Principe physique de la coupe des métaux

Coupe orthogonale

La coupe orthogonale est une configuration particulière où l’arête de coupe doit être perpendiculaire à la direction de la vitesse de coupe (Vc) et à la direction de la vitesse d’avance (Va) de l’outil. Dans ce cas particulier d’usinage, la largeur du cylindre à paroi mince devient l’équivalent de la profondeur de passe. La figure I.2 présente les deux configurations de coupe orthogonale généralement utilisées. Vu que la largeur du copeau reste importante par rapport à son épaisseur (avance), la coupe orthogonale peut se ramener à un problème plan (déformation plane). Cette configuration présente l’avantage de simplifier la coupe (réduction du nombre de paramètres) au niveau expérimental et au niveau de la modélisation analytique et numérique. De plus, la configuration en coupe orthogonale favorise l’instrumentation de l’usinage. (Fig1.3). Pour mieux cerner le mécanisme de formation du copeau, il est nécessaire de définir clairement les grandeurs géométriques et cinématiques de base d’une coupe orthogonale (fig. I.3). L’outil génère sur la pièce une épaisseur de coupe h, égale à l’avance (a). Après sa transformation en copeau, cette couche de métal augmente d’épaisseur et devient (hc). Ce gonflement du copeau dû à la compression de l’outil sur la pièce, est caractérisé par le rapport de coupe Ch= h /hc qui est toujours < à 1 (0.76 – 0.8)

Force de coupe

Le tournage longitudinal donne lieu à un effort de coupe dont la décomposition dans les trois directions privilégiées, peut servir de base à la définition des efforts de coupe pour toutes les opérations d’usinage. La résultante de coupe R, utilisée en pratique, est la somme des trois composantes (Fig. 1.11).

•Fz: Composante tangentielle ou composante principale de coupe. C’est la composante agissant dans la direction de la vitesse de coupe, elle a la plus grande valeur absolue.

•Fx: Composante d’avance ou composante axiale. C’est la composante agissant dans la direction de la vitesse d’avance.

•Fy : Composante de refoulement ou composante radiale. C’est la composante agissant dans une direction perpendiculaire aux deux autres. Les valeurs relatives Fx et Fy dépendent de l’orientation de l’arête de coupe.

La connaissance des efforts de coupe est à la base de puissance nécessaire à la coupe. Elle est nécessaire pour l’évaluation du rendement mécanique d’une machineoutil. La valeur des efforts de coupe sert à dimensionner les organes de machine et à prévoir les déformations des pièces. Elle intervient dans la précision d’usinage, dans les conditions d’apparition des vibrations, ou broutage, et indirectement dans la formation de l’état de surface. Enfin, les efforts de coupe, étant en relation avec les propriétés mécaniques du métal, dans le processus de formation du copeau. D’après la figure 1.10, la force de coupe résultante FR, étant une diagonale du parallélépipède elle sera donnée par l’expression :

Interprétations des résultats

Les figures 3.4, illustrent graphiquement la variation de la résultante de coupe R en fonction de la combinaison de variation de la vitesse de coupe Vc, et de l’avance par tour a suivant le plan d’expérience pour différentes profondeurs de passe. On remarque d’après ces graphes que la valeur minimale de la résultante de coupe R pour les cinq séries d’expériences avec une augmentation de la profondeur de passe est obtenue pour une valeur constante de l’avance a (a=0.11mm/tr), mais avec des vitesses de coupe différentes. Afin de déterminer les valeurs optimums des paramètres de coupe, nous avons évalué le débit représentant le volume du copeau enlevé par minute, et suite aux résultats obtenus, il s’avère que les paramètres utilisés dans la troisième série donnent la valeur minimale de la résultante de coupe avec un débit maximum. L’observation des résultats semi expérimentaux illustrés dans le tableau récapitulatif indique que la série N° 3 des essais expérimentaux donne les valeurs optimums des conditions de coupe permettant un usinage stable avec un minimum d’effort et une meilleure production. Le coupeau obtenu lors de l’usinage avec ces conditions choisis comme optimum est continu (photo.3.8) l’état de surface obtenu est meilleur. Il s’agit donc de valeurs suivantes : Vc = 90 m/min a= 0.11mm/tr p= 1.5mm

