Maîtriser la profondeur de coupe dans l'usinage CNC :calcul et contrôle précis

Si vous décidez que l'usinage CNC est la méthode dont vous avez besoin pour réaliser votre pièce, alors vous devez savoir que la profondeur de coupe (DOC) est l'un des 3 paramètres les plus importants affectant la qualité du produit d'usinage.

Cet article vous aidera à comprendre ce qu'on entend par profondeur de passe en usinage, pourquoi vous devez la contrôler, quelle est la différence entre l'épaisseur des copeaux et la profondeur de passe, et comment la calculer.

Dans le processus d'usinage, la profondeur de coupe correspond simplement à la profondeur à laquelle l'outil de coupe pénètre dans une pièce et la traverse pour créer un copeau. Dans un processus de coupe idéal, lorsque l’outil de coupe CNC se déplace vers la gauche avec une certaine profondeur à l’intérieur de la surface de la pièce, il crée un copeau. Cette profondeur est appelée Depth of Cut ou DOC. Si vous avez besoin d'une application similaire et simple, vous pouvez voir comment les boucles de chocolat ou les copeaux de chocolat sont coupés.

La profondeur des valeurs de coupe est mesurée en pouces ou en millimètres et varie généralement entre 0,1 et 1 mm.

Pourquoi avez-vous besoin de contrôler la profondeur de passe lors de l'usinage ?

La profondeur de passe a un effet direct sur le processus d'usinage, comme :

• La chaleur augmente au niveau de la pointe de l'outil ;
• Taux d'usure des outils ;
• Résistance du produit transformé ;
• La qualité de la surface usinée.

Par exemple, il existe une tendance à la formation de bords accumulés (BUE) avec les métaux recuits plutôt qu'avec les métaux travaillés à froid lors du processus de découpe. Le type de puce BUE est constitué de couches de copeaux s'accumulant à la pointe de l'outil. Par conséquent, si la profondeur de coupe est trop profonde, un BUE incontrôlé affecte également négativement la finition de surface.

Comment la profondeur de passe interagit-elle avec d'autres facteurs d'usinage ?

La profondeur de passe est l'un des facteurs indépendants affectant le processus d'usinage, elle est donc contrôlée par l'opérateur. Cependant, la profondeur de coupe interagit avec d'autres facteurs et affecte la surface résultante de la pièce et ses propriétés.

Profondeur de coupe et liquide de refroidissement

À mesure que la profondeur de coupe diminue, la courbure du copeau diminue et le copeau devient bouclé. Dans ce cas et lorsque la chaleur augmente au niveau de la pointe de l'outil, vous pourriez penser que l'ajout de liquide de refroidissement refroidira le processus.

Cependant, l'ajout de liquide de refroidissement CNC rend la puce encore plus bouclée, diminue le contact entre l'outil et la puce et concentre la chaleur au niveau de l'outil, ce qui augmente considérablement l'usure de l'outil. Dans ce cas, un brise-copeaux peut s'avérer utile.

Profondeur de coupe, angle de coupe et vitesse de coupe

Un autre exemple peut être trouvé dans l’usinage des thermoplastiques. Les thermoplastiques ont généralement une faible conductivité thermique et un faible module élastique. Cela signifie qu'ils sont fortement affectés par les fluctuations de chaleur au niveau de la pointe de l'outil lors de l'usinage. La profondeur de coupe, l'angle de coupe et la vitesse de coupe doivent tous être ajustés les uns par rapport aux autres pour éviter l'augmentation de la température et la formation de copeaux gommeux et collants à la pointe de l'outil.

Il convient également de savoir que la profondeur de coupe est l'un des trois principaux paramètres affectant la durée de vie de l'outil, avec la vitesse de coupe et l'avance.

Comment calculer la profondeur de passe ?

L’importance d’avoir des relations quantitatives entre différentes variables est évidente lorsque vous avez besoin de calculer la profondeur de passe, pourquoi la température de l’outil devient-elle élevée ? pourquoi la finition de surface est-elle mauvaise ? Pourquoi l’outil de coupe s’use-t-il rapidement ? Et bien d'autres encore.

