Principe du Couple Outil-Matière et problématique en perçage orbital

Problématique du COM en perçage orbital ... 68 2.2. Proposition d'une méthode d’optimisation en perçage orbital ... 69 2.3. Application et résultats ... 70 Moyens d’essais ... 70 Résultats du COM orbital ... 71 Qualités dimensionnelles et géométriques ... 75 État de surface ... 77 2.4. Conclusions ... 78

65 Face aux besoins pressants de données techniques permettant le choix et la détermination de meilleures conditions d’utilisation d’un outil de coupe, les chercheurs et l’industrie manufacturière ont développé diverses méthodes expérimentales pour déterminer leurs domaines/points de fonctionnement. Ces méthodes reposent pour la plupart sur l’analyse des efforts, du couple et de l’énergie spécifique de coupe. Celle couramment employée est basée sur le concept de Couple Outil-Matière. Il s’agit d’une approche normalisée (normes françaises NF E66-520-1 à 8) qui s’appuie sur la minimisation des efforts spécifiques et/ou de l’énergie spécifique de coupe en fonction des conditions d’usinage. Elle est assez chronophage et nécessite d’importants moyens d’essais, de mesure et de contrôle. Néanmoins, cette démarche une fois mise en place, fournie des résultats (efforts de coupe et morphologie des copeaux, état de surface) d’une manière rapide. A partir de ces résultats, les conditions de coupe optimisées peuvent être obtenues.

2.1. Principe du Couple Outil-Matière et problématique en perçage orbital

Principe du couple outil-matière

Le couple outil-matière (COM) est l’ensemble des paramètres définissant le domaine de fonctionnement d’un outil de coupe pour un matériau donné et une opération d’usinage bien définie (perçage, tournage, fraisage) (NF E66-520-2). Il suppose donc une définition précise de l’outil, de la matière à usiner, des conditions de lubrification et de l’opération d’usinage. Cette méthodologie doit être appliquée à nouveau si l’un de ces paramètres venait à changer. Elle s’effectue au moyen de trois types de paramètres (NF E66-520-2):

 Les paramètres limites qui définissent le minimum et le maximum de tous les paramètres d’utilisation de l’outil en les considérant indépendamment les uns des autres. Il s’agit de la ou les profondeurs de passe, l’avance par tour ou par dent, la vitesse de coupe, la durée de vie de l’outil.

 Les paramètres de liaison qui décrivent les interactions des paramètres limites. Sachant qu’il est impossible d’utiliser tous les paramètres limites à leurs maximum et/ou leur minimum simultanément, il convient de pouvoir écrire les interactions des paramètres limites. Il s’agit généralement de la section de coupe, le débit de copeaux, le couple autorisé, les exposants et constante du modèle de Taylor généralisé.

 Les paramètres auxiliaires qui permettent, par voie de calcul, la transposition des conditions de coupe dans des environnements de production différents. Principalement, il s’agit de l’effort spécifique de coupe et l’énergie spécifique de coupe qui représentent la puissance de coupe divisée par le débit de copeaux.

Le perçage orbital pourrait s’apparenter à du fraisage. Mais, dans la mesure où le ratio diamètre outil / diamètre percé est fixé, il n’y a pas d’engagement matière variable possible. Le perçage orbital s’apparente alors davantage à du perçage. Les normes (NF 520-7) et (NF E66-520-8) définissent les spécificités de la méthode COM appliquée à l’opération de perçage. Le programme d’essais se déroule en trois principales étapes dont la plus importante consiste à déterminer les limites minimales et maximales de vitesse de coupe Vc et de l’avance f.

Pour une avance choisie en conformité avec le matériau et la dimension de l’outil, une variation de la vitesse de coupe est effectuée, afin d’identifier les limites d’utilisation en vitesse.

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Après interprétation des résultats, un balayage suffisamment large en avance est effectué pour les vitesses de coupe choisies dans la plage validée précédemment. Le but est de définir également les limites d’utilisation en avance. Une fois ces limites minimales et maximales en vitesse de coupe et en avance identifiées, il est alors possible de déterminer le domaine technologique d’utilisation (Figure 2.1). Ensuite, il faut effectuer un quadrillage des essais dans ce domaine théorique d’utilisation de l’outil et éliminer les couples (Vc, f) qui fournissent des efforts spécifiques Kc supérieurs à une certaine valeur seuil.

Figure 2.1 : Exemple de domaine technologique prédéterminé

Cette méthode globale nécessite un nombre important de tests Vc-f, ce qui la rend plus longue à mettre en œuvre et beaucoup plus compliquée à interpréter, bien qu’elle soit la plus répandue. Une méthode plus rapide (la méthode en croix) consiste à choisir une avance et à faire varier les vitesses de coupe dans une plage suffisamment grande. Ensuite, le choix de la vitesse de coupe optimale est effectué dans les limites d’utilisation en vitesses de coupe identifiées. Enfin, pour la vitesse de coupe optimale déterminée, un balayage en avance est effectué.

Les critères de performance sont fixés par le niveau d’efforts spécifiques et/ou d’énergies spécifiques de coupe (Kc,Fc, et Kc,P, respectivement). Ces deux paramètres sont donnés par les équations (2.1) et (2.2).

