2 mesure des efforts de coupe

7/30/2019 2 Mesure Des Efforts de Coupe

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Mesure des efforts de coupe du 21/03/10 1/16 B.D.V.S.

MMEESSUURREE DDEESS EEFFFFOORRTTSS DDEE CCOOUUPPEEI. Prsentation ________________________________________________________________________________ 2

I.1. Puissance ncessaire la coupe ____________________________________________________________________2

I.1.a. Reprsentation des composantes de laction de loutil sur la pice ___________________________________________________ 2I.1.b. Torseur cinmatique _______________________________________________________________________________________ 3I.1.c. Puissance ncessaire la coupe _____________________________________________________________________________ 3I.1.d. Dformation du copeau (daprs nomenclature de Pomey)_________________________________________________________ 4I.1.e. Gomtrie de l'outil ________________________________________________________________________________________ 5I.1.f. Vitesse de Coupe _________________________________________________________________________________________ 5

I.2. Phnomnes de coupe _____________________________________________________________________________6I.2.a. Discontinuit du copeau ____________________________________________________________________________________ 6I.2.b. Phnomnes thermiques ___________________________________________________________________________________ 8

I.3. Force de coupe par unit de surface __________________________________________________________________9 I.3.a. Efforts de coupe __________________________________________________________________________________________ 9I.3.b. Dfinitions lies loutil : angles d'outil ________________________________________________________________________ 9I.3.c. Force de coupe / uni t de surface : pression spcifique de coupe Kc _________________________________________________ 10

I.4. Facteurs influant sur la coupe en tournage ____________________________________________________________11

II. Mesure des efforts de coupe __________________________________________________________________ 12II.1. Mesure lors dessais de dtermination de Kc. _________________________________________________________12II.2. Mesure avec pont de Wheatstone ___________________________________________________________________12

II.2.a. Prsentation _____________________________________________________________________________________________ 12II.2.b. Mesure une jauge _______________________________________________________________________________________ 13II.2.c. Montage deux jauges ____________________________________________________________________________________ 14II.2.d. Montage quatre jauges : compensation de la temprature _______________________________________________________ 14

II.3. Dtection de lusure dun outil en production. _________________________________________________________15II.3.a. Contrle de lusure doutil (Sandvik Coromant) __________________________________________________________________ 16II.3.b. Gestion totale doutils en production. _________________________________________________________________________ 16


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I. Prsentation

(m)

(br)

(m)

(ot)

(m)

(p)

Figures 1

Remarque : le tournage dun tube loutil couteau permet de passer de trois deux dimensions pas de Fp (coupe orthogonale=simplification du problme).

I.1. Puissance ncessaire la coupe

I.1.a. Reprsentation des composantes de laction de loutil sur la pice

Moyennant l'hypothse d'un contact ponctuel entre outil et pice, l'actionexerce par l'outil sur la pice peut tre reprsente par un torseur. Endcomposant la rsultante dans un repre li la machine, on obtient :

zmymxmD

PiceOutil

Ff

Fc

Fp

TD

,,,0

0

0

;

Les valeurs de ces composantes dpendent logiquement du matriau usin et dela section du copeau usin (produit de l'avance et de la profondeur de coupe), maisaussi des angles de coupe de loutil, de lpaisseur du copeau, du rayon de bec, du

degr dusure de loutil.Fc

FpFf

zm

xm

ymxp

D

Om

Figure 2 : Mise en vidence des efforts de coupe, d'avance et de pntration

Festonnement de la surfacellibre d aux vibrations et lasurface initiale peu propre

ap

f

Figure 3


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I.1.b. Torseur cinmatique

Le mouvement relatif de la pice par rapport l'outil est caractris par sontorseur cinmatique :

zmymDxm

Doutilpice

Vf

VcC

,,

/

0

;0

0

.

Ces grandeurs sont lies celles que vous affichez sur la machine. Elles sontrespectivement : Vc (Vitesse de coupe), N (frquence de rotation), f (avance partour) et Vf (avance par minute).

Retrouver ces grandeurs en USI puis avec les units usuelles.

I.1.c. Puissance ncessaire la coupe

Appliquer le thorme de l'nergie-puissance l'ensemble {broche,vis,outil,

pice} afin d'identifier les termes et de faire les hypothses ventuelles.

La puissance consomme par la coupe est la puissance des interefforts entrel'outil et la pice.

En chariotage, elle vaut :

VfFfVcFcoutilpice

Cpiceoutil

Tpiceoutil

P ../

Le signe indique la rsistance quoffre loutil au mouvement. Moyennant lerendement du moteur, on en dduit la puissance ncessaire du (des) moteurs.

Dans la pratique cf FF et cf VV . Ff.Vf est donc ngligeable.

Expliquer ce qu'il se passe en dressage lorsque la pointe de l'outil s'approche

du centre.


