Chapitre II - Bibliographie, éléments sur la modélisation du perçage
II. 2 - Les approches empiriques et expérimentales
Le perçage est très certainement l’une des opérations d’usinage les plus complexes. Plusieurs
paramètres (vitesse de coupe et angles de coupe) varient le long des arêtes de coupe, les
mécanismes responsables de la formation du copeau et de son évacuation ne sont pas
observables compte tenu du fait que la coupe à lieu dans un milieu confiné. La difficulté de la
modélisation explique le fait que les premiers travaux s’intéressant à cette opération sont
expérimentaux et débouchent sur des lois empiriques.
Shaw et Oxford [1] ont utilisé l’analyse dimensionnelle pour établir des expressions
permettant de calculer le couple et l’effort axial générés pendant le perçage. Ils ont mis en
place des relations adimensionnelles donnant le couple
Czet l’effort axial
Fz. Selon les
auteurs, l’effort axial et le couple dépendent de la dureté Brinell
HBdu matériau usiné, de
l’avance f mm tr( ), de la longueur de l’arête centrale c, et du diamètre du foret
Det ceci
selonles expressions sans dimension suivantes :
2 1.8 0.8 8 0.2 9 3 1.2
1
1
z B c C K f D K c D H D c D D
−
=
+
+
(2.1)
0.8 2 0.8 15 0.2 14 12 2 1.21
1
z B c F f D c c K K K D H D c D D D
−
= +
+
+
(2.2)
où
K8,
K9,
K15et
K12sont des constantes. Des essais permettent de déterminer la valeur de ces
constantes, elles dépendent du couple outil-matière usinée et sont valables pour une géométrie
donnée.
Pour valider leur étude Shaw et Oxford ont effectué une campagne d’essais essentiellement
sur l’acier SAE 3245 traité
HB= 196-207, avec des forets hélicoïdaux à géométrie classique.
Ils ont évalués les valeurs des constantes pour le SAE 3245. Ils ont constaté que ces
constantes sont valables pour la majorité des aciers de dureté Brinell inférieure à 250. Pour
avec des forets correspondant à différents angles d’hélice (entre 15° et 40°). Ils ont constaté
que l’influence de ce paramètre est négligeable si aucun problème d’évacuation n’est apparu
lors du perçage.
Galloway
[2] a effectué une étude expérimentale pour améliorer les techniques du perçage. Il
a étudié en particulier :
− l’influence des principaux éléments de la géométrie du foret (l’angle de pointe et l’angle
d’hélice principalement) sur la performance de ce dernier,
− les vibrations générées pendant le perçage,
− la durée de la vie du foret et la précision du trou percé.
Pour commencer Galloway a étudié la géométrie du foret hélicoïdal classique, il a établit
plusieurs relations permettant de calculer les divers angles du foret. Il a même développé des
expressions décrivant les mouvements des disques de meulage et la forme de la pointe. Il a
testé ses relations en comparant les valeurs calculées à des valeurs correspondantes mesurées.
Dans son étude Galloway a testé plusieurs types de matériaux (des aciers, un alliage de Titane
et une fonte) et plusieurs géométries de foret (foret hélicoïdal classique avec plusieurs valeurs
d’angle de pointe et d’hélice). Il a remarqué que la fin de la durée de vie du foret peut être
prédite par une augmentation de l’effort axial et du couple. Il a trouvé que l’angle de la pointe
et l’angle de dépouille latéral optimaux Figure 1 dépendent de la matière percée (par exemple
l’angle de la pointe optimale est compris entre 60° et 80° pour la fonte, il est égal à 130° pour
l’acier et l’angle de dépouille nominal optimal est compris entre 9° et 15° pour tous les
matériaux usinés).
Il a montré que l’effort axial généré peut être réduit et la durée de vie améliorée
considérablement en utilisant un foret avec un amincissement approprié au niveau de l’âme
du foret. Pour éviter les vibrations, Galloway a souligné l’importance de la rigidité et de la
machine.
Pour mieux comprendre le perçage, le rôle joué par la géométrie du foret et les phénomènes
physiques qui ont lieu durant l’enlèvement de la matière ; Oxford [3] a réalisé des essais dits
de ‘Quick-Stop’ Figure 2, avec un foret hélicoïdal classique conventionnel. Oxford a employé
un dispositif expérimental spécial permettant d’arrêter brutalement la coupe par une mise en
mouvement de la pièce. Cette méthode a été choisie du fait de l’impossibilité d’observer
directement la formation du copeau pendant le perçage par des techniques alternatives :
photographie directe ou imagerie rapide.
Figure 2. Le dispositif expérimental de l’essai Quick Stop et copeau obtenu avec un tel
type d’essai.
Il a observé la formation du copeau le long des arêtes de coupe. Il a ainsi distingué l’existence
de deux zones Figure 3 :
− La zone des arêtes principales : l’enlèvement de la matière dans cette zone est une coupe
avec une vitesse et un angle normal variable le long des arêtes.
− La zone de l’arête centrale : deux phénomènes sont présents. Le premier est une coupe
avec un angle normal très négatif. Le deuxième se produit uniquement à proximité de
l’axe du foret où l’influence de la vitesse d’avance est très importante. Oxford a considéré
ce phénomène comme de l’indentation.
(a) Deux sections du copeau en deux points de l’arête principale de coupe où on remarque que
le copeau se forme par cisaillement dans la zone primaire.
(b) Deux sections au niveau de l’arête centrale, il y a une coupe avec un angle de coupe très
négatif sur la périphérie de l’arête centrale (Figure gauche) et une déformation plastique avec
écoulement de la matière vers les arêtes principales, phénomène qui s’apparente plus à de
l’indentation (Figure droite).
(c)
Figure 3. (a) et (b) Des observations effectuées par Oxford [3] par des essais de
Quick-Stop, (c) une représentation schématique des observations d’Oxford.
Zone
primaire
Zone
secondaire
Il a mesuré ensuite la projection de l’angle d’écoulement du copeau η
c(L’angle mesuré dans
le plan de la face de coupe entre la normale à l’arête et la direction d’écoulement du copeau,
Figure 4, puis il a développé des relations permettant de calculer cet angle et plusieurs angles
de coupe, en fonction de la géométrie du foret. Il a tracé l’évolution de l’angle d’écoulement
en fonction de l’angle d’inclinaison
i(L’angle mesuré dans le plan qui contient l’arête et la
vitesse de coupe entre la perpendiculaire à la direction de coupe et l’arête de coupe, Figure 4).
Il a constaté que la loi de Stabler [4] qui suppose que l’angle d’écoulement de copeau est
égale à l’angle d’inclinaison dans le cas de coupe oblique (η
c =i) n’est pas valable dans le
cas de perçage.
Figure 4. L’angle d’écoulement du copeau en fonction de l’angle d’inclinaison [3].
Le recours à ces modèles empiriques nécessite souvent la détermination d’un grand nombre
de constantes qui sont propres à chaque type de matériau et qui dépendent également de la
géométrie du foret utilisé. Ces constantes sont alors obtenues moyennant un grand nombre
d’essais, d’où la faiblesse de ces modèles. Ces travaux empiriques et expérimentaux ont
formé néanmoins une première étape dans la compréhension des mécanismes d’enlèvement
du copeau pendant le perçage. Ils ont ouvert le chemin pour des travaux plus approfondis et
qui tient compte de la physique des phénomènes.
Dans le document
Modélisation du perçage à grande vitesse : approches analytique, numérique et expérimentale
(Page 48-53)