5 étapes pour garder vos copeaux sous contrôle
Une bonne formation du copeau, aboutissant à une forme de spirale, garantit une durée de vie satisfaisante de l'outil, une manipulation et une évacuation faciles des copeaux, un processus de coupe stable et fiable, une bonne qualité et rugosité de la surface usinée et un processus efficace. En bref, un bon copeau doit avoir des proportions correctes, être facile à manipuler et ne pas demander trop d'efforts pour être généré.Une bonne formation, c'est produire des copeaux en forme de spirale et garantir une importante durée de vie à l'outil, une manipulation et une évacuation faciles des copeaux, un bon état de surface et un processus d'usinage stable, fiable et efficace. En somme, un bon copeau doit être facile à manipuler de par sa taille et ne nécessiter que de faibles efforts pour être généré.
| Outil | Conditions de coupe | Matière | Arrosage |
Angle de coupe Angle d\'arête de coupe Rayon de pointe Revêtement Géométrie d'arête de coupe et du brise-copeaux | Avance Profondeur de coupe Rapport d'épaisseur de copeaux Vitesse de coupe | Dureté Résistance à la traction Ductilité Structure | Usinage à sec Refroidissement par émulsion Jetstream Seco |
Différents groupes de facteurs offrent des moyens pratiques d'influencer la formation des copeaux, notamment les outils coupants, les conditions de coupe, les matières et le système de refroidissement.
Les facteurs liés aux matières comportent la dureté et la résistance à la traction de la pièce, la ductilité et les considérations structurelles. Ces éléments ne peuvent pas être modifiés pour améliorer la formation des copeaux, mais l'opérateur doit tenir compte de leur impact sur celle-ci.
L'influence du système de refroidissement sur la formation des copeaux est plutôt arbitraire. Il est très difficile de voir des relations précises entre le type de système de refroidissement et son impact sur la formation de copeaux. Une exception est le système de refroidissement dirigé haute pression (HPDC ou High Pressurized Directed Cooling), qui permet nettement d'obtenir des copeaux beaucoup plus courts. Ce type de système de refroidissement est utilisé dans le système d'outils Jetstream de Seco.
L'impact des fonctionnalités de l'outil sur la formation des copeaux est un sujet de discussion fréquent. L'angle de coupe et celui de l'arête de coupe, le rayon de la pointe ainsi que la géométrie de l'arête de coupe et du brise-copeaux sont ici d'une importance capitale. Des angles d'attaque plus importants, des angles de coupe plus faibles et un rayon de pointe plus grand permettent d'obtenir des copeaux plus longs. L'impact du type de revêtement sur la formation de copeaux n'est pas clairement définissable.
La manière la plus concrète pour influencer la formation des copeaux est de modifier les conditions de coupe. Ces modifications peuvent être très faciles et efficaces. La condition de coupe de base à régler est le rapport d'épaisseur de copeaux ou amincissement. Lorsque le rapport d'épaisseur des copeaux est trop faible, il produit des copeaux carrés qui créent des charges trop élevées sur la pointe de l'outil et limitent ainsi considérablement sa durée de vie. Un rapport d'épaisseur de copeaux trop élevé conduit à des copeaux minces en forme de ruban qui sont très difficiles à fragmenter en morceaux courts.
Le rapport d'épaisseur du copeau est défini comme la largeur de la coupe divisée par l'épaisseur du copeau. La profondeur de passe pour une avance donnée doit être suffisamment grande pour éviter un rapport d'épaisseur de copeaux trop faible ou trop important. De petites profondeurs de coupe combinées à certaines avances génèrent des copeaux carrés. Des avances trop petites peuvent engendrer des copeaux en forme de ruban qui sont incassables.
En pratique, la profondeur de coupe est souvent donnée. Dans cette situation, l'avance constitue la clé d'une bonne formation des copeaux. Évitez à la fois les avances trop faibles qui génèrent de longs copeaux en forme de ruban et les avances trop élevées qui créent des copeaux carrés.
L'influence plus complexe de la vitesse de coupe sur la formation des copeaux sera abordée plus en détail dans la suite de cet article.
