Rayon de coupe vs rayon de nez dans les outils de coupe : ce qu'il faut savoir

L'usinage ou la coupe des métaux est un procédé de fabrication soustractif où l'excès de matériau est progressivement retiré sous forme de copeaux à partir d'une ébauche préformée à l'aide d'un outil de coupe afin de conférer la forme, la taille et la finition de surface souhaitées. Pour retirer continuellement (cisaillement) des couches de matériau, un outil de coupe à arête vive est indispensable. Pendant l'usinage, des mouvements relatifs sont fournis entre la pièce et l'outil de coupe dans des directions particulières en fonction de la géométrie de la caractéristique prévue et de l'opération sélectionnée. Ainsi, l'outil compresse une fine couche de matériau par sa pointe et la cisaille ensuite. Puisque toute l'action de cisaillement du matériau est réalisée par cet outil, sa géométrie, son orientation et son matériau sont trois facteurs cruciaux qui influencent l'ensemble de la performance d'usinage.

Qu'est-ce qui relève de la géométrie de l'outil ?

La géométrie de l'outil traite des diverses caractéristiques géométriques de l'outil de coupe qui influencent directement la capacité et la performance d'usinage. Il existe une forme de base de l'outil pour chaque opération d'usinage ; cependant, de nombreuses caractéristiques géométriques peuvent varier dans certaines limites pour fournir un résultat optimal sous des conditions spécifiées tout en maintenant la forme de base inchangée. De telles caractéristiques sont également affichées de manière standardisée dans divers systèmes de désignation d'outils (par exemple, ASA, ORS, NRS, MRS, etc.).

La surface de dépouille et la surface de dégagement sont deux surfaces importantes de chaque outil et leurs inclinaisons sont indiquées à l'aide de l'angle de dépouille et de l'angle de dégagement, respectivement. Certains outils peuvent également avoir plus d'une surface de dégagement et ils sont nommés en conséquence comme surfaces de dégagement principale et auxiliaire et les angles correspondants comme angles de dégagement principal et auxiliaire. Un outil particulier peut avoir des angles variables en fonction de la direction (ou du plan) dans laquelle il est mesuré et cela se reflète également dans les signatures d'outils (par exemple, angle de dépouille latéral et angle de dépouille arrière — tous deux indiquent l'inclinaison de la surface de dépouille mais dans des directions différentes).

En plus des angles de dépouille et de dégagement, la signature de l'outil peut également afficher d'autres informations comme le rayon de nez. Cependant, la géométrie de l'outil peut englober d'autres informations pertinentes en dehors de celles trouvées dans la signature de l'outil. Le rayon de coupe en est un exemple vital.

Concept de coupe et de nez de l'outil

Physiquement, une arête se produit lorsque deux surfaces solides se croisent et un nez se produit lorsque trois ou plusieurs surfaces solides se croisent ensemble. Dans l'outil également, l'arête émerge là où la surface de dépouille et la surface de dégagement se croisent et est appelée arête de coupe. Si l'outil contient deux surfaces de dégagement, deux arêtes de coupe seront produites — arête de coupe principale (intersection entre la surface de dépouille et la surface de dégagement principale) et arête de coupe auxiliaire (intersection entre la surface de dépouille et la surface de dégagement auxiliaire). Un outil peut contenir une ou plusieurs arêtes de coupe et, en conséquence, les outils peuvent être classés comme outils à pointe unique et outils à pointes multiples.

Lorsque trois surfaces de pointe d'outil (dépouille, dégagement principal et dégagement auxiliaire) se croisent ensemble, un nez d'outil émerge. Pendant l'usinage, ce nez reste en contact physique avec la pièce et est soumis à une pression et un frottement extrêmes.

Qu'est-ce que le rayon de coupe ?

