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Chapitre II : Coupe des Métaux
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II.1 Principe de la coupe des métaux
Lors d’un usinage par enlèvement de matière, on
se retrouve, dans la majorité des cas, dans
la configuration suivante (figure II.1) [11]:
- Une lame d’outil pénètre dans la matière et enlève un copeau ;
- L’outil suit une trajectoire par rapport à la pièce à usiner, où les mouvements sont assurés
par les éléments constitutifs de la machine outil.
Figure II.1 :
Configuration de la coupe [11]
Un examen plus approfondi du mécanisme de la coupe nous conduit à observer qu'il procède
grâce à trois mouvements principaux perpendiculaires entre eux (figure II.2).
Mouvement de coupe « MC »
: C'est un mouvement qui participe directement au
détachement de la matière sous forme de
copeaux
pendant la
course de travail.
Mouvement d'avance « Ma » :
C'est le mouvement qui a pour but de décaler latéralement
une quantité a; dite avance, pour que l'outil puisse à la nouvelle course de travail détacher
d'autres copeaux.
Mouvement de pénétration « Mp » :
C'est le mouvement qui détermine l'épaisseur de la
couche de métal à enlever à chaque opération qui prend le nom de passe.
Mo uve me nt de
pénétratio n
Mouvement de
pénétratio n
Figure II.2 :
Les mouvements de coupe [12]
Figure II.1 :
Configuration de la coupe [11]
Chapitre II : Coupe des Métaux
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Pour obtenir un travail satisfaisant (bon état
de la surface usinée, rapidité de l’usinage,
usure modérée de l’outil, ...) on doit régler les paramètres de la coupe ; où, il y a plusieurs
critères qui permettent de définir les paramètres de la coupe, comme le montre la figure
suivante :
Figure II.3 :
Les choix des paramètres de coupe [11]
Suivant le type d’opération à réaliser, il faut ch
oisir la méthode d’usinage, et donc choisir la
machine à utiliser
. Donc il faut choisir entre
tournage
,
fraisage
ou
perçage
.
Pour ce qui est de la
puissance
de la machine, une question se pose : Pourquoi existe-t-il
plusieurs motorisations pour un type de véhicu
le. Sur l’autoroute, vous préférez conduire
une Renault 4 ou 307 HDI (et pourquoi donc ?). La puissance de la machine influe donc sur
les performances. Dans le cas de l’usinage, il y a deux grands cas de figure :
* Usinage en ébauche :
on cherche à enlever un maximum de matière en un minimum
de temps, l’objectif est dans ce cas d’augmenter au maximum le débit de copeaux.
Mais la machine doit être suffisamment
puissante, ainsi que l’attachement
pièce/porte-pièce, sinon la machine peut ‘caler’ ou la pièce peut voler.
* Usinage en finition :
cette fois, c’est la qualité de réalisation qui est importante.
La surface doit être lisse, les cotes doivent être correctes ... Comme les efforts en
jeu sont plus faibles que pour une ébauche,
la puissance de la machine n’est pas un
critère primordial.
Pour la matière il est évident que les efforts de coupe ne sont pas les mêmes si vous usinez
une pièce en polystyrène ou en acier. Donc la
matière influe sur des choix relatifs à la
puissance machine (entre autre).
En se qui concerne l’
Opération d’usinage
c’est la même idée que pour le type de machine.
Idem pour la
Forme de l’outil.
Cependant
, la matière de l’outil
influe sur l’usure de l’outil
et sa durée du fait que c’est l’outil qui doit usiner la pièce et non l’inverse.
Tous ces critères sont intimement liés et ét
ant donné que l’objectif final est d’obtenir une
pièce usinée dans de bonnes conditions. Pour cela, il faut déterminer certains paramètres
spécifiques :
- La vitesse de coupe :
Vc
- La vitesse d’avance :
F (ou V
f
)
- La profondeur de passe :
a
Chapitre II : Coupe des Métaux

Chapitre II : Coupe des Métaux
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Figure II.9 :
L’avance
f
dans le cas de tournage [15]
I.2.2.1
La vitesse d’avance V
f
en tournage et fraisage
Dans le cas de
tournage
la vitesse d’avance
V
f
[mm/min] est donnée par la formule
suivante :
V
f
= f
z
×
N
[mm/min]
f
z
en mm/(tr.dent) correspond à la capacité de co
upe de l’arête coupante pour une rotation
de 1 tour de la pièce. En d’autre terme, c’est
la distance que l’arête de coupe va parcourir à
chaque tour de la pièce.
En
fraisage
la vitesse d’avance
V
f
[mm/min] est égale à :
V
f
= z
×
f
z
×
N
[mm/min]
Où z est le nombre de dents de la fraise,
f
z
en mm/(tr.dent) correspond à la distance que
la dent va parcourir à chaque tour de la fraise.