Cette partie définit quatre types de copeaux différents :
- Copeaux dentelés, segmentés ou non continus
- Copeaux continus avec des zones de cisaillement primaires étroites, droites ou continus avec une zone de cisaillement secondaire à l'interface de la puce d'outils
- Copeaux d'arêtes rapportées
- Copeaux de cisaillement ou copeaux courts
Tous les copeaux ont deux surfaces. La surface extérieure présente une surface brillante et polie car elle frotte et provoque de l'usure sur la face de l'outil. Chaque copeau a également une surface intérieure formée par la surface initiale de la pièce, avec un aspect dentelé et rugueux causé par le mécanisme de cisaillement lui-même.
| Copeau segmenté | Copeau continu | Copeau avec
arête rapportée | Copeau de cisaillement |
Les copeaux dentelés ou segmentés - également appelés copeaux non continus - sont des copeaux semi-continus avec de grandes zones de faible déformation de cisaillement et de petites zones de forte déformation de cisaillement ou de cisaillement localisé. Ces types de copeaux apparaissent lors de l'usinage de matériaux à faible conductivité thermique et à forte tendance à l'écrouissage. La résistance du matériau augmente lorsque la contrainte dans le matériau augmente, en particulier en combinaison avec une température plus élevée, comme c'est le cas avec le titane. Ces copeaux présentent un aspect en dents de scie.
Des copeaux continus se forment lors de l'usinage de matériaux ductiles, y compris l'acier doux, le cuivre et l'aluminium. La déformation plastique du matériau ductile produit des copeaux longs et continus, souhaitables du point de vue de la coupe car ils engendrent une rugosité de surface satisfaisante tout en consommant peu d'énergie et en prolongeant la durée de vie de l'outil. Les copeaux continus se forment souvent avec une faible épaisseur de copeaux, une vitesse de coupe élevée, une arête de coupe vive, un grand angle de coupe sur l'outil coupant, une face d'outil lisse et un système de lubrification efficace. Ces copeaux sont difficiles à manipuler et à évacuer. Ils peuvent se recourber en une très longue spirale ou en forme d'hélice qui s'enroule autour de la pièce et de l'outil et peut blesser l'opérateur lorsque le copeau se brise. La face de l'outil est en contact pendant une période plus longue, ce qui produit plus de chaleur par frottement. Les brise-copeaux peuvent corriger ce problème.
La déformation se produit le long d'une zone de cisaillement étroite appelée zone de cisaillement primaire. Certains copeaux continus peuvent développer une zone de cisaillement secondaire au niveau de l'interface outil/copeau. Cette zone devient plus épaisse à mesure que la friction augmente. Des copeaux continus peuvent également être produits avec une large zone de cisaillement primaire qui présente des limites courbes. La limite inférieure de la zone de déformation - l'effet d'écoulement latéral - peut descendre en dessous de la surface usinée, ce qui déforme la surface et entraîne un mauvais état de surface.
Une arête rapportée se forme lorsque de petites particules de matériau de la pièce adhèrent à l'arête de coupe. Cela se produit principalement avec des pièces constituées de matières tendres et ductiles et lorsque des copeaux continus se forment. Une arête rapportée peut altérer l'action coupante d'un outil. Cette matière stagnante est extrêmement dure et cassante, et devient instable au fur et à mesure que des couches successives s'y ajoutent. Lorsqu'une arête rapportée se détache, une partie de celle-ci est entraînée vers le haut de la face de l'outil avec le copeau, tandis que le reste demeure dans la surface usinée. Cela rend la surface usinée plus rugueuse.
Une augmentation des vitesses et de l'angle de coupe, des outils plus tranchants, l'utilisation d'un arrosage et d'un matériau de coupe ayant une affinité chimique moindre avec celui de la pièce à usiner peuvent réduire la formation d'arêtes rapportées.
Figure 9 : Exemples d'arêtes rapportées et de copeaux pour différentes vitesses de coupe.
Les copeaux de cisaillement ou copeaux courts – également appelés copeaux discontinus – sont constitués de segments détachés les uns des autres. Ces copeaux se forment lors de l'usinage de matières fragiles telles que le bronze, le laiton dur et la fonte grise, ainsi que de matières très dures ou de matières contenant des inclusions dures et des impuretés. Les matériaux fragiles n'ont pas la ductilité nécessaire pour une déformation plastique notable des copeaux. La fracturation répétée limite l'ampleur de la déformation des copeaux.