Afin de calculer la profondeur de coupe, vous devez spécifier les paramètres suivants :

• Quel est le processus d'usinage (fraisage, tournage, etc.)
• Matériau de la pièce
• Propriétés des info-bulles
• Capacités de la machine
• Finition de surface et tolérance requises

Profondeur de passe dans le processus de tournage

En tournage CNC, la pièce tourne tandis que l'outil enlève une couche de matière lorsqu'il se déplace sur la longueur de la pièce. La profondeur de coupe peut être la même que l'avance ou la vitesse d'avance, qui est simplement la distance parcourue par l'outil le long de la pièce à chaque tour au fil du temps, et elle a l'unité de mm/min.

Par conséquent, la profondeur de coupe peut être simplement définie par l'épaisseur du matériau enlevé et peut être calculée à partir de :

Profondeur de passe dans le processus de fraisage

Dans le processus de fraisage CNC, l'outil tourne tandis que la pièce est stable. La profondeur de coupe correspond simplement à la profondeur à laquelle l'outil coupe la pièce en un seul tour. Généralement, la profondeur de coupe est 4 fois le diamètre de l'outil de coupe pour les grands diamètres supérieurs à 20 mm et 10 fois le diamètre pour les diamètres d'outil plus petits.

Comparez la valeur de l'épaisseur des copeaux par rapport à la valeur de la profondeur de coupe

Il est important de faire la différence entre l'épaisseur des copeaux et la profondeur de coupe car elles ne sont PAS les mêmes et n'ont PAS la même valeur.

Afin de l’expliquer, nous devons examiner de plus près la figure 1 du processus de découpe idéal. La valeur de la profondeur de coupe (notons-la par to) est différente de l'épaisseur des copeaux (tc).

Figure 1 :processus de découpe idéal

Le processus d'élimination des copeaux s'effectue par cisaillement selon un plan de cisaillement bien défini et avec un angle de cisaillement défini ϕ, comme illustré dans la figure 2 suivante. Cela rend la valeur de l'épaisseur des copeaux toujours supérieure à la valeur de la profondeur de coupe.

Figure 2 :mécanisme de base de la formation des copeaux

Taux de coupe par rapport au taux de compression des copeaux

Le rapport entre la profondeur de coupe et l'épaisseur des copeaux to/tc est appelé rapport de coupe ou rapport d'épaisseur des copeaux et est noté (r) et peut être calculé comme suit :

Il peut également être calculé à partir de l'angle de cisaillement ϕ et de l'angle de coupe α comme le montre la figure 1 comme suit :

Où :

ϕ :angle de cisaillement
α :angle de coupe

L'inverse de cette valeur est appelé taux de compression des copeaux ou facteur de compression des copeaux, qui indique dans quelle mesure l'épaisseur des copeaux est comparée à la profondeur de coupe.

Bonus :Profondeur de coupe par rapport aux forces et à la puissance de coupe

Connaître la force et la puissance de coupe est crucial pour calculer le DOC. Ils peuvent fournir des paramètres importants tels que :

• Outils dotés des résistances requises pour éviter une usure rapide et offrir une efficacité et un état de surface optimaux.
• Porte-pièces et fixations capables de résister à ces forces avec un minimum de distorsion.

La puissance requise est simplement le produit de la force de coupe multipliée par la vitesse et peut être calculée comme suit :

Où Fc est la « force de coupe » et est définie comme la force exercée par l'outil pour couper la pièce, et agit dans la même direction que la vitesse de l'outil V.

L'énergie spécifique totale est l'énergie totale requise pour effectuer la force de cisaillement nécessaire pour couper la surface (us), en plus de l'énergie spécifique de frottement qui est l'énergie nécessaire pour surmonter le frottement entre l'outil et la surface (uf).

L'énergie spécifique au cisaillement et l'énergie spécifique au frottement sont liées à la profondeur de coupe et peuvent être calculées comme suit :

La vitesse des copeaux est liée à la vitesse de coupe comme suit :

Par conséquent, il convient de mentionner que ces formules peuvent être utilisées vice versa pour calculer la profondeur de coupe au cas où vous auriez des paramètres de machine spécifiques.

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Conclusion

La profondeur de passe est un paramètre très important qui doit être pris en compte avant de commencer le processus d'usinage. Comme expliqué précédemment, la valeur de profondeur de coupe affecte directement les paramètres d'usinage dépendants tels que les forces d'usinage et les énergies spécifiques. Le calcul de ces valeurs n'affecte pas seulement la résistance et l'état de surface de la pièce, mais également le matériau de l'outil, le type de fixation et la possibilité d'utiliser un agent de refroidissement.