Les figures 3.5, illustrent graphiquement la variation de la résultante de coupe R en fonction de la combinaison de variation de la vitesse de coupe Vc, et de profondeur de passe p, suivant le plan d’expérience pour différentes valeur de l’avance. On remarque d’après ces graphes que la valeur minimale de la résultante de coupe R pour les cinq séries d’expériences avec une augmentation de la profondeur de passe est obtenue pour une valeur constante de l’avance a (a=0.5mm/tr), mais avec des vitesses de coupe différentes. Afin de déterminer les valeurs optimums des paramètres de coupe, nous avons évalué le débit représentant le volume du copeau enlevé par minute, et suite aux résultats obtenus, il s’avère que les paramètres utilisés dans la troisième série donnent la valeur minimale de la résultante de coupe avec un débit maximum. L’observation des résultats semi expérimentaux illustrés dans le tableau récapitulatif indique que la série N° 3 des essais expérimentaux donne les valeurs optimums des conditions de coupe permettant un usinage stable avec un minimum d’effort et une meilleure production. Il fallait un compromis entre les valeurs qui donnent en même temps une valeur réduite de l’effort de coupe résultant R et une valeur importante du débit. Les valeurs trouvées : Vc = 90 m/min a= 0.4mm/tr p=0.5mm

Conclusion générale

L’amélioration du tri pique « Qualité – coût – production » en usinage nécessite une optimisation des conditions de coupe permettant une réduction des paramètres influant. L’un des paramètres les plus influant sur ce tri pique est bien la résistance à la coupe qui s’impose afin de travailler dans des conditions favorables au respect de la qualité d’usinage et de la productivité. L’évaluation analytique et/ou expérimentale des efforts de coupe en tournage est donc plus que nécessaire pour la mise en oeuvre d’une coupe stable et équilibrée. Ce modeste travail traite la prédiction des efforts de coupe en cours de tournage en utilisant des relations analytiques basées sur le modèle mécanique des forces combinées (modèle de Merchant), et sur la mesure de l’épaisseur du copeau après sa formation pour différentes variations des paramètres de coupe (vc, a, p). En première étape, nous avons discuté la complexité des phénomènes qui régissent un processus d’usinage en fabrication mécanique qui fait intervenir un champ de connaissances pluridisciplinaire pour circonscrire la prédiction de la qualité d’usinage liée à la réduction des efforts de coupe. Par conséquent la gestion optimale de ce processus de coupe nécessite l’utilisation d’hypothèses simplificatrices telle que la coupe orthogonale.

En deuxième étape, nous présentons le modèle analytique de Merchant puis le développement des relations liant les paramètres géométriques et cinématiques aux efforts de coupe. En troisième étape, l’approche semi expérimentale à été développée. Après avoir présenté les plans d’expérience, nous avons sélectionné un plan à deux niveaux totalisant 25 essais au lieu de 125. Enfin, nous déterminons des valeurs semi expérimentales sur la base de mesure indirecte de l’épaisseur du copeau hc à l’aide d’un micromètre numérique, et appliquée aux relations analytiques développées par le modèle mécanique de Merchant. Les valeurs obtenues tabulées sont d’une grande capacité de prédiction. Les valeurs optimales de paramètre de coupe (vc, a, p) sont obtenues en considérant comme critère d’optimalité la réduction de l’effort de coupe résultant et l’augmentation de la capacité d’usinage (débit). En perspective, nous souhaitons, synthétiser et développer une loi générale régissant la variation des efforts de coupe en fonction des paramètres cinématiques et géométrique influant une opération d’usinage.

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Table des matières

Introduction Générale
I.Généralité sur le tournage
1.1. Introduction
1.2. Le tournage
1.2.1. Principe
1.3. Principe physique de la coupe des métaux
1.4. Coupe orthogonale
1.5. Formation du copeau
1.5.1. Morphologies des copeaux
1.6.1. Les copeaux continus
1.63. Les copeaux discontinus sous segmentés
1.7. Etude cinématique de la coupe orthogonale
1.8. Résistances à la coupe
1.8.1. Introduction
1.9. Système de force
1.9.1. Force de coupe
1.9.2. Influence de la profondeur de passe et de l’avance
II.Modélisation Analytique
2.1. Modélisation classique de la coupe orthogonale
2.2. Modèle de Merchant (1940-45)
2.2.1. Hypothèses de la théorie
2.2.2. Modèle physique de la coupe
2.2.3. La déformation par cisaillement ε
III. Approche semi-expérimentale
3.1.Introduction
3.2. Etude Expérimentale
3.2.1Conditions des Expériences
3.3. Plans d’expériences
3.3.1. Définition des plans d’expérience
3.3.2. Plans a plusieurs niveaux
3.4.Resultats des essais
3.4.1. Evaluation semi expérimentale des efforts de coupe
3.4.2. Les copeaux obtenus
3.4.3. Interprétations des résultats
Conclusion Générale
Références bibliographiques