NB : Sur une fraise il peut y avoir plusieurs dents, donc plusieurs arêtes de coupe. On
prend donc en compte le nombre de dents « z
»dans la formulation de la vitesse d’avance.
II.2.2.2 Les types d’avances
On distingue trois sortes d'avance (Figure II.10) :
a) Avance longitudinale :
On appelle avance longitudinale si l'outil se déplace parallèlement
à l'axe de l'ébauche.
c) Avance transversale :
On appelle avance transversale si l'outil se déplace
perpendiculairement à l'axe de l'ébauche.
b) Avance oblique :
On appelle avance oblique si l'outil se déplace sous un angle par
rapport à l'axe de l'ébauche.
Chapitre II : Coupe des Métaux
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1. Avance longitudinale
2. Avance transversale
3. Avance oblique
3
1
2
Figure II.10 :
Les types d’avances
L'avance peut être désignée par :
— Avance par tour "
f
tr
"
— Avance par battement "
f
bat
"
— Avance par dent "
f
z
"
— Avance par minute "
f
min
"
Elle s'exprime respectivement par :
— Millimètre par tour "
mm/tr
", lors du tournage, fraisage, perçage, ....etc.
— Millimètre par battement "
mm/bat
", lors du rabotage, mortaisage, .....etc.
— Millimètre par dent "
mm/dent
", lors du fraisage, brochage, ...etc.
— Millimètre par minute "
mm/min
", dans tous les cas d'usinage.
L’avance représente une donnée clé pour la qua
lité de la surface usinée, elle influe non
seulement sur l’épaisseur des copeaux, mais également sur la manière dont ils se brisent.
II.2.3 Profondeur de passe « a »
La profondeur de passe (figure II.11) notée
a
en [mm], correspond à la longueur de l’arête
de coupe engagée dans la matière, dans le ca
s de la coupe orthogonale, et à la différence
entre le rayon de la pièce avant et après usinag
e, dans le cas du tournage. La profondeur
de coupe est toujours mesurée perpendiculairement à la direction de l’avance et non pas
suivant l’arête de l’outil [15] [16].
Chapitre II : Coupe des Métaux

5. Puissance en travail [Pe]
La puissance
P
[watts] est égale au produit de la force
F
[newtons] par la vitesse
V
[m/sec]
Pe = F
×
V
[watts]
Avec :
R
r
: Résistance à la rupture [N/mm
2
] ;
k
: Coefficient dépendant de la composition de la matière ;
S
: Section du copeau [mm
2
] ;
Vc
: Vitesse de coupe [m/min] ;
η
: Rendement de la machine.
II.5. Formation et types de copeaux
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 outil et prédiction de leur durée de vie [19]. 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 (figure II.15), on observe trois zones :
-
oa
: Déformation élastique (réversible)
-
ab
: Ecoulement du métal
-
bc
: Déformation plastique (irréversible)
- à partir de
c
: Rupture
Fc
×
Vc R
r
×
k
×
S
×
Vc
Pe = =
60
×
η
60
×
η
Chapitre II : Coupe des Métaux
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O
∆
L
F
a
b
c
Figure II.15 :
Courbe de traction d'un acier
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 ;
La figure II.16 résume le princi
pe de la formation du copeau :
1
2
3
Fc
1
2
3
F’c
Plan de cisaillement
A
1
4
Fc
2
3
1
2
3
Figure II.16 :
Mécanisme de la formation du copeau
-
En 1 :
l'arête coupante a pénétré dans la matière qui, ne pouvant s'écouler normalement,
vient s'arc-bouter sur la face de coupe et se trouve fortement comprimée. L'effort de
coupe augmente jusqu'à la valeur maximale
Fc.
-
En 2 :
une crique due au cisaillement consécutif à la compression se manifeste en
A
, et la
portion de copeau
1
glisse sur la face de coupe, accentuant l'importance de la crique.
L'effort de coupe diminue simultanément jusqu'à la valeur minimale
Fc'
.
-
En 3 :
le copeau est de nouveau comprimé et l'effort de coupe augmente.
Chapitre II : Coupe des Métaux
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Le cycle est continu, et les efforts dus à l'action de coupe varient périodiquement très
nettement pour les aciers, avec une plus grande fréquence pour la fonte (copeaux
parcellaires), plus faiblement pour les métaux tendres.
II.5.1. Les types de copeaux
Pendant l'usinage de l'acier, on distingue trois types de copeaux [19] :
a) Copeau discontinu :
a lieu pendant l'usinage de l'acier à vitesse de couple
faible
Vc = (5 à 10) m/min.
