Chapitre 2. Couple Outil-Matière en perçage orbital : Vers une optimisation des
2.1. Principe du Couple Outil-Matière et problématique en perçage orbital
Principe du couple outil-matière ... 65
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
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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 oules 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, lesexposants 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 (K
c,Fc, et K
c,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 (mm
3/min) P : Puissance de coupe (W)
∅ : Diamètre outil (mm) f : avance (mm/tr)
N : Vitesse de rotation outil (tr/min)
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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 (f
t), 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)
p : Pas de la trajectoire hélicoïdale (mm)
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Dans le document
Etude et optimisation du perçage orbital robotisé pour l'assemblage des structures aéronautiques
(Page 84-90)