Maîtrisez l'art du calcul de coupe : votre guide de précision dans l'usinage CNC

Comme c'est le cas pour tout ce qui est mécanique, la précision est la base de la signature d'une machine CNC moderne, et cet aspect spécifique ne peut être atteint que si une compréhension approfondie des calculs de coupe est disponible. Cet article mettra en évidence les étapes et les méthodes pertinentes qui constituent le processus de détermination précis des paramètres de coupe. Des concepts de base de la vitesse de coupe, de la profondeur de coupe et de la vitesse d'avance à leur impact sur les performances de la machine et la qualité de la pièce résultante, nous tenterons de couvrir autant d'informations exploitables que possible. Et pour ceux qui cherchent à maximiser la productivité ou le niveau de détail des pièces produites, ce guide aidera à maîtriser l'usinage CNC.

Quelle est la signification de la vitesse de coupe et comment la calculez-vous ?

La vitesse de coupe fait référence à la vitesse de déplacement linéaire du tranchant et de la surface de la pièce. Elle est souvent calculée en pieds par minute ou en mètres par minute m/min. Pour calculer la vitesse de coupe, on utilise la formule suivante :

Vitesse de coupe (V) = (π x D x N)/12 (en unités impériales)

V = vitesse spatiale métrique en SFM

D = dimensions de la pièce ou de l'outil (en pouces)

N = vitesse de rotation de la broche (tr/min)

En cas d'utilisation d'unités métriques, au lieu de 12, mettez 1000 et effectuez le calcul comme suit :

Vitesse de coupe (V) = π x D x N/1000

Comprendre la vitesse de coupe dans l'usinage CNC

Plusieurs facteurs affectent la vitesse de coupe d'une machine CNC, notamment le matériau de la pièce et le type d'outil de coupe utilisé, ainsi que l'opération effectuée. Les matériaux constituant la pièce, comme l'aluminium, l'acier et le titane, ont différents niveaux de dureté et de propriétés thermiques qui nécessitent des vitesses de coupe différentes. De la même manière, les matériaux des outils de coupe, comme l'acier rapide (HSS) ou les outils en carbure, ainsi que la céramique, ont un impact sur la température à laquelle l'outil d'usinage peut atteindre avant de perdre son tranchant.

La vitesse de coupe optimale varie également en fonction des différentes opérations d'usinage, notamment le tournage, le fraisage et le perçage. Par exemple, le fraisage possède également son propre ensemble de vitesses en fonction du nombre de goujures de l'outil ainsi que de la vitesse d'avance. La mise en œuvre des plages de vitesses de coupe recommandées permet une coupe précise et la consultation des directives garantit l'efficacité de toutes les opérations.

Les variations de vitesse peuvent être calculées à l'aide des formules suivantes

La vitesse de coupe (Vc) est l'un des paramètres importants qui doivent être calculés dans divers processus d'usinage. Elle est définie à l'aide de la formule :

Vc = (π × D × N) / 1000

Vc = Vitesse de coupe (mètres par minute, m/min)

D = Diamètre de la pièce ou de l'outil (millimètres, mm)

N = Vitesse de broche (tours par minute, RPM)

L'alignement des vitesses et des diamètres de broche avec les vitesses de coupe souhaitées garantit des performances d'outil précises et efficaces. Certains réglages utilisant les propriétés des matériaux, les paramètres de l'outil de coupe et les conditions d'usinage peuvent être nécessaires. Les références aux recommandations et aux normes spécifiques des fabricants d'outils aident grandement à obtenir des résultats optimaux.

Facteurs affectant la vitesse de coupe

Les différents matériaux possèdent des duretés et des propriétés thermiques différentes qui affectent les vitesses de coupe optimales. Par exemple, les métaux plus tendres tels que l'aluminium permettent des vitesses de coupe beaucoup plus élevées que les métaux plus durs tels que l'acier inoxydable.

Chaque outil fabriqué en acier rapide (HSS) ou en carbure ou même en céramique a permis des capacités de performance variables, mais en général, on peut observer que les outils en carbure ont tendance à supporter des vitesses plus élevées en raison de leur durabilité accrue en matière de résistance à la chaleur.

