sur la pièce et elle a pour objet d’éviter le talonnage de l’outil sur la pièce,
l’angle de coupe γ (pente d’affûtage ou angle de dégagement), c’est l’angle que fait la surface usinée avec une surface qui lui est perpendiculaire et il peut être positif ou négatif.
l’angle de dépouille α, c’est l’angle que fait la surface de dépouille avec la vitesse de coupe

Les quatre zones

Zone de cisaillement primaire
La zone de cisaillement primaire est le lieu où s’effectue le changement de direction de la matière usinée qui passe de la vitesse de coupe Vc à la vitesse du copeau Vcop. C’est une zone intense de déformation qui s’étend de la pointe de l’outil jusqu’à la surface libre du copeau. Dans de nombreux modèles de coupe, la zone de cisaillement primaire est idéalement représentée par un plan (dit de « cisaillement ») incliné d’un angle Φ par rapport à la direction de coupe. L’angle de cisaillement Φ est alors géométriquement relié à h, hc et γ.
Zone de cisaillement secondaire
Les phénomènes de frottement à l’interface outil-copeau induisent également des déformations plastiques dans une région du copeau adjacente à la face de coupe de l’outil. Dans cette zone de cisaillement secondaire la matière est soumise à de forts taux de cisaillement et subit une forte élévation de température en plus de celle subie lors du passage dans la zone de cisaillement primaire.
Zone de cisaillement tertiaire
Le contact entre l’outil (au niveau du bec et de la face en dépouille) et la surface usinée peut également provoquer des déformations plastiques dans la pièce.
Elles sont beaucoup moins intenses que dans les deux précédentes zones de déformation, mais d’elles dépendent aussi la qualité de la surface usinée (rugosité et contraintes résiduelles).
Zone de séparation de la matière
Dans la dernière zone, la zone de fissuration de la matière la pointe de l’outil joue un rôle très important. Très localement une compression très élevée suivi d’une fissuration de la matière et très hautes températures sont observes. Dans certains cas une arrête rapporte se former sur la face de coupe de l’outil.

Modèle de Merchant

Dans le modèle de Merchant, il a utilisé une formulation et une approche purement énergétique. Il se place dans le cadre des déformations planes à partir des hypothèses de la coupe orthogonale. Il suppose que la formation du copeau se fait le long d’une ligne de cisaillement A/A inclinée par rapport à la direction de la vitesse de coupe d’un angle Φ. C’est la variation brutale de la direction du vecteur de vitesse qui est à l’origine de ce cisaillement.
Les principales hypothèses de Merchant liées à ce modèle sont :
– La configuration d’usinage correspond à une situation de coupe orthogonale.
– l’avance f est grande devant la taille de la structure cristalline du matériau.
– le rayon d’arête de l’outil est nul (la pointe de l’outil est assimilée à un point).
– l’épaisseur du copeau est constante sans vibration (régime de coupe stationnaire).
– le copeau se forme par glissements internes suivant des « plans de cisaillement » à volume constant.
– l’interface outil/copeau est le siège d’un frottement de type Coulomb.
– le matériau usiné a un comportement plastique parfait.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : PROCEDURE DE TOURNAGE
1.1 Les machines de tournage
1.1.1 Tour à copier
1.1.2 Tours automatique
1.1.3 Tour vertical
1.1.4 Tour parallèle
1.1.4 .1 Les différentes translations et rotations de tour
1.2 Les différentes opérations de tournage
1.3 Montage de la pièce
1.3.1 Montage entre-pointes
1.3.2 Montage en l’air
1.3.3 Montage mixte
1.3.4 Montage avec lunette
1.4 Définition de l’outil
1.4.1 Choix du montage de l’outil
1.4.1.1 Réglage du porte-à-faux
1.4.1.2 Réglage de la hauteur de la pointe
1.5 Paramètres de coupe en tournage
1.5.1 Vitesse de coupe ??
1.5.2 Vitesse d’avance Vf et Avance par tour f
1.5 3 Profondeur de coupe ap
1.5.4 Angle de direction d’arête κ ou angle d’attaque
1.5.5 Largeur et épaisseur du copeau
1.6 Les principaux plans et angles de l’outil
1.7 Définition des efforts de coupe
1.7.1 Composantes de l’effort de coupe
CHAPITRE II : PRINCIPE DE FORMATION DE COPEAU
2.1 Introduction
2.2 Formation du copeau
2.3 Principe de la coupe orthogonale en tournage
2.4 Etude géométrique de la coupe orthogonale
2.5 Les quatre zones
2.5.1 Zone de cisaillement primaire
2.5.2 Zone de cisaillement secondaire
2.5.3 Zone de cisaillement tertiaire
2.5.4 Zone de séparation de la matière
2.6 Arêtes rapportées
2.7 Types de copeaux
2.8 Principe de distribution de la chaleur
2.8.1 L’énergie thermique
2.8.2 Sources de chaleur
CHAPITRE III : MODELISATION ANALYTIQUE
3.1 Introduction
3.2 Modèle de Merchant
3.2.1 La déformation par caillement
3.3 Modèle d’Albrecht
3.4 Le modèle de Lee et Shaffer
3.5 Modélisation thermomécanique
3.5.1 Modèle d’Oxley (1980)
3.5.2 Modèle de Boothroyd
3.5.2.1 Détermination du coefficient C
3.5.3 Modélisation de Molinari et Dudzinski
3.5.3.1 Modélisation de la zone primaire
3.5.3.2 La relation de la comptabilité
3.5.4 Modèle de Gilormini
CHAPITRE IV : APPLICATION POUR UNE OPERATION DE CHARIOTAGE
4.1 Introduction
4.2 Evolution de la température
4.3 Le modèle Boothroyd
4.4 La variation de la temperature dans la zone de ciallement primaire
4.5 La variation de la temperature dans la zone de ciallement secondere
CONCLUSION