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Figure 4 : Les diffrentes forces de coupe (d'aprs CDCoupe)

I.1.d. Dformation du copeau (daprs nomenclature de Pomey)

3

2

1

4

Zone de

Festonnement

Outil

Figure 5

1 Sparation du mtal en deux : copeau-surface usine (sur laquelle subsiste lecopeau adhrent ou rapport)

2 Zone de formation du copeau

3 Zone de glissement face de coupe/copeau

4 Zone de glissement (peu intense) face en dpouille/copeau


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I.1.e. Gomtrie de l'outil

Figure 6

AD : aire de la section de coupe, ap : profondeur de coupe, af : engagement delarte, f : avance par tour , h : paisseur de coupe, b : largeur de coupe, bD :largeur nominale de coupe, r : angle de direction darte, D : point principal delarte.

r

f

Figure 7 : simplification de la forme du copeau

En simplifiant on admet que : AD= b.h=ap.f

I.1.f. Vitesse de Coupe

Il est aujourd'hui possible d'usiner des pices mcaniques sur de larges plagesde vitesses de coupe. Selon le matriau utilis, ces plages varient, mais il esttoujours possible de distinguer trois zones de vitesses de coupe distinctes :

-vitesses de coupe de l'"Usinage Conventionnel"

-vitesses de coupe inexploitables (conditions de coupe dgrades)

-vitesses de coupe correspondant "l'Usinage Grande Vitesse"

Par exemple, lors d'usinage d'acier des vitesses de coupe de 30 200m/min,on parle d'usinage conventionnel, alors que des vitesses de coupe de 500 2000m/min correspondent au domaine de l'UGV.


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Figure 8 : Plages de vitesses de coupe pour diffrents matriaux

En augmentant Vc au del des limites de vitesse de l'usinage conventionnel, oncommence par traverser une zone de vitesses inexploitables appele Valle de lamort dans laquelle les conditions de coupe sont dgrades (usure rapide deloutil, mauvais tat de surface...), puis on arrive dans le domaine de lUGV o lesconditions de coupe sont excellentes. La limite entre les zones est arbitraire.

I.2. Phnomnes de coupe

I.2.a. Discontinuit du copeau

L'image ci-dessous montre le rsultat d'un test courant appel "Quick StopTest" (la pointe de l'outil est retire brutalement par un systme explosif), quipermet d'tudier un copeau en cours de formation pour trois vitesses de coupediffrentes.

Figure 9 : Evolution des copeaux suivant la vitesse de coupe (A: copeau continu B; copeau segment C: copeau dentel)-la

zone de festonnement apparat clairement

Pour les mtaux, le processus de formation du copeau est principalement bassur des dformations plastiques. En faible vitesse de coupe, le copeau est continu,et les dformations plastiques dans les zones de cisaillement sont quasi-stationnaires (Copeau A et figure ci-dessous).


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Figure 10 Formation du copeau en usinage Conventionnel

Avec de hautes vitesses de coupe, le copeau est dentel et form d'lmentsspars (C) , ce qui semble tre gnr par une rupture du matriau plus que parun cisaillement. En UGV, des fragments de copeaux se dtachent par lapropagation de fissures, comme l'illustrent les figures ci-dessous.

Figure 11 Reprsentation schmatique de la formation d'une lamelle de copeau

Figure 12 Dtail de la formation du copeau en UGV


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I.2.b. Phnomnes thermiques

Les sollicitations thermiques sont gnres lors de la coupe par l'auto-chauffement au sein du matriau de la pice et par les frottements l'interfaceoutil/pice.

En usinage conventionnel, l'nergie calorifique s'vacue dans les copeaux

mais galement dans la pice et l'outil dans des proportions non ngligeables .Ainsi, le matriau subit un traitement thermique local (trempe superficielle) quimodifie les caractristiques de la pice finie.

En UGV, la nature de la formation du copeau est diffrente et l'nergie de lacoupe s'vacue plus de 80% dans les copeaux . Bien que des nergies plusimportantes soient mises en jeu, les changes thermiques entre le copeau et lapice n'ont plus le temps d'avoir lieu : celle-ci reste pratiquement tempratureambiante.

Cette dissipation de l'nergie de coupe a une influence sur la temprature del'outil. Une simulation thermique de la coupe montre la formation d'un point chauden Usinage Conventionnel et en UGV situ la pointe de l'outil.

La temprature de ce point varie de 500C en Usinage Conventionnel 1000 Cen UGV.

Il est possible d'observer sur la figure ci-dessous la carte thermique d'un outilpour diffrentes vitesses de coupe (100m/min en haut droite, 500m/min en bas droite). La localisation du point chaud pour des conditions de coupe correspondant l'UGV est indique.