L'efficacité étant maximisée en augmentant la forme et le tranchant de l'outil de coupe, des coupes douces et sûres doivent être assurées par une géométrie d'outil optimale à des vitesses plus élevées.

Comment déterminer la profondeur de coupe dans un processus d'usinage ?

Déterminer la profondeur de coupe et son importance

En ce qui concerne une opération d'usinage, la profondeur de coupe est la distance parcourue par un outil de coupe dans la pièce à usiner au cours du processus. Elle est définie par la distance entre la surface non coupée et la surface usinée. Ce réglage est généralement basé sur le type de matériau de la pièce à usiner, la capacité de l'outil de coupe et la puissance de la machine à portée de main.

Pour trouver la profondeur de coupe optimale :

Propriétés des matériaux – La profondeur de coupe autorisée est généralement plus grande sur les matériaux plus tendres que sur les matériaux plus durs qui nécessitent des coupes moins profondes pour protéger l'outil contre les dommages ainsi que contre la surchauffe.

Résistance de l'outil – Il s'agit de la résistance et du tranchant de l'outil de coupe en question. Les outils plus résistants sont capables de supporter des coupes plus profondes.

Conditions d'usinage – Des aspects tels que la puissance de la machine, sa stabilité et la maîtrise des vibrations sont essentiels. Les coupes étant plus profondes, la rigidité de la machine tend à être plus grande, ce qui permet des coupes plus profondes.

Le choix d'une profondeur de coupe appropriée garantit toujours une meilleure efficacité d'usinage, une meilleure durée de vie de l'outil et minimise les risques d'erreurs lors de l'usinage. Respectez toujours les directives fournies par les fabricants concernant les matériaux et les outils particuliers.

Application d'une calculatrice pour des débits d'alimentation précis

Pour obtenir des calculs d'avance précis, une calculatrice aura besoin de la saisie par l'utilisateur de l'avance par dent (Fz), de la vitesse de broche (N) et du nombre de cannelures (z). À l'aide de ces paramètres, vous pouvez facilement calculer la vitesse d'avance (Vf) pour votre processus d'usinage à l'aide de la formule Vf = Fz × N × z. Cela permet d'atteindre l'efficacité cible sans compromettre la qualité et d'augmenter la durée de vie de l'outil. Veuillez prêter une attention particulière aux valeurs et aux unités d'entrée, car des erreurs peuvent se produire et peuvent affecter négativement les calculs.

Erreurs courantes dans la détermination de l'avance par dent

Comme pour d'autres calculs, il existe également des erreurs très courantes telles que la mauvaise interprétation des unités de mesure. Dans ce cas, l'avance par dent (Fz) est donnée soit en millimètres (mm) soit en pouces, et le décalage des unités pour les conversions est effectué de manière incorrecte. Une autre erreur de ce type consiste à ne pas prendre en compte la valeur correcte des cannelures (z), en particulier lorsque le calibre est un outil à deux cannelures. Le calcul de la vitesse avec une valeur supposée de 4 cannelures augmente les risques de surcharge des tranchants, ce qui finira par user l'outil ou le casser.

Afin que vous puissiez mieux comprendre les données, voici deux exemples de cas :

Avance par dent (Fz) : 0.1 mm/dent

Vitesse de broche (N) : 12,000 XNUMX tr/min

Nombre de flûtes (z) : 4

Fz × N × z = 0.1 × 12000 × 4 = 4800 mm/min

Après les calculs, la valeur correcte de la vitesse d'avance (Vf) est de 4800 mm/min.

Avance par dent (Fz supposée) : 0.2 mm/dent (modifiée par erreur par rapport à la valeur réelle de 0.1 mm/dent)

Vitesse de broche (N) : 12,000 XNUMX tr/min

Nombre de flûtes (z) : 4

Vf = Fz × N × z = 0.2 × 12,000 4 × 9,600 = XNUMX XNUMX mm/min

Cette hypothèse erronée donne une vitesse d'avance de 9600 XNUMX mm/min, soit le double de la vitesse requise et entraînera très probablement des vibrations excessives de la machine, une diminution de la finition de surface de la pièce et des dommages à l'outil.