Les éléments du copeau sont liés entre eux très
faiblement.
b) Le copeau cisaillé :
a lieu pendant l'usinage de l'acier à vitesse de coupe
moyenne
Vc = 80 à 100) m/min ;
la surface du copeau en regard de l'outil est
lisse, alors que la surface opposée on voit des entailles qui définissent bien la
direction des éléments isolés du copeau liés les uns aux autres.
c) Le copeau continu :
a lieu pendant l'usinage de l'acier à vitesse de coupe grande
Vc > 100 m/min.
Pendant l'usinage des métaux friables (fontes, bronze, alliage d'aluminium), on distingue le
copeau fragmenté. Il est constitué d'éléments arrachés de la matière de base ; de formes
variées qui ne sont pas liés les uns aux autres. La pente d'avancée se forme
immédiatement, le long de toute la surface de cisaillement suivant laquelle s'effectue la
séparation entre le copeau et le métal de base. Un tel copeau laisse une surface usinée
rugueuse couverte de creux et de crêtes importants.
II.5.2. Notion d’état de surface
On appelle états de surface les irrégularités des surfaces dues au procédé d’élaboration de
la pièce (usinage, moulage, etc.). Ils sont, le plus souvent, mesurés avec des appareils à
palpeur à pointe de diamant, appelés profilomètres, qui relèvent le profil de la surface
(figure II.17).
Figure II.17:
Relevé d’un profil d’état de surface [21]
Chapitre II : Coupe des Métaux
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Sur la surface d’une pièce obtenue par usinage,
on distingue quatre principaux types de
défauts (figure II.18), d’ordre macro où microgéométrique [21] [22]:
1.
Écarts de forme et de position ;
2.
Ondulations (défauts périodiques) ;
3.
Signature du procédé d’élaboration : st
ries, sillons (défaut périodique ou
pseudopériodique) ;
4.
Défauts accidentels ; arrachements, piqûres, etc.
Figure II.18 :
La rugosité [22]
II.5.3. Arête rapportée
Sous l'influence d'éléments perturbateurs : températures, frottements ; il peut arriver
que le copeau continu adhère à l'outil où il on résulte la formation d'une couche appelée
"
arête rapportée
" sur l'arête coupante de l'outil et susceptible de créer des
perturbations dans l'usinage. (Figure II.19).
L'importance de cette arête rapportée
augmente jusqu'à ce quelle soit évacuée vers le copeau ou vers la pièce ; dans ce dernier
cas, il peut en résulter une altération de l'état de surface de la pièce [23].
On arrive à éliminer l'arête rapportée en augm
entant la vitesse de coupe et en diminuant
l'avance c'est à dire en réduisant le rendement de l'usinage, parfois l’emploi de
lubrifiants appropriés permet d'éviter cette réduction.
Arrête rapportée
Figure II.19 :
Arête rapportée
Chapitre II : Coupe des Métaux
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II.6. Formulation Mathématique des paramètres de coupe
II.6.1. Loi de Taylor
[Américain, 1907]
L'expérience de Taylor consistait à étudier la
durée de l'outil de coupe en acier rapide en
faisant une opération de chariotage pour une en
semble de pièces en acier, sans arrosage,
avec des conditions de coupe de base :
f = 0,5 mm/tr
comme avance et une profondeur de
passe
a =5 mm
, qui restaient inchangées [24].
A partir de cette expérience la « Loi de Taylor » surgit :
Vc
×
T
α
= K
t
= Constante
dite "
Loi de Taylor
" , qui signifie que la vitesse de coupe
Vc
à adopter pour que l'outil ait
une durée
T
entre les affûtage est donnée par la relation :
Vc
= K
t
/ T
α
où :
K
t :
est un coefficient qui dépend essentiellement des conditions de coupe
α
: est un exposant qui caractérise surtout l'ou
til. Il est variable d’un acier a un autre
comme suit :
* Acier rapide ordinaire :
α
= 0,12 à 0,14
* Acier rapide supérieur :
α
= 0,15 à 0,18
* Alliages coulés dits "STELLITE" ou " TANTUNG" :
α
= 0,22 à 0,25
* Carbures frittés :
α
= 0,28 à 0,32
NB : Lors de l'utilisation d'un outil a profil
curviligne (arête tranchante arrondie), les
résultats obtenus ne sont pas applicables directement pour un outil de coupe à arête
rectiligne (car pour un outil à profil curvilig
ne l'épaisseur du copeau n'est pas constante).
La relation
Vc .T
α
= K
t
ne permet de déterminer
Vc
en fonction de
T
, ou réciproquement
que si l'on connaît à la fois la valeur de la constante
K
t
et de l'exposant
α
, toutes les
autres conditions de coupe restant invariable
s. Il est donc nécessaire pour chaque cas
particulier de se livrer à deux essais minimums ; le premier donnera la durée
T
1
de l'outil
pour la vitesse
Vc
1
et le deuxième donnera la durée
T