Impact d'une faible efficacité de production sur la force de coupe en fraisage CNC

Lors de la coupe de métal sur une fraiseuse CNC, l'outil pénètre dans la pièce et déforme le matériau en copeaux : c'est la force de coupe. Elle est essentielle pour calculer la puissance de coupe, concevoir outils, machines, dispositifs et définir les paramètres de coupe. En production automatisée, le processus et l'état de l'outil peuvent être surveillés via la force de coupe.

Force de coupe et puissance de coupe en fraisage CNC

1. Source de la force de coupe

D'une part, la résistance due aux déformations élastique et plastique lors de la formation du copeau. D'autre part, la résistance au frottement entre copeau et face de dépouille de l'outil, et entre pièce et face de racle.

2. Force de coupe et décomposition

La force de coupe totale F est une force spatiale. Pour faciliter mesure, calcul et conception, on la décompose en trois composantes mutuellement perpendiculaires : Fc, Fp, Ff.

• Force de coupe principale Fc : projection de F dans la direction du mouvement principal, perpendiculaire au plan de base. Base pour puissance machine, résistance outil, conception dispositif et choix paramètres. Fc = kc × ad = kc × hd × bd = kc × ap × f.
• Force arrière Fp : composante de F perpendiculaire à la direction d'avance. Facteur principal de déformation pièce et vibrations système.
• Force d'avance Ff : composante de F dans la direction d'avance. Base pour conception/vérification mécanisme d'avance et puissance d'avance machine.

Relations : Ff = Fd × sin κr, Fp = Fd × cos κr.

3. Puissance de coupe de la fraiseuse CNC

Puissance consommée par la force de coupe, Pm (kW). En tournage extérieur, somme des puissances de Fc et Ff. Ff ne représentant que 1~5 %, on l'ignore souvent, Fp ne travaillant pas. Donc Pm = Fc × vc (Fc en N, vc en m/s).

En tenant compte du rendement de transmission η (0,75~0,85), la puissance moteur Pe ≥ Pm / η.

Principaux facteurs influençant la force de coupe

1. Influence du matériau de la pièce

Plus la résistance et la dureté sont élevées, plus la force de coupe totale augmente (malgré une légère diminution de la déformation). Pour matériaux de résistance/dureté similaires, une plasticité plus grande augmente le coefficient de frottement avec l'outil, donc la force de coupe. Pour matériaux fragiles, force de coupe plus faible (faible déformation plastique, faible frottement copeau/face racle).

2. Influence des paramètres de coupe

• Profondeur de passe ap et avance f : quand f et ap augmentent, la section de coupe augmente et Fc augmente, mais différemment. En tournage, doubler ap double Fc ; doubler f augmente Fc de 68~86 %. Donc, pour limiter Fc et puissance, augmenter l'avance est préférable à augmenter la passe.
• Vitesse de coupe vc : Courbe d'influence sur force de coupe pour usinage acier 45 (ap=4mm, f=0,3mm/tr) avec outil carbure YT15. Métaux plastiques : dans zone d'accumulation copeau, croissance de l'accumulation augmente angle de racle réel, réduit déformation et force de coupe ; réduction de l'accumulation augmente la force. Sans accumulation, vc augmente → température augmente → frottement face racle diminue → déformation diminue → force diminue. D'où l'usage du fraisage grande vitesse pour productivité. Métaux fragiles : vc augmente → force diminue légèrement.

3. Influence des paramètres géométriques de l'outil

• Angle de racle : influence majeure. Augmenter l'angle de racle (métaux plastiques) réduit extrusion, frottement, améliore évacuation copeau, réduit force totale. Métaux fragiles : effet peu marqué.
• Chanfrein négatif : sur arête vive, améliore résistance arête et durée vie outil, mais augmente déformation métal coupé et force de coupe.
• Angle de dépouille principal κr : influence via changement épaisseur de coupe et longueur arête courbe. Peu d'effet sur Fc, mais influence nette sur proportion Fp/Ff. F'd = poussée pièce sur outil. F'p = F'd cos κr, F'f = F'd sin κr. Augmenter κr augmente F'f et diminue F'p. Pour pièce élancée, κr plus grand réduit/évite fléchissement.

4. Autres facteurs : frottement outil/pièce

Mêmes conditions : force coupe acier rapide > carbure > céramique. Liquide de coupe réduit force, plus le pouvoir lubrifiant est élevé, plus la réduction est significative. Frottement accru → usure outil plus grave.