Quel est le rôle de la machine-outil dans la mesure de la force de coupe ?

Etude des fonctionnalités des machines-outils

La mesure des efforts de coupe est étroitement liée à l'efficacité des machines-outils, car elles fournissent la surface à partir de laquelle les efforts pendant le processus d'usinage sont mesurés et enregistrés. Dans l'usinage, les efforts de coupe sont l'un des paramètres les plus importants qui affectent le processus, la durée de vie de l'outil et la qualité de la pièce. Les dispositifs de mesure de force intégrés ou externes nécessaires, tels que les dynamomètres et les cellules de charge, sont installés sur les machines-outils pour mesurer ces efforts. Ces systèmes offrent une mesure des forces en temps réel sur les axes X, Y et Z qui permettent une analyse détaillée.

La mesure des forces de coupe est constamment améliorée grâce à de nouveaux types de capteurs et de systèmes d'acquisition de données, dans le but de faciliter la mesure et de minimiser l'interruption du processus d'usinage. Les dynamomètres multicomposants sont également un bon exemple. Ils peuvent mesurer les forces de coupe de manière sensible et sont donc utilisés avec les machines CNC pour un meilleur contrôle. De plus, la précision avec laquelle les forces sont mesurées est affectée par la rigidité et la stabilité de la machine-outil, ce qui nécessite que les conditions de coupe soient adaptées aux capacités de la machine. Par conséquent, l'intégration de ces systèmes de mesure aux machines-outils vise à optimiser les paramètres de coupe, à maintenir la stabilité du processus et à réduire le risque d'usure de l'outil ou de déformation de la pièce.

Utilisation de machines-outils pour mesurer la force de coupe

La mesure de la force de coupe présente plusieurs dépendances dont il faut tenir compte. Vous trouverez ci-dessous un résumé des plus importantes ainsi que de nouvelles informations issues de recherches récentes :

Les efforts de coupe sont fortement influencés par la vitesse de coupe et l'avance. Un bon exemple est la réduction de l'effort de coupe avec l'augmentation de la vitesse de coupe de 50 m/min à 200 m/min pendant les opérations de tournage en raison de l'adoucissement thermique, comme l'a montré une étude menée sur les alliages d'acier. D'autre part, l'augmentation des avances de 0.1 mm/tour à 0.3 mm/tour augmente les efforts de coupe d'environ 60 % en raison de la section transversale plus grande du copeau.

L'angle de coupe de l'outil de coupe et la composition du matériau sont également très importants pour les forces de coupe. Par exemple, les outils avec des angles de coupe positifs tels que +10° produisent des niveaux de force inférieurs par rapport aux outils avec des angles de coupe neutres et négatifs. Les matériaux plus durs comme le carbure cémenté ou le diamant polycristallin (PCD) ont une résistance à la coupe plus élevée et, par conséquent, plus ces matériaux sont durs à couper, plus l'usinage actif peut être effectué sans usure significative de l'outil.

Tout comme la pièce à usiner est dure et sa microstructure raffinée, le degré d'usinage du matériau l'est aussi. Par exemple, l'usinage des alliages d'aluminium entraîne généralement une réduction des forces de coupe de 40 à 50 % par rapport aux aciers au carbone dans les mêmes conditions de coupe. Les données expérimentales suggèrent que les matériaux plus durs, comme un acier dont la dureté est supérieure à 50 HRC, utilisent des forces plus importantes en raison de la résistance à l'enlèvement de matière.

Les fluides de coupe peuvent être utilisés pour réduire considérablement les efforts de coupe en réduisant la friction aux limites outil-copeau et outil-pièce. Des tests ont montré une réduction des efforts de coupe de 20 à 30 % lors de l'utilisation de fluides de coupe haute performance ou de systèmes MQL, par rapport aux processus d'usinage à sec.

Le comportement vibratoire et la rigidité statique des machines-outils influencent également la mesure. Les machines présentant un degré de rigidité dynamique plus élevé minimisent les erreurs de mesure des forces dues à la déformation ou au tremblement du système, fournissant ainsi de meilleures informations.