L’allure générale des courbes obtenues sont présentées sur la Figure 2.2. Le comportement en fonction de la vitesse de coupe s’explique par le fait qu’en dessous de la vitesse de coupe

K _, = ^. = _.∅ (2.1) K _, = ^. / = ^. . ^.∅ . = ^. . ^.∅ . . (2.2)

K _, : Effort spécifique de coupe (N.mm^-2) K _, : Energie spécifique de coupe (N.mm^-2)

F : Efforts de coupe (N) V : Vitesse d’avance (mm/min)

Q : Débit de copeaux (mm³/min) P : Puissance de coupe (W)

∅ : Diamètre outil (mm) f : avance (mm/tr)

67 minimale, l’outil broute et la matière se déforme. Cette situation conduit plus à un « arrachement » de matière qu’à une coupe. La coupe consomme donc beaucoup d’énergie par des efforts et des frottements intenses. Au-dessus de la valeur maximale, l’augmentation de la vitesse accroîtrait certes la productivité, mais elle engendrerait un problème d’usure accélérée de l’outil liée aux températures élevées et la puissance consommée deviendrait importante.

Concernant Kc=f(f), l’évolution de l’énergie spécifique pour les avances inférieures à l’avance minimale traduit la notion de copeau minimum. Une trop faible épaisseur de copeau entraîne un frottement excessif de l’outil qui vient donc écrouir la surface du matériau et écraser la matière plutôt que la couper. Au-delà de l’avance maximale, le supplément d’énergie spécifique est requis pour vaincre les efforts de poussée liés à l’avance de plus en plus importante de l’outil dans le matériau. Il en résulte une usure prématurée de l’outil.

Figure 2.2 : Allures des courbes de l'effort spécifique Kc en fonction de la vitesse de coupe Vc et de l’avance f

L’optimisation des paramètres de coupe prend également en compte le contrôle de l’outil (pas de dégradation), la qualité des trous (respect des tolérances, état de surface), et de la morphologie des copeaux (type, longueur, encombrement de l’opération, …). La Figure 2.3 présente un exemple de types de copeaux obtenus au cours du perçage d’un alliage de titane pour différentes avances considérées.

Figure 2.3 : Morphologie des copeaux en fonction de l’avance lors de l’usinage du titane (Bonnet, 2010)

Les deux autres étapes sont les essais d’usure et les essais de détermination des paramètres auxiliaires (NF E66-520-7, 2000) (NF E66-520-8, 2000).

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Problématique du COM en perçage orbital

Tout comme en perçage axial, il est possible de définir en perçage orbital la vitesse de coupe et l’avance axiale en fonction de la vitesse de rotation de l’outil et de la vitesse d’avance axiale par les équations (2.3) et (2.4). Cependant, il existe un troisième paramètre spécifique au perçage orbital : l’avance tangentielle (ft), programmée à travers la vitesse de rotation orbitale (équation (2.5)). La difficulté réside dans le fait que cette avance tangentielle n’est pas indépendante de l’avance axiale ; ensemble, elles définissent la géométrie du copeau. Ainsi, il n’est pas judicieux de réaliser un COM en perçage orbital en considérant indépendamment les deux avances. Par conséquent, il semble plus pertinent de considérer, avec l’avance axiale, un paramètre supplémentaire.

Comme présenté au chapitre 1, le perçage orbital peut être assimilé à une opération de fraisage hélicoïdal. Dès lors, une alternative aurait été d’appliquer la procédure du COM en fraisage conventionnel, afin de déterminer les conditions optimales de coupe en perçage orbital. Cependant, les paramètres limites du COM fraisage conventionnel que sont la vitesse de coupe (V ), l’avance par dent (f ), l’épaisseur de copeau (h), l’engagement axial (a ), et l’engagement radial (a ) sont indépendants, et peuvent donc être optimisés indépendamment (NF E66-520-5) (NF E66-520-6). En perçage orbital, nous avons l’engagement axial maximal (a∗) qui dépend des avances axiale et tangentielle (équation (2.6)). En outre, le ratio diamètre outil/diamètre trou percé reste constant au cours du perçage orbital. Ainsi, il n’est pas judicieux d’appliquer le COM « conventionnel » à l’opération de perçage orbital, d’où la nécessité de développer une nouvelle méthodologie d’optimisation adaptée au perçage orbital.

Le paramètre supplémentaire considéré est le pas de la trajectoire hélicoïdale (p). Il est particulièrement représentatif de l’opération de perçage orbital et caractérise parfaitement la trajectoire. Il est défini par la vitesse d’avance axiale et la vitesse de rotation orbitale (équation (2.7)). V = ^{.∅ .} (2.3) f = (2.4) f = = ^{.∅ .} (2.5) a∗ = π. ∅ . (2.6) p = p = π. ∅ . (2.7)

V : Vitesse de coupe (m.min^-1) V : Vitesse d’avance axiale (mm.min^-1) f : Avance axiale (mm.tr^-1) V : Vitesse d’avance tangentielle (mm.min^-1) f : Avance tangentielle (mm.tr^-1) a∗ : Engagement axial maximal(mm)

N : Vitesse de rotation de l’outil (tr.min^-1) N : Vitesse de rotation orbitale (tr.min^-1)

∅ : Diamètre de l’outil (mm ∅ : Diamètre de l’excentrique(mm)

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