Maîtriser la profondeur de passe en usinage CNC : calcul précis et contrôle

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

Cet article vous aidera à comprendre ce que signifie la profondeur de passe en usinage, pourquoi vous devez la contrôler, quelle est la différence entre l'épaisseur de copeau et la profondeur de passe, et comment la calculer.

Dans le processus d'usinage, la profondeur de passe est simplement la profondeur à laquelle l'outil de coupe pénètre dans une pièce et coupe à travers elle 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 nommée Profondeur de Passe ou DOC. Si vous avez besoin d'une application simple et similaire, vous pouvez voir comment les copeaux de chocolat ou les copeaux de chocolat sont coupés.

Les valeurs de profondeur de passe sont mesurées soit en pouces soit en millimètres et varient généralement entre 0,1 et 1 mm.

Pourquoi devez-vous contrôler la profondeur de passe en usinage ?

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

• La chaleur augmente à la pointe de l'outil ;
• Taux d'usure de l'outil ;
• Résistance du produit traité ;
• La qualité de la surface usinée.

Par exemple, il y a une tendance à la formation de bord rapporté (BUE) avec les métaux recuits que les métaux écrouis à froid dans le processus de coupe. Le type de copeau BUE consiste en des couches de copeaux s'accumulant à la pointe de l'outil. Par conséquent, si la profondeur de passe est trop profonde, le BUE non contrôlé affecte également négativement la finition de surface.

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

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

Profondeur de passe et fluide de refroidissement

Avec la diminution de la profondeur de passe, la courbure du copeau diminue et le copeau devient plus bouclé. Dans ce cas et lorsque la chaleur augmente à la pointe de l'outil, vous pourriez penser qu'ajouter du fluide de refroidissement va refroidir le processus.

Cependant, l'ajout de fluide de refroidissement CNC rend le copeau encore plus bouclé, diminue le contact entre l'outil et le copeau, et concentre la chaleur à l'outil ce qui augmente significativement l'usure de l'outil. Dans ce cas, un brise-copeau pourrait être utile.

Profondeur de passe, angle de dépouille 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 d'élasticité. Cela signifie qu'ils sont grandement affectés par les fluctuations de chaleur à la pointe de l'outil en usinage. La profondeur de passe, l'angle de dépouille et la vitesse de coupe doivent tous être ajustés les uns par rapport aux autres pour éviter l'élévation de température et la formation de copeaux gommeux et collants à la pointe de l'outil.

Il convient également de savoir que la profondeur de passe est l'un des trois paramètres principaux 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 du calcul de la profondeur de passe, pourquoi la température de l'outil devient élevée ? pourquoi la finition de surface est mauvaise ? Pourquoi l'outil de coupe s'use rapidement ? Et bien d'autres.

Pour calculer la profondeur de passe, vous devez spécifier les paramètres suivants :

• Quel est le processus d'usinage (Fraisage, Tournage, etc.)
• Matériau de la pièce
• Propriétés de la pointe de l'outil
• 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 matériau alors qu'il se déplace le long de la longueur de la pièce. La profondeur de passe peut être la même que l'avance ou le taux d'avance qui est simplement la distance que l'outil parcourt le long de la pièce à chaque révolution au fil du temps, et elle a l'unité de mm/min.

Par conséquent, la profondeur de passe 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 fixe. La profondeur de passe est simplement la profondeur à laquelle l'outil coupe dans la pièce en un tour. Communément, la profondeur de coupe est 4 fois le diamètre de l'outil de coupe pour les grands diamètres au-dessus de 20 mm et 10 fois la taille du diamètre pour les diamètres d'outil plus petits.

Comparer la valeur d'épaisseur de copeau vs valeur de profondeur de passe

Il est important de différencier l'épaisseur de copeau et la profondeur de passe car elles NE sont PAS les mêmes et n'ont PAS la même valeur.

Pour l'expliquer, nous devons examiner de plus près la Figure 1 du processus de coupe idéal. La valeur de la profondeur de passe (notons-la to) est différente de l'épaisseur de copeau (tc).

Figure 1 : processus de coupe idéal

Le processus d'enlèvement de copeau se fait par cisaillement à un plan de cisaillement bien défini et avec un angle de cisaillement ϕ défini comme illustré dans la Figure 2 suivante. Cela fait que la valeur de l'épaisseur de copeau est toujours supérieure à la valeur de la profondeur de passe.

Figure 2 : mécanisme de base de la formation de copeau

Rapport de coupe vs rapport de compression de copeau

Le rapport entre la profondeur de passe et l'épaisseur de copeau to/tc est appelé rapport de coupe ou rapport d'épaisseur de copeau 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 dépouille α comme montré dans la Figure 1 comme suit :

Où :

ϕ : angle de cisaillement
α : angle de dépouille

La réciproque de cette valeur est appelée rapport de compression de copeau ou facteur de compression de copeau qui indique combien l'épaisseur de copeau est comparée à la profondeur de passe.

Bonus : Profondeur de passe versus forces de coupe et puissance

Connaître la force de coupe et la puissance est crucial dans le calcul de la DOC. Elles peuvent fournir des paramètres importants tels que :

• Outils avec les résistances requises pour éviter l'usure rapide et fournir la meilleure efficacité et finition de surface.
• Dispositifs de serrage et fixations de pièce qui peuvent résister à ces forces avec une distorsion minimale.

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 à travers 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 requise pour couper à travers la surface (us), en plus de l'énergie spécifique de frottement qui est l'énergie requise pour surmonter le frottement entre l'outil et la surface (uf).

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

La vitesse du copeau est liée à la vitesse de coupe comme suit :

Par conséquent, il convient de mentionner que ces formules peuvent être utilisées dans les deux sens pour calculer la profondeur de passe 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 considéré avant de commencer le processus d'usinage. Comme expliqué précédemment, la valeur de la profondeur de passe affecte directement les paramètres d'usinage dépendants tels que les forces d'usinage et les énergies spécifiques. Calculer ces valeurs n'affecte pas seulement la résistance de la pièce et la finition de surface mais aussi le matériau de l'outil, le type de fixations et la possibilité d'utiliser un agent de refroidissement.