Grâce à des données empiriques quantifiant ces facteurs et leurs effets, les fabricants peuvent savoir à l'avance comment ajuster les conditions d'usinage et optimiser les performances. Du point de vue de l'ingénierie de précision, la combinaison de dynamomètres avancés et de modèles analytiques permet une prédiction précise de la force qui augmente la productivité et la qualité du produit.

Méthodes efficaces d'optimisation de la force de coupe

L'accent est de plus en plus mis sur la télémétrie en temps réel et l'apprentissage automatique dans l'optimisation de la force de coupe. Les capteurs intégrés dans les dynamomètres sont capables d'enregistrer les données de force avec une plus grande précision, même dans des scénarios d'usinage difficiles. Des algorithmes avancés utilisent ces informations pour prédire la durée de vie de l'outil, diagnostiquer les pannes et suggérer l'avance, les vitesses de coupe et la profondeur de coupe.

L'utilisation de nouveaux matériaux pour les outils de coupe, notamment le diamant polycristallin (PCD) et les composites céramiques, a considérablement amélioré la dynamique d'usinage en raison des besoins en force de coupe réduits et d'une excellente qualité de finition de surface. Lorsque ces matériaux sont utilisés en conjonction avec l'usinage cryogénique ou les systèmes de refroidissement MQL avancés, la durée de vie et la productivité des outils sont améliorées. En résumé, l'utilisation de ces techniques permet aux fabricants d'obtenir de meilleures performances et une meilleure rentabilité dans les industries économiquement agressives.

Comment calculer le temps d'usinage dans le fraisage CNC ?

Les composantes du temps par rapport aux opérations d'usinage

Le temps d'usinage dans le fraisage CNC comporte plusieurs éléments essentiels, tels que la longueur de coupe, la vitesse d'avance et la vitesse de l'outil. Pour un usinage efficace, la précision dépend de ces différents facteurs et de leur corrélation. Le temps d'usinage de base (T) peut être calculé à l'aide de l'équation suivante :

T = L / (F * N)

T = Temps d'usinage en minutes

L = Longueur totale de coupe en mm

F = Vitesse d'avance en mm/tour ou mm/minute

N = Vitesse de broche RPM

Exemple de données :

Matériel: alliage d'aluminium

Longueur de coupe (L) : 150 mm

Vitesse d'avance (F) : 0.25 mm/tr

Vitesse de broche (N) : 1200 XNUMX tr/min

Application de la formule :

T = 150 / (0.25 * 1200)

T = 150/300 = 5 minute ou 30 secondes.

Considérations relatives à la précision :

Adaptez la vitesse de broche et la vitesse d'avance en fonction du matériau usiné et des outils utilisés.

Dans la planification détaillée, incluez les temps de configuration, les temps de changement d'outil et tout autre temps d'attente opérationnel pour les applications industrielles.

Pour la simulation, les logiciels de CAO/FAO peuvent diviser les temps d'usinage en segments plus petits, augmentant ainsi la précision et diminuant les risques d'erreur, garantissant ainsi l'optimisation du cycle.

Étapes pour calculer le temps d'usinage avec la plus grande précision

Voici un aperçu détaillé des principaux paramètres et données pertinentes relatifs au calcul du temps d'usinage.

Type de matériel: alliage d'aluminium

Niveau de dureté (le cas échéant) : Modéré

Conductivité thermique et caractéristiques d’usure (à prendre en compte lors du choix de l’outil)

Longueur de coupe (L) : 150 mm

Vitesse d'avance (F) : 0.25 mm/tr

Vitesse de broche (N) : 1200 tr/min

Type d'outil : fraise à plaquettes en carbure

Diamètre de l'outil (le cas échéant) : Personnalisé en fonction du type de coupe

Type de machine : Tour CNC (et mode de fonctionnement)

Vitesse de surface : est calculée et dérivée en fonction de la vitesse de la broche si elle n'a pas été effectuée auparavant.

Charge de copeaux par dent : dépend de l'outil de coupe et des tiges utilisées.

Liquide de refroidissement (si utilisé) – Doit être appliqué pour une efficacité de refroidissement.

