Usure des outils - Usinage


Usure de l’outil

L'usure des outils décrit la défaillance progressive des outils de coupe en raison d'un fonctionnement régulier. C'est un terme souvent associé à des outils à pointe, à des outils ou à des forets qui sont utilisés avec des machines-outils.
L’arête de coupe constituant l’élément actif effectuant le travail de déformation, est soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques très sévères qui provoquent son usure et sa détérioration dans un temps relativement limité. Le frottement à l’interface copeau-outil s’effectue entre un métal naissant et l’outil à des pressions et des températures très élevées, ce qui peut donner naissance à des effets physico-chimiques aggravant l’usure de l’outil.

On distingue plusieurs phénomènes :


  •  les phénomènes d’usure par effet mécanique

-     par adhésion ; il se produit des micro-soudures entre les deux éléments flottants puis rupture de ces micro-soudures,
-     par abrasion ; des éléments plus durs que l’outil viennent s’intercaler entre l’outil et le copeau,

-     par déformation plastique de l’outil ; les sollicitations plastiques successives provoquent une détérioration quasi instantanée,
-     par fissuration ; de multiples fissures apparaissent et fragilise d’autant plus l’outil.

  •  les phénomènes d’usure physico-chimique

-     par corrosion ; le contact du matériau naissant avec l’air ou le lubrifiant crée une corrosion chimique ou électrochimique,
-     par diffusion ; elle apparaît lorsque la vitesse puis la température augmentent.
On observe principalement 2 formes d’usures parmi un grand nombre :

·       l’usure frontale ; appelée également usure en dépouille. Elle se manifeste par l’apparition d’une bande striée et brillante parallèle à l’arête de coupe de largeur moyenne VB. Elle est due essentiellement aux températures élevées et au frottement continu de la pièce sur l’outil. 

· l’usure en cratère ; elle se caractérise par une cuvette formée sur la face de coupe par le frottement du copeau sur l’outil. Elle se manifeste essentiellement lors des travaux d’ébauche (avance importante).

Problème
Observation
Cause
Solution
Usure en dépouille
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L'usure en dépouille sert de témoin Lorsqu’elle devient trop importante,
les efforts de coupe augmentent et l’état de surface se détériore.
Vitesse de coupe trop élevée.
Réduire la vitesse de coupe.
Usure en cratère
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L'usure en cratère est un phénomène qui se rencontre plutôt en tournage.
Vitesse de coupe trop élevée.
Résistance à l'usure de la plaquette trop faible.
Réduire la vitesse de coupe.
Choisir une nuance plus dure.
Choisir une nuance revêtue.
Fissures
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Les chocs mécaniques et les variations des efforts de coupe occasionnent des fissures parallèles à l'arête de coupe.
Les chocs thermiques sont à l'origine des fissures perpendiculaires à l'arête de coupe.

Fissures provoquées par les variations d'efforts de coupe.

Choisir une nuance plus tenace offrant une meilleure résistance aux chocs thermiques.
Choisir une nuance plus tenace offrant une meilleure résistance aux chocs mécaniques.

Ecaillage
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De petites particules de carbure se sont décollées de la plaquette, il en résulte un mauvais état de surface et une usure en dépouille trop importante.

Nuance trop fragile.
Géométrie de la plaquette trop fragile.
Arête rapportée.

Choisir une nuance plus tenace.
 Choisir une géométrie avec une arête de coupe plus robuste.
Augmenter la vitesse de coupe.
Vérifier l’absence de vibrations.
Arête rapportée
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Une température de coupe trop basse occasionne du collage de matière sur l'arête de coupe.
L'état de surface est mauvais et le décollement de la matière peut provoquer l'effritement de l'arête
Vitesse de coupe trop faible.
Géométrie de coupe négative.
Caractéristique de la matière trop collante.
Exemple : acier inoxydable, aluminium.
Augmenter la vitesse de coupe.
Choisir une géométrie de coupe
positive.
Augmenter la vitesse de coupe.
Déformation plastique
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Affaissement ou renfoncement de coupe (dû à une température de l'arête trop élevée) entraînant un mauvais état de surface.
L'usure en dépouille devient importante et la plaquette peut se rompre.
Température de coupe trop élevée.
Vitesse de coupe trop élevée.
Effort de coupe trop important.
Choisir une nuance plus dure.
Choisir une nuance revêtue.
Réduire la vitesse de coupe.
Réduire l'avance.
Rupture de la plaquette
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Rupture de la plaquette entraînant la détérioration de la plaquette d'assise ou du porte-plaquette ainsi que de la pièce.
Se rencontre surtout en tournage.


