Formation des Copeaux : Diagrammes, Types et Facteurs d'Influence

Qu'est-ce que les Copeaux ?

Les copeaux sont des sous-produits de l'usinage mécanique de matériaux à l'aide d'équipements tels que fraises, tours et scies. La Seconde Guerre mondiale et l'introduction d'outils de coupe plus rapides et plus puissants, notamment les fraises en acier rapide pour l'usinage des métaux, ont stimulé la recherche sur la formation des copeaux. Franz (1958) et Kivima (1952) ont mené des travaux pionniers dans ce domaine.

Comment les Copeaux se Forment-ils ?

Lorsqu'un outil de coupe (tour, scie, fraise) interagit avec une pièce, son arête de coupe déforme le matériau, provoquant un cisaillement et une séparation qui créent les copeaux.

Types de Copeaux

En usinage, le type de copeau dépend du matériau de la pièce, de la vitesse de coupe, de l'avance et de la géométrie de l'outil. Les principaux types sont :

Copeau Continu

Les copeaux continus forment un ruban enroulé d'épaisseur constante. Ils apparaissent lors de l'usinage de matériaux ductiles (acier à faible teneur en carbone, cuivre, laiton, alliages d'aluminium) à haute vitesse de coupe et avec une pression de compression et de cisaillement sur l'arête de l'outil. Des arêtes vives et un faible frottement outil-copeau favorisent cette formation.

La zone de déformation principale se situe devant l'arête de coupe. Le matériau se déforme dans la zone de déformation secondaire due au frottement au contact outil-copeau ; l'épaisseur de cette zone est liée au frottement. Une distorsion de surface survient lors de l'usinage de métaux tendres à basse vitesse et faibles angles de dépouille, donnant de mauvais résultats.

Les copeaux continus assurent une coupe fluide et une excellente qualité de surface. Ils augmentent la durée de vie de l'outil et réduisent la consommation d'énergie. L'outil dispose de brise-copeaux pour éviter l'emmêlement, fréquent en tournage.

Copeau Discontinu

Les matériaux fragiles (fonte, bronze, acier à haute teneur en carbone) produisent des copeaux discontinus à vitesses modérées. Ces segments sont faiblement liés. Le matériau perd sa ductilité et se fracture sous l'effet de la contrainte, le flux de copeau se rompant périodiquement.

Les forces de coupe varient fortement pendant la formation. Ce type résulte d'un frottement outil-copeau élevé, d'une avance et d'une profondeur de passe importantes. Les copeaux discontinus dégradent la durée de vie de l'outil et la finition de surface lors de l'usinage de matériaux ductiles.

La rigidité de l'outil et du dispositif de serrage peut provoquer vibrations, inexactitudes dimensionnelles, mauvaise finition et endommagement de l'outil. De par leur courte longueur, les copeaux discontinus sont plus faciles à manipuler et à évacuer.

Copeau Continu avec Arête Rapportée

Un frottement élevé à l'interface outil-copeau fait fusionner du matériau de copeau sur la face de dépouille de l'outil, créant une arête rapportée. Celle-ci peut devenir importante si le copeau frotte constamment l'outil. Elle agit comme une extension de l'arête de coupe, mais reste temporaire et instable.

L'usinage en arrache des fragments. Le copeau et la surface usinée peuvent y adhérer partiellement, causant une mauvaise finition. Paradoxalement, cette arête réduit l'usure de l'outil et prolonge sa vie en formant un revêtement sur l'arête de coupe.

Copeau Segmenté ou Dentelé

Également appelés copeaux non homogènes, ils présentent une alternance de zones de fort et faible cisaillement, donnant un aspect en dents de scie. Cette formation cyclique les rend semi-continus. Ils apparaissent lors de l'usinage de matériaux durs (alliages de titane, superalliages à base de nickel, aciers inoxydables austénitiques) à haute vitesse.

Classification des Copeaux (Franz)

Au milieu du XXe siècle, l'ingénieur américain Dr. Norman Franz a identifié trois classifications principales :

Type I

Le matériau se fracture devant l'arête de coupe par l'action de coin ascendant de l'outil dépassant la résistance à la traction perpendiculaire du matériau. Crucial pour les matériaux fibreux comme le bois, dont les fibres sont fortes mais facilement séparables. Formés avec des outils à angles de coupe peu profonds. Seule la longueur de coupe limite la taille. Structure optimale pour les copeaux de bois, surtout avec un rabot bien réglé.

Type II

Le coin de l'outil cisaillant le matériau. La rupture se produit le long d'un plan incliné court depuis l'arête vers la surface, créant un copeau s'enroulant vers le haut. Formés à angles de coupe intermédiaires. Les matériaux ductiles comme les métaux produisent ce type, pouvant générer des copeaux continus.

Type III

Défaillance par compression du matériau devant un angle de coupe de 90°. Peut créer une fine poussière dans les matériaux fragiles ou non ductiles, mais produit souvent un effet « chasse-neige » aléatoire où les déchets s'accumulent devant l'outil sans être évacués. Typique des défonceuses. Les grattoirs à bois bien affûtés génèrent un copeau fin de Type III ressemblant au Type II avec un plan de cisaillement bien défini.

Facteurs Influant sur la Formation des Copeaux

• Propriétés du matériau : Les matériaux ductiles forment des copeaux continus, les matériaux fragiles des copeaux discontinus.
• Vitesse de coupe et avance : Vitesses et avances élevées favorisent les copeaux continus ; faibles vitesses et avances favorisent les copeaux discontinus.
• Géométrie de l'outil : L'angle et l'affûtage de l'arête de coupe influencent significativement la formation.
• Lubrification et refroidissement : Réduisent le frottement et la température, affectant le type de copeau.
• Température et dureté de la pièce : Influencent également le type de copeau formé.
• Matériau et revêtements de l'outil : Impactent la formation des copeaux.