Retards opérationnels / Réglage (réglage du changement d'outil, alignement externe des outils et des pièces)

Temps d'usinage (T) : 30 secondes ou 0.5 minutes

Réglages supplémentaires (réglage de la durée de maintien, réglage de la réaction) – selon les valeurs finales.

Techniques d'amélioration de la productivité grâce à la réduction du temps d'usinage

Il existe plusieurs méthodes qui peuvent être appliquées pour améliorer la productivité et réduire le temps des processus d'usinage :

• Ajuster les conditions d'outillage : modifier la vitesse d'avance, la vitesse de broche et la profondeur de coupe du matériau usiné peut entraîner des taux d'enlèvement de matière plus élevés sans réduire la qualité de surface ou la durée de vie de l'outil.
• Sélectionnez un outillage supérieur : l'utilisation d'outils de coupe hautes performances tels que des plaquettes en carbure revêtues offre une meilleure résistance à l'usure, une meilleure stabilité thermique et efficacité lors de l'usinage à grande vitesse fonctionnement sans maintenance
• Adoptez l'usinage à grande vitesse (HSM) : l'HSM améliore le rendement des matériaux plus tendres et pendant les étapes de finition en réduisant considérablement les temps de cycle.
• Appliquer la nouvelle technologie CNC : les machines CNC modernes avec accélération et décélération améliorées ainsi que des changements d'outils rapides réduisent le temps d'inactivité et contribuent à améliorer la vitesse à laquelle l'usinage est effectué.
• Réduisez le temps sans valeur ajoutée : une meilleure planification et une meilleure automatisation de la configuration des outils, de la rétraction et du temps de maintien permettent de gagner un temps considérable lors des processus répétitifs ou par lots.
• Appliquer des liquides de refroidissement : les systèmes de refroidissement haute pression ou dirigés appliqués correctement peuvent réduire l'usure des outils due à la surchauffe et permettre des coupes plus rapides tout en maintenant une excellente qualité de coupe.

Foire Aux Questions (FAQ)

Q : Pourquoi le calcul de coupe est-il essentiel dans l’usinage CNC ?

R : En ce qui concerne le calcul de coupe, cet aspect est important dans l'usinage CNC car cela permet de définir les paramètres d'usinage optimaux en termes d'efficacité et de précision. Cela signifie que la lame peut fonctionner à une vitesse et une vitesse d'avance idéales tout en minimisant l'usure et l'oxydation. Une telle action prolongera la durée de vie de l'équipement et améliorera la qualité des pièces tournées.

Q : Comment calculeriez-vous la vitesse de coupe dans le tournage CNC ?

R : La vitesse de coupe dans le tournage CNC peut être calculée à l'aide de la formule : Vc = (π × D × N) / 12. Dans ce cas, l'opérateur doit se rappeler que Vc est la vitesse de coupe en pouces par minute, D est le diamètre de la pièce et N est la vitesse de rotation exprimée en tours par minute. Cette formule d'usinage aide les opérateurs à déterminer la vitesse qui produira les résultats souhaités.

Q : Quels sont les éléments de base qui influencent le calcul de l’épaisseur des copeaux ?

R : Le calcul de l'épaisseur des copeaux dépend de la vitesse d'avance par tour, de la géométrie de la lame, de la vitesse d'usinage et des propriétés du matériau de la pièce. La connaissance de ces facteurs permet de garantir que les processus d'usinage les plus optimaux sont utilisés pour produire des coupes précises.

Q : Comment la finition de surface théorique est-elle évaluée dans l’usinage CNC ?

R : La finition de surface théorique est évaluée en fonction de l'avance par unité de distance, du rayon du bec de l'outil et de l'amplitude de rotation. Cette théorie prédit la rugosité de la surface et aide l'opérateur à déterminer la qualité de surface requise pour modifier les paramètres d'usinage en conséquence.

Q : Quel est le rôle de l’usinabilité dans le calcul de coupe ?

R : L'usinabilité fait également référence à la facilité de découpe du matériau, ce qui a un effet sur le calcul de découpe. À mesure que l'usinabilité s'améliore, les besoins en énergie pour les opérations de découpe et la détérioration de la surface s'améliorent également. La connaissance de l'usinabilité permet de mieux définir les paramètres de découpe tels que la vitesse de broche et la vitesse d'avance pour des résultats optimaux.