Des copeaux discontinus se forment dans les matériaux fragiles avec notamment de grandes épaisseurs de copeaux, de faibles vitesses et angle de coupe. Sur les machines-outils peu stables, les copeaux courts peuvent entraîner des micro-vibrations pendant le fonctionnement en raison de la formation intermittente des copeaux. Ces types de copeaux offrent un avantage : ils sont faciles à manipuler et à éliminer. La formation de ces copeaux dans des matériaux fragiles permet d'obtenir un assez bon état de surface, de consommer moins d'énergie et d'obtenir une durée de vie d'outil raisonnable. Cependant, avec les matériaux ductiles, les copeaux discontinus produisent de mauvais états de surface et une usure excessive de l'outil.
A. Acier au carbone avec copeaux continus
B. Acier duplex avec copeaux segmentés
C. Acier au carbone avec arête rapportée
D. Fonte avec copeaux discontinus
Les copeaux longs et continus ont tendance à avoir un effet négatif sur l'efficacité de l'usinage, avec un risque d'endommager l'outil coupant, la pièce et de la machine-outil. Ils peuvent entraîner des arrêts de production inutiles en raison de problèmes d'évacuation des copeaux et créer des conditions de travail dangereuses pour l'opérateur. Ces copeaux doivent être fragmentés en petits morceaux pour des raisons de sécurité, pour faciliter leur retrait et pour éviter d'endommager la machine-outil et la pièce.
Les copeaux prennent une courbure ou se courbent pendant leur formation en raison de facteurs tels que :
- la répartition des contraintes dans les zones de cisaillement primaire et secondaire
- des effets thermiques
- des caractéristiques d'écrouissage de la matière de la pièce à usiner
- de la géométrie des outils coupants
- dans une certaine mesure, du circuit de refroidissement
Plus généralement, lorsque l'angle de coupe diminue (outils négatifs), la courbure du copeau devient plus prononcée, ce qui entraîne des copeaux plus courts et fragmentés. Les brise-copeaux servent à réduire le rayon de courbure des copeaux et donc à les casser en longueurs plus courtes.
A. Copeau
B. Sans brise-copeaux
C. Avec brise-copeaux
D. Brise-copeaux
E. Outil
F. Pièce à usiner
Sélectionnez les géométries de brise-copeaux en fonction du type d'opération, de la combinaison de l'avance et de la profondeur de coupe, et du matériau de la pièce à usiner.
A. Coin
B. Arête de coupe
Un schéma du fragmentation du copeau (voir Figure 14) peut montrer la relation entre la matière à usiner, les conditions et la géométrie de coupe avec la formation de copeaux. Ce schéma identifie les éléments à prendre en compte pour sélectionner la profondeur de coupe, l'avance afin d'usiner un matériau spécifique avec une géométrie de brise-copeaux définie. L'axe horizontal représente l'avance, qui doit toujours être supérieure à un certain minimum (la largeur de la géométrie du listel en T) et doit rester inférieure à un certain maximum (jamais supérieure à la moitié du rayon de pointe). L'axe vertical indique la profondeur de passe, qui doit toujours être supérieure au rayon de la pointe pour favoriser une bonne formation des copeaux et éviter les problèmes de copeaux carrés. De plus, la profondeur de coupe ne doit jamais être supérieure à la longueur de l'arête de coupe. Dans ce dernier cas, il est conseillé d'usiner avec des paramètres de sécurité qui dépendent de la résistance de l'arête de coupe. Dans le cas des plaquettes, ces paramètres de sécurité varient entre 75 % (pour les plaquettes carrées ou rhombiques) et 20 % (pour les plaquettes de copiage avec un angle de pointe réduit) de la longueur de l'arête de coupe.