Figure 13 Carte thermique d'un outil pour diffrentes vitesses de coupe


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I.3. Force de coupe par unit de surface

I.3.a. Efforts de coupe

Les efforts de coupe sont l'origine des dformations plastiques et donc deslvations de temprature qui se produisent au cours de la coupe. Pour toutesautres conditions de coupe gales, l'augmentation de la vitesse de coupe ne

s'accompagne pas d'une variation notable des efforts de coupe (10% de baisseenviron), alors que l'augmentation de la vitesse d'avance entrane uneaugmentation de la valeur de l'effort tangentiel Ff (relation linaire : l'effortdouble environ quand la vitesse d'avance double).

Figure 14 : Efforts de coupe (N/mm de profondeur de passe) fonction de l'avance et de la vitesse de coupe

I.3.b. Dfinitions lies loutil : angles d'outil

Ps

Po

O-O

o

s

Dans Ps Pr

Arte

Pn

Figure 15


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I.3.c. Force de coupe / unit de surface : pression spcifique de coupe Kc

r

f

Figure 16 : simplification de la forme du copeau

f

KrAD

ap

f

h

AD

ap

Kr

b

Figure 17

La force de coupe par unit de surface de coupe est le rapport de la force decoupe Fc exerce par la partie active de loutil laire nominale de la sectiontransversale de coupe AD.

fa

F

A

FK

p

c

D

cc

faKAKF pcDcc

Kc est la force ncessaire en newtons pour couper 1 mm 2 et s'exprime donc enN/mm2

On peut remarquer que la force de coupe est fonction de l'avance par tourf, de la profondeur de passe ap, mais aussi de la pression spcifique de coupeKc. Elle est indpendante de la vitesse de coupe ds que la vitesse estsuffisante (on quitte la zone dans laquelle il y a risque de cration d'une arterapporte qui modifie les caractristiques gomtriques de l'outil).

Cette pression spcifique de coupe Kc n'est pas une constante. Elle augmentenotamment quand l'angle de coupe diminue.

).1.( mnhCKc

Avec h=f.sin(Kr) : paisseur du copeau

m et n deux caractristiques dpendant du couple matriau pice- matriauoutil

C dpendant du matriau de la pice

=0-ref respectivement angles de coupe orthogonal et de rfrence (pourlessai).

Valeurs de n et m

Matriau pice n m

Aciers -0.2 0.008

Mtaux non ferreux -0.5 0.01

Fontes -0.3 0.01


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Valeurs de CMatire R(N/mm2) C(N/mm2)

Aciers usinabilit amlior Au Mn S 350-500

600-800

1050

1300

Aciers au Carbone C< 0.25%C< 0.45%

C< 0.65%

C< 0.90%

450-600600-750

750-950

950-1150

18502150

2600

2800

Aciers allis Cr-Mo

Ni-Cr

600-750

750-950

1650

2300

Bronzes 400-700 640

Fontes GL Ferritiques

Perlitiques

190-220

220-260

1250

1420

Alliages alu Si-Mg


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II. Mesure des efforts de coupe

II.1. Mesure lors dessais de dtermination de Kc.

On utilise un porte outil dynamomtrique quip de jauges de dformation.

Figure 18

Dans la plupart des cas on ne mesure que Fc et Ff en usinant un tube de faiblepaisseur. Ceci vite de fausser les rsultats avec des rayons de bec diffrents.De plus, afin de fixer un paramtre, on prend frquemment Kr=90 ; la coupe estalors dite orthogonale.

En effet le rayon de bec influe sur lpaisseur du copeau et de fait sur Kc ; Onconstate ceci avec une plaquette ronde mais en rgle gnrale on peut dire quequand R augmente, h diminue et de ce fait Kc augmente donc Fc.

h=f

h


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4411

43

34

21

21

4411

4443

1112

4411

2211

34

1122

12

iRiRe

RR

REi

RR

REi

iRiRe

iRiRE

iRiRE

iRiRe

iRiRE

ii

iRiRE

ii

43

4

21

1

43

34

21

21

RR

R

RR

RE

RR

RER

RR

RERe

Modifions les valeurs des Ri de Ri

])44()33(

)44(

)22()11(

)11(.[

RRRR

RR

RRRR

RREe

II.2.b. Mesure une jauge

On place sur le porte outil une jauge de dformation de rsistance R variable

telle que :L

LK

R

R

. Les trois autres rsistances sont fixes : R2=R3=R4=R.

Encastrement

Fc

jauge

Figure 21

Fc est proportionnel R/RIl suffit dtalonner le banc de mesure (offset) puis de mesurer R/R pour

trouver Fc.

La mesure de R/R est obtenue daprs la mesure de e dans le pont dedextensomtrie.