Q : Quelles étapes suivez-vous pour trouver la meilleure vitesse de rotation pour le tournage CNC ?

R : En analysant le diamètre de la pièce, la vitesse de coupe préférée et les caractéristiques du matériau, on peut déterminer la vitesse de rotation optimale. Dans ce cas, les opérateurs appliquent la formule N = (12 × Vc) / (π × D) pour calculer le nombre de tours par minute (RPM) requis de manière à garantir à la fois la précision et l'efficacité du processus d'usinage.

Q : Pourquoi la tolérance de vitesse d'avance doit-elle être respectée dans l'usinage CNC ?

R : Une vitesse d'avance correcte permet une usure minimale de l'outil, une bonne finition de surface et des dimensions précises. La vitesse d'avance, qui est généralement exprimée en pouces par minute (IPM), définit le volume moyen de matière enlevée par rotation, ce qui a un impact sur l'efficacité et la précision de l'usinage.

Q : Quelles sont les mesures prises pour améliorer les performances de coupe dans les opérations CNC ?

R : Des matériaux d'outillage avancés, des changeurs d'outils automatiques, l'optimisation des paramètres d'usinage et des systèmes de refroidissement sont utilisés pour réduire la température et l'oxydation, améliorant ainsi les performances de coupe et servant de solution pour les machines CNC. Ces pratiques présentent des avantages considérables lorsqu'il s'agit d'améliorer la productivité, la précision ou de prolonger la durée de vie des opérations CNC.

Q : Quelle est la méthode pour calculer le rayon de courbure de la pièce tournée ?

R : Pour une pièce tournée, le rayon de courbure est déterminé en fonction du rayon du bec de l'outil et de la vitesse d'avance. Il s'agit d'un aspect crucial car ces valeurs permettent de calculer le contour final de la pièce. Le contour doit également satisfaire aux exigences de conception. La mesure du rayon est essentielle lors du tournage CNC.

Sources de référence

1. « Calcul direct des paramètres constitutifs des matériaux Johnson-Cook pour les opérations de coupe oblique »(Nguyen et Hosseini, 2023)

• Publié dans 2023
• Auteurs : Nam Nguyen, A. Hosseini
• Principales conclusions : Les auteurs ont développé une méthode de calcul direct pour déterminer les paramètres constitutifs des matériaux Johnson-Cook pour les opérations de coupe oblique, qui peuvent prédire avec précision les forces et les températures de coupe.
• Méthodologie : Les auteurs ont utilisé un modèle analytique combiné à une validation expérimentale pour calculer directement les paramètres du matériau Johnson-Cook sans avoir recours à une optimisation itérative.

2. « Calcul et analyse de l'effort de coupe quasi-dynamique et de l'énergie de coupe spécifique dans le micro-fraisage Ti6Al4V » (Zhang et al., 2022, p. 6067–6078)

• Publié dans 2022
• Auteurs : Yabo Zhang, Q. Bai, Fengrui Zhang, Peng Wang
• Principales conclusions : Les auteurs ont proposé un modèle de calcul pour prédire la force de coupe quasi-dynamique et l'énergie de coupe spécifique lors du micro-fraisage de l'alliage Ti6Al4V, qui a montré une bonne concordance avec les résultats expérimentaux.
• Méthodologie : Les auteurs ont développé un modèle analytique basé sur l'épaisseur du copeau non déformé et la géométrie du tranchant pour calculer la force de coupe et l'énergie de coupe spécifique, et ont validé le modèle par des expériences.

3. « Calcul optimal et étude expérimentale de la force de coupe d'un engrenage hypoïde traité par la méthode génératrice »(Jiang et al., 2021, p. 1615-1635)

• Publié dans 2021
• Auteurs : Chuang Jiang, Jing Deng, Xiaozhong Deng
• Principaux résultats : Les auteurs ont proposé une méthode de calcul optimale pour la force de coupe des engrenages hypoïdes traités par la méthode génératrice et ont validé le modèle par des études expérimentales.
• Méthodologