PRINCIPE DE FORMATION DE COPEAU

PRINCIPE DE FORMATION DE COPEAU

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.

La coupe la plus élémentaire est la coupe dite « orthogonale ». Dans cette configuration, l’arête de coupe est perpendiculaire à la fois aux directions de coupe et d’avance.
L’outil est incliné de l’angle de coupe γ par rapport à la verticale et se déplace avec la vitesse de coupe Vc. La quantité de matière enlevée est représentée par l’épaisseur du copeau non déformé h (ou avance par tour f) et la profondeur de passe w. Le copeau d’épaisseur hc se déplace le long de la face de coupe de l’outil avec la vitesse Vcop et quitte en se courbant l’interface outil-copeau à la distance lc de la pointe de l’outil (longueur de contact).

Types de copeaux

les copeaux continus: Formés dans un état de déformation plastique stationnaire (associés à une coupe stable) : les champs de déformation, des vitesses de déformation et de la température sont constants dans le temps.
les copeaux formés avec arête rapportée: Qui résultent d’un état d’équilibre dynamique du système composé de l’outil, du copeau et d’une zone de stagnation de matière au niveau l’arête.
les copeaux discontinus ou segmentés: Formés dans un état de déformation plastique non stationnaire; les copeaux sont composés d’éléments plus ou moins connectés entre eux. On parle aussi de copeaux ondulants ou festonnés, de copeaux à localisation de déformation ou encore de copeaux à dents de scies. La segmentation des copeaux est très influencée par les phénomènes de fissuration et de rupture, d’instabilité et de localisation des déformations plastiques. La coupe est alors qualifiée d’instable.
_ La vitesse de coupe joue un rôle fondamental sur la stabilité de la coupe. La quantité de chaleur dégagée dans les zones de coupe croît avec la vitesse de coupe, de telle sorte que la température s’élève avec cette dernière.
-La segmentation des copeaux est donc principalement observée dans le domaine des grandes vitesses de coupe. Bien que qualifié d’instable, ce phénomène peut être recherché car il est associé à une baisse des efforts et à une amélioration de l’évacuation des copeaux.

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.
Les autres hypothèses du modèle sont les suivantes:
– le copeau est supposé se former dans des conditions stationnaires en déformation plane.
– le matériau usiné est supposé parfaitement plastique et de contrainte d’écoulement en cisaillement .
– le frottement à I’ interface outil-copeau est du type Coulomb (coefficient μ, angle Vcop). Il est supposé constant quelles que soient les conditions de coupe.
– la zone secondaire de cisaillement due au frottement à I’ interface outil-copeau n’est pas prise en compte.
– L’angle de cisaillement minimise la puissance totale dissipée lors de la coupe. Les données du problème sont:
– la vitesse de coupe Vc, l’angle de coupe , la profondeur de passe ap et la largeur de coupe b.
-Le comportement de matériau usine est donne par la contrainte de cisaillement
– les conditions de frottement a I’ interface outil-copeau son donne par l’angle .

Application pour une opération de chariotage

La modélisation de la formation du copeau a été développée pour mettre en évidence et estimer les grandeurs inaccessibles par l’expérience comme par exemple la température dans la zone primaire de cisaillement et la zone secondaire a l’interface de l’outil copeau. Elle est basée sur les modèles de thermomécanique, ces modèles numériques se limite à la formation du copeau en configuration de coupe orthogonale.la modélisation de la formation de copeau a pour but de mieux comprendre les phénomènes mise en jeu par la coupe de determiner les grandeurs mécaniques et thermiques en plus nous allons étudier l’évolution de la température pendant un opération d’usinage .
Nous pouvons ainsi constater que la coupe est un processus thermomécanique complexe faisant intervenir des mécanismes tels que les déformations viscoélasto-plastiques dans les zones de cisaillement, le contact avec frottement à l’interface outil/copeau et à l’interface outil/surface usinée.
La présentation de la modélisation de la coupe dans cette partie commence par la description des mécanismes et phénomène thermique régissant la coupe orthogonale, à savoir les approches basses sur les mêmes théories pour obtenir localement les efforts de coupe et les températures, on a travaille par le modèle de Boothroyd et le modèle de Marchant pour déterminer l’effort de cisaillement et l’angle de caillement et les températures.

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 quatres 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

Télécharger le rapport complet