Nuance trop fragile .
Charge trop importante sur la plaquette.
Géométrie de coupe trop fragile.
Plaquette de dimensions trop faibles.
Choisir une nuance plus tenace.
Réduire l'avance et/ou la profondeur de passe.
Choisir une géométrie avec une arête de coupe plus robuste.
Choisir une plaquette plus grande ou plus épaisse.
Martèlement des copeaux
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En tournage les copeaux en s'enroulant,   viennent endommager la partie de l'arête qui n'est pas en position de coupe. Ils peuvent aussi dégrader le support de la plaquette.
Copeaux dirigés contre l'arête de coupe.
Copeaux hélicoïdaux trop longs.
Copeaux non évacués en alésage.
Choisir une géométrie différente.
Modifier l'avance.
Choisir un angle d'attaque du porte-plaquette différent.
Choisir une nuance plus tenace.
Usure en entaille
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En tournage l'usure en entaille engendre un mauvais état de surface et peut provoquer une rupture de la plaquette. Elle apparaît au niveau du plus grand Æ de pièce en contact avec l'arête de la plaquette.
Usure, par frottement trop importante ou oxydation dues à une surface trop dure.
Choisir une nuance à revêtement
A1203 pour l'usinage de l'acier.
Choisir un angle d'attaque plus faible ou une nuance plus dure.
Faire varier la profondeur de passe.
Usure en peigne
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La formation de petites fissures perpendiculaires à l'arête de coupe provoque l'effritement de la plaquette et l'état de surface se dégrade.

provoquée par des variations de température.
Usinage intermittent.
Arrosage irrégulier.
Choisir une nuance plus tenace offrant une meilleure résistance aux chocs thermiques.
Supprimer l'arrosage ou l'appliquer de façon abondante et régulière.




Pour rentabiliser l’utilisation des outils et les changer au bon moment on utilise les lois d’usure. La loi d’usure d’un outil de coupe représente la variation du temps effectif de coupe T en fonction des conditions géométriques et cinématiques de l’usinage. Le temps effectif de coupe T correspond au temps d’usinage qui conduit à l’usure limite de l’outil définie par un critère.

Ces lois définissent le temps de coupe d’un outil en fonction de la vitesse de coupe : T = f(Vc)

A partir des courbes expérimentales pour chaque type de matériau usiné et chaque nuance d’outil on obtient une courbe qui permet de déduire le temps effectif de coupe en fonction de la vitesse de coupe choisie.

La zone CD est la plus représentative de l’évolution de l’outil en fonction de Vc. Cette partie de courbe CD construite dans un repère à coordonnées logarithmiques donne une courbe relativement proche et dite « droite de Taylor » et qui a pour expression :
Log T = n Log V + Log Cv      d’où  T = Cv.Vn

T = durée de vie de l’outil

Cv = coefficient représentant le temps théorique que durerait l’outil pour une vitesse de coupe de 1m/mn

V = Vitesse de coupe (Vc) en m/mn

n = coefficient directeur de la droite

Effets des usures d'outils

Voici quelques-uns des effets généraux de l'usure de l'outil:

   -  L'augmentation des Forces de coupe
   -  L'augmentation Des températures de coupe
   -  Mauvaise surface
   -  Diminution de la précision de la pièce finie
   -  Peut entraîner une rupture d'outil
   -  Provoque une modification de la géométrie de l'outil

La réduction de l'usure des outils peut être réalisée en utilisant des lubrifiants et des liquides de refroidissement pendant l'usinage. Ceux-ci réduisent le frottement et la température, réduisant ainsi l'usure de l'outil.
Une forme plus générale de l'équation est :


     Vc = vitesse de coupe
     T = durée de vie de l'outil
     D = profondeur de coupe
     S = vitesse d'avance
     X et y sont déterminés expérimentalement
     N et C sont des constantes trouvées par expérimentation ou par des données publiées; Ce sont des propriétés du matériau de l'outil, de la pièce et de la vitesse d'alimentation.


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