Maîtriser la formation des copeaux : Stratégies pour contrôler et optimiser les processus de coupe

Avec l'avènement de l'automatisation d'usine avancée et de l'Industrie 4.0, les systèmes de fabrication autonomes gagnent en importance. L'évacuation correcte des copeaux est un facteur essentiel pour un usinage véritablement autonome. Lisez la suite pour découvrir les facteurs affectant la formation des copeaux et les techniques pour les contrôler.

Au cours des dernières décennies, les machines-outils ont continué à s'améliorer en permanence, et les systèmes d'usinage autonomes se sont établis comme des composants irremplaçables de l'automatisation d'usine. Les problèmes de processus d'usinage, tels que l'évacuation des copeaux, entravent les systèmes d'usinage autonomes efficaces. Par conséquent, un contrôle efficace des copeaux est une caractéristique cruciale de tous les systèmes d'usinage modernes.

Les caractéristiques des copeaux formés dépendent du type de matériau usiné, ductile ou fragile. D'autre part, les paramètres du processus d'usinage jouent également un rôle important dans la formation des copeaux, à savoir : le débit d'avance, l'angle de dépouille, la vitesse de coupe, la profondeur de coupe et les forces de frottement (utilisation de lubrifiants et réfrigérants).

Les opérateurs de machines règlent généralement les paramètres du processus pour obtenir des pièces de haute qualité et un fonctionnement efficace de la machine, tout en comptant sur les brise-copeaux pour les aider à l'évacuation des copeaux.

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Formation des copeaux

Pendant l'usinage, à mesure que l'outil avance dans la pièce, le métal devant lui se comprime. Lorsque la compression dépasse la limite de compression, le métal se sépare de la pièce et s'écoule plastiquement sous forme de copeau (déformation de cisaillement).

L'écoulement du métal se produit au plan de cisaillement en raison du cisaillement primaire. Le plan de cisaillement s'étend à un angle vers le haut à partir de la surface non coupée devant l'outil. La valeur de l'angle de cisaillement dépend du type de matériau et des conditions de coupe (angle d'outil, vitesse de coupe, etc.). Lorsque l'angle de cisaillement est petit, le chemin de cisaillement sera long, les copeaux seront épais, et la force de coupe sera élevée, et vice versa.

Alors que le copeau glisse le long de la face de l'outil, le cisaillement secondaire se produit en raison du frottement. Le frottement augmente la température du processus d'usinage, provoquant une surchauffe excessive des copeaux.

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Types de copeaux

Les types de copeaux formés lors de l'usinage des métaux sont :

• Copeaux segmentés
• Copeaux continus
• Copeaux continus avec arête rapportée (BUE - Built-Up Edge)

Copeaux segmentés (discontinus)

Les copeaux segmentés se produisent généralement lors de l'usinage de métaux fragiles tels que le laiton, le bronze ou la fonte. En général, les copeaux segmentés sont le résultat des conditions d'usinage suivantes :

• Faible débit d'avance ;
• Faible angle de dépouille ;
• Haute vitesse de coupe ;
• Frottement outil-copeau élevé ;
• Profondeur de coupe significative.

Les copeaux segmentés offrent une finition de surface propre dans les métaux fragiles, une évacuation facile des copeaux, une durée de vie de l'outil plus longue et une consommation d'énergie réduite. Dans le cas des métaux ductiles, les copeaux segmentés entraînent généralement une mauvaise finition de surface et une durée de vie de l'outil plus faible.

Copeaux continus

Les copeaux continus se produisent généralement lors de l'usinage de métaux malléables tels que l'acier, le cuivre ou l'aluminium à des vitesses de coupe élevées. Pendant l'usinage, la température entre la pointe de l'outil et la pièce ductile devient élevée. Chaque couche de métal enlevé se soude à la couche précédente, formant un flux de copeau long et continu. En général, les copeaux continus se produisent sous les conditions d'usinage suivantes :

• Faible profondeur de coupe ;
• Grand angle de dépouille ;
• Haute vitesse de coupe ;
• Faible frottement outil-copeau (utilisation de lubrifiants ou réfrigérants) ;
• Arête de coupe affûtée.

Les copeaux continus offrent une finition de surface propre, une durée de vie de l'outil plus longue et une consommation d'énergie réduite. D'un autre côté, l'évacuation de ce type de copeaux est difficile. Il est nécessaire d'utiliser des brise-copeaux pour améliorer les conditions d'évacuation.