Aucune arête n'est parfaitement affûtée. Même si elle l'était, elle ne pourrait pas être mesurée avec précision car chaque instrument de mesure a une capacité limitée. En fait, l'affûtage ne peut pas être mesuré directement. C'est l'arrondi de l'arête qui est mesuré et l'affûtage est inversement proportionnel à l'arrondi. Plus l'arrondi ou le rayon de l'arête est élevé, moins elle est affûtée. Donc, l'arrondi est une mesure quantitative du rayon de coupe ; tandis que l'affûtage est une mesure qualitative basée sur la valeur de l'arrondi.

Valeur du rayon de coupe

Bien que la limite théorique minimale pour l'arrondi soit le rayon de l'atome du matériau concerné, pratiquement, une telle arête aura une résistance très faible et n'aura donc aucune application. Cela indique qu'une arête de coupe très affûtée (rayon très faible) aura une faible résistance et se brisera rapidement pendant l'usinage. Ainsi, un arrondi approprié est fourni sur chaque arête de l'outil afin qu'il ne casse pas ou ne s'émousse pas rapidement. La valeur du rayon de coupe varie généralement entre 0,5 et 10 µm pour les outils de micro-usinage et de précision, et entre 10 et 500 µm pour les outils conventionnels.

Effets du rayon de coupe sur l'usinage macro

Dans l'usinage macro conventionnel comme le tournage, le fraisage, le perçage, etc., ce paramètre a une influence insignifiante sur la performance globale d'usinage car l'épaisseur de copeau non coupé est écrasante plus grande que le rayon de coupe. Typiquement, l'épaisseur de copeau non coupé est de 0,2 à 2 mm, tandis que le rayon de coupe est de 0,5 à 10 µm ; cela signifie 500 à 1000 fois plus grand. Comme c'est un paramètre trivial dans l'usinage conventionnel, il n'est pas incorporé dans la signature de l'outil correspondant.

Effets du rayon de coupe sur le micro-usinage

Cependant, lorsque l'usinage est effectué à l'échelle micro ou nano, le rayon de coupe devient un paramètre prédominant qui influence la capacité de coupe et la qualité de la surface usinée. Dans de tels cas, le rayon de coupe devient comparable à l'épaisseur de copeau non coupé. Par exemple, dans les fraises de micro-fraisage (micro fraise à bout), le rayon de coupe est typiquement de 2 à 5 µm, tandis que l'avance (équivalente à l'épaisseur de copeau non coupé en fraisage de bout) n'est que de 0,5 à 10 µm/dent. De même, dans le tournage diamant (usinage de précision), le rayon de coupe est un paramètre significatif. Diverses investigations ont révélé que la profondeur de coupe minimale doit être comprise entre 10 et 50 % (selon les autres paramètres) du rayon de coupe afin de retirer efficacement le matériau à chaque passe.

Qu'est-ce que le rayon de nez ?

Dans l'outil de coupe, le nez est le résultat de l'intersection de la surface de dépouille, de la surface de dégagement principale et de la surface de dégagement auxiliaire. Comme d'habitude, il ne peut pas être parfaitement affûté et un arrondi approprié est fourni sur la pointe de l'outil. Le rayon de ce nez arrondi, mesuré sur le plan de référence, donne la valeur du rayon de nez. C'est un paramètre significatif pour l'usinage conventionnel également car sa valeur est proche de l'épaisseur de copeau non coupé.

Valeur du rayon de nez

Typiquement, le rayon de nez des outils conventionnels varie entre 0,8 et 2 mm ; tandis que l'épaisseur de copeau non coupé peut être de 0,2 à 2 mm. Pour les micro-outils, le rayon de nez est beaucoup plus petit, typiquement quelques dizaines de microns.

Une comparaison scientifique entre le rayon de coupe et le rayon de nez est présentée dans cet article. En conclusion, on peut dire que le rayon fourni sur l'arête de coupe est essentiellement le rayon de coupe et le rayon fourni sur la pointe de l'outil est appelé rayon de nez. Dans l'usinage macro conventionnel, le rayon de coupe a une influence insignifiante, mais dans l'usinage micro ou de précision, c'est un paramètre dominant. Le rayon de nez, cependant, influence toujours la performance d'usinage.