Ensemble, la profondeur de coupe et l'avance - ce qu'on appelle le rapport d'épaisseur du copeau - doivent se maintenir entre certaines contraintes. Le rapport d'épaisseur de copeaux maximale doit rester inférieur à une certaine valeur limite pour éviter les copeaux trop longs en forme de ruban. Ce rapport d'épaisseur doit également rester au-dessus d'une valeur minimale pour éviter les copeaux carrés. La figure 14 représente ces contraintes par deux courbes. La valeur minimale et maximale du rapport d'épaisseur des copeaux dépend de la matière usinée. Pour minimiser la casse des arêtes, les efforts coupe ne doivent pas être trop élevés. La figure 14 montre cette contrainte sous forme de ligne courbe.
Chaque combinaison d'avance et de profondeur de coupe dans la zone bleue de la figure 14 produira des copeaux de forme correcte. Dans une combinaison sélectionnée en dehors de cette zone bleue, l'arête de coupe et la géométrie de brise-copeaux ne fonctionneront pas convenablement. Les copeaux seront trop longs ou trop carrés, ou la casse de l'arête de coupe dépassera un niveau acceptable.
La figure 15 illustre l'influence de la vitesse de coupe sur la formation des copeaux. L'axe horizontal du graphique indique l'avance et l'axe vertical représente les types de copeaux. En général, à mesure que les avances augmentent, les copeaux ont tendance à être plus courts, en particulier à de faibles vitesses de coupe. Cependant, à mesure que cette vitesse augmente, la relation entre l'avance et la formation des copeaux devient moins évidente.
Utilisation du Groupe matérières ISO, plaquettes négatives
| Acier inoxydable (ISO M) Superalliages (ISO S) | 
| Aciers (ISO P) Acier inoxydable (ISO M) Superalliages (ISO S) | 
| Acier inoxydable (ISO M) |
| Aciers (ISO P) Aciers inoxydables (ISO M) Acier trempé (ISO H) | 
| Superalliages (ISO S) | 
| Aciers (ISO P) Acier inoxydable (ISO M) Fonte (ISO K) |
| Aciers (ISO P) Fonte (ISO K) | 
| Fonte (ISO K) | 
| Aciers (ISO P) |
La figure 16, sur la fragmentation des copeaux, représente graphiquement les différents types de géométries de brise-copeaux et leurs applications les uns par rapport aux autres. Ce schéma classe les différentes géométries de brise-copeaux (appelées FF1, FF2, MF1 … RR97) en fonction de leur résistance et de leur application. L'axe horizontal représente la ténacité de l'arête. Dans une certaine mesure, il indique également les avances adaptées à certaines géométries.
L'axe vertical représente le type d'application, allant de la finition (petites profondeurs de coupe) à l'ébauche (grandes profondeurs de coupe). L'axe vertical représente les profondeurs de passe relatives adaptées à certaines géométries. La taille réelle de la plaquette – la longueur de l'arête de coupe – influe également sur la profondeur de coupe effective. Les différentes couleurs définies par l'ISO indiquent à quels matériaux ces géométries conviennent.
Une géométrie située en bas à gauche de ce schéma est très vive et génère des copeaux courts, mais elle offre également une faible ténacité d'arête qui nécessite des conditions de coupe (profondeurs de coupe et avances) tout aussi faibles. Inversement, les géométries en haut à droite de ce schéma ont des arêtes de coupe robustes et peuvent être utilisées avec des conditions de coupe élevées, mais elles ont tendance à générer des copeaux longs.
- Déterminer la priorité du critère d'optimisation du processus : soit la productivité, soit la rentabilité.
- Si la formation de copeaux est acceptable, passer à l'étape 5.
Si les copeaux sont trop longs, passer à l'étape 3.
Si les copeaux sont trop courts, passer à l'étape 4. - Si la productivité est importante, augmenter l'avance.
Si la rentabilité est importante, remplacer le brise-copeaux pour une géométrie plus robuste.
Maintenir l'avance dans la plage de géométrie du brise-copeaux.
Passer à l'étape 5. - Si la productivité est importante, remplacer le brise-copeaux par une géométrie plus vive.
Si la rentabilité est importante, réduire l'avance.
Maintenir l'avance dans la plage de la géométrie du brise-copeaux.
Passer à l'étape 5. - Si la rentabilité est une priorité, réduire les vitesses de coupe pour l'améliorer.
Si la productivité est une priorité, augmenter les vitesses de coupe pour l'améliorer.
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