Copeaux continus avec arête rapportée (BUE)

La formation de copeaux continus avec BUE est causée par un frottement élevé entre l'outil et le copeau lors de l'usinage de métaux ductiles. Sous ces conditions, certaines particules de copeau ont tendance à se lier à la pointe de l'outil. À mesure que le matériau lié forme le nouveau bord de coupe, il continue de s'accumuler jusqu'à ce qu'il se détache de la pointe de l'outil. Lors de la rupture, le matériau accumulé se lie à la fois au copeau et à la surface de la pièce, résultant en une mauvaise finition de surface. Un autre nom pour la formation de BUE est « soudure de copeau ». En général, les copeaux continus avec BUE se produisent sous les conditions suivantes :

• Faible angle de dépouille ;
• Faible vitesse de coupe ;
• Forces de frottement élevées ;
• Avance élevée.

Puisque les copeaux continus avec BUE affectent négativement la durée de vie de l'outil, augmentent la consommation d'énergie et causent une mauvaise finition de surface, leur prévention est cruciale. Des mesures telles que la réduction du frottement par l'utilisation de lubrifiants, la prévention du contact métal-métal par des revêtements d'outil, et la réduction de la température par l'utilisation de réfrigérants, ont un effet positif sur la prévention de la soudure de copeau.

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Contrôle des copeaux

L'usinage de métaux malléables tels que l'acier à haute vitesse de coupe et grands angles de dépouille mène à la formation de copeaux longs et filamenteux. Ces copeaux aux arêtes vives, chauds et continus qui sortent à grande vitesse peuvent mettre en danger la sécurité des opérateurs de machines, endommager le produit en s'emmêlant avec l'outil et compliquer leur évacuation. Il est impératif de briser les copeaux en géométries gérables.

Les copeaux peuvent se briser soit par auto-brisure, soit par brisure forcée. Lors de l'usinage de matériaux ductiles, en raison de la différence de température et de vitesse d'écoulement, les copeaux ont tendance à s'enrouler. Les copeaux enroulés peuvent s'auto-briser de trois manières différentes :

• Par fracturation naturelle due à la contrainte induite par le refroidissement ;
• En heurtant la pièce ;
• En heurtant l'outil.

La méthode la plus courante pour la brisure forcée est l'utilisation d'un brise-copeaux.

Brise-copeaux

La fonction la plus basique des brise-copeaux est de forcer les copeaux à s'enrouler plus étroitement qu'ils ne le feraient naturellement. L'enroulement forcé cause la rupture du copeau en heurtant soit la pièce, soit l'outil. Les brise-copeaux améliorent l'efficacité d'usinage en améliorant le contrôle des copeaux et en réduisant les forces de coupe.

La plupart des brise-copeaux modernes se présentent sous forme de rainures ou d'obstructions sur l'outil de coupe. La conception des brise-copeaux tourne autour de la recherche de la meilleure géométrie pour un scénario d'usinage donné, qui créera une contrainte dans le copeau et le fera se briser facilement.

Les brise-copeaux à rainure incorporent une petite rainure derrière le bord de coupe principal. La géométrie de la courbe détermine le rayon de courbure du copeau.

Le brise-copeaux à obstruction présente une géométrie distinctive qui ressemble à un degré. L'obstruction peut être soit intégrale, soit attachée à l'outil de coupe. Dans le cas du type « attaché », il est possible de les ajuster pour diverses conditions d'usinage.

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Conclusion

Le processus d'usinage est un subtil jeu d'interaction entre la physique, la science des matériaux et la mécatronique. Pendant l'usinage, l'enlèvement de matière est le résultat des forces d'interaction entre la pièce et l'outil d'usinage. La nature de ces forces d'interaction définit la couleur et la taille des copeaux. Les copeaux sont des données de recherche et de diagnostic précieuses pour les ingénieurs de coupe. Néanmoins, lorsqu'ils ne sont pas correctement gérés, les copeaux tendent à diminuer la productivité des machines.

Trois types distincts de copeaux peuvent se produire pendant l'usinage : segmentés, continus et continus avec BUE. La formation des copeaux dépend de la sélection du matériau et des paramètres du processus d'usinage.

L'évacuation des copeaux est un facteur vital à considérer lors de l'amélioration de l'efficacité globale d'usinage et de la planification de l'opération autonome des machines. Même si les copeaux segmentés et continus sont auto-brisants sous certaines conditions d'usinage, c'est une règle empirique d'utiliser des brise-copeaux dans les configurations d'usinage.

La rupture des copeaux en longueurs appropriées par un brise-copeaux empêche l'emmêlement des copeaux avec l'outil, diminue les vibrations et prévient les dommages à l'outil. Le brise-copeaux réduit également la résistance de coupe, ce qui à son tour prévient l'écaillage et la fracture du bord de coupe.

Lors de l'utilisation d'un brise-copeaux, il est nécessaire de choisir le bon pour le travail. Pour les opérations de tournage telles que la finition, le moyen et l'ébauche, nous devons choisir les brise-copeaux corrects pour chacun. Il est essentiel d'utiliser un brise-copeaux approprié basé sur la profondeur de coupe désirée, le débit d'avance, la vitesse de broche et la finition de surface désirée.