E e

R R1

RR

i1

i2i3

i4

Figure 22: Pont dextensomtrie avec une jauge

RR

RR

RR

RRE

RR

RRE

RR

R

RR

REe

22

2

22

2

2

1

21

1

RRRE

e

22


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Si R1 est la jauge active qui varie dune rsistance R1, les autres tantidentiques ,on obtient

LLk

LLKE

RR

RRE

RR

RREe

/..24

/.

1/1.24

1/1

2

1

112

11

Avec K : facteur de jauge (voir cours jauges de dformations)

Ce type de montage est appel montage en quart de pont, il a linconvnient dene pas compenser la drive en T de la jauge.

II.2.c. Montage deux jauges

E e

R1

R2

Encastrement

Fc

jauge

R1

R2

Figure 23 : Montage en demi-pont

Deux jauges axiales identiques sont utilises. La jauge infrieure se situeprcisment au-dessous de la jauge suprieure. Elles mesurent les dformationsde flexion qui sont de mme grandeur et de signes opposs . Toutes variationsde rsistance des jauges actives rsultant de dformations de signe semblablegnres par les charges axiales seront annules du fait que les deux jaugesactives se situent dans les bras adjacents du pont de Wheatstone. De mme, lesvariations de rsistance d'origine thermique (dilatation de lprouvette)seront

annules. De plus, les dformations produites par les charges en flexion tant demme grandeur mais de signe oppos, le signal de sortie du pont est linaire etnominalement le double de celui produit par une seule jauge active.

II.2.d. Montage quatre jauges : compensation de la temprature

Encastrement

FcR1

R3

R2

R4

E e

R1

R2

R4

R3

Figure 24 : Montage en pont complet

Cette version quatre jauges identiques est la configuration de la poutre enflexion qui est la plus courante. La sortie linaire du pont est deux fois celle de laversion prcdente en demi pont. On notera que les deuxjauges situes sur laface suprieure se situent dans des bras opposs du pont de Wheatstone, demme que les jauges situes sur la face infrieure.

R1 et R3 sur le dessus du porte-outil sont sollicits en traction tandis que R2 et

R4 sont sollicits en compression.On a donc : 4231 RRRR .


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RRRR

RR

RRRR

RRE

RR

R

RR

REe

43

4

21

1

R

RE

R

RRRREe

3soit :

L

LKEe

.

La tension mesure sur le galvanomtre est directement proportionnel laforce F exerce sur le porte-outil.

II.3. Dtection de lusure dun outil en production.

Le processus dusinage a toujours ncessit une surveillance qui dans le pass,relevait de la responsabilit de l'oprateur. Avec l'utilisation de systmes deproduction entirement automatiss, il s'est avr indispensable de dvelopperdes systmes de contrle du processus dusinage eux aussi entirementautomatiques.

On surveille le processus dusinage afin de supprimer les rebus dus aux rupturesdoutils en cours dusinage et d'optimiser la dure de vie des outils de coupe.

KT


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Mesure des efforts de coupe du 21/03/10 16/16 B D V S

II.3.a. Contrle de lusure doutil (Sandvik Coromant)

Le systme contrle en permanence les seuils d'alarme suivants :

- Le seuil I dtermine la valeur limite d'usure de l'outil. Ce signal pourra treutilis pour commander un changement d'outil la fin de lopration en cours.

- Le seuil II dtermine le seuil de rupture de loutil. Ce signal d'alarme doit treutilis pour stopper immdiatement la machine.

- Le seuil III signale le non engagement de loutil dans une opration pouvanttre du a l'absence de l'outil ou de la pice usiner.

- Le seuil IV permet de dtecter les collisions. Comme le seuil II, il doit stopperimmdiatement la machine.

II.3.b. Gestion totale doutils en production.

Il existe deux types principaux de capteurs mesurant la variation de Fc :Les capteurs de force : Ce sont des extensomtres pizo-lectriques ou du

type jauges de contraintes,

Ils se montent directement sur la vis d'avance ou sous la tourelle porte-outil.

Ils surveillent directement l'volution de la force d'avance Ff.

Les capteurs de courant : Lorsque l'outil s'use ou casse, le courant consommaugmente.

Le capteur de courant se monte sur le cble d'alimentation du moteur d'avance

et dtecte les variations de courant. Il est galement possible de surveiller lemoteur de broche. Dans ce cas, le capteur de courant surveille l'volution ducouple exerc par la force de coupe Fc.

Capteur de force davance :semonte sur la vis .permet decontrler la force axiale

Capteur de courant :se montesur le cble dalimentation.dtecte les variations decourant dalim. des variateursde broche et davance.

Moniteur multicanaux : gre 1000valeurs par canaux et comporte uncycle dapprentissage,

Moniteur doutil simple canal :gre lessignaux en provenance dun capteur

Moteur d'avance

Signaux desynchronisme de lacommande

Electroniquedu moniteurd'outil

Variateurd'avance

Signauxcapteurs

Signauxalarme

Figure 27

2 mesure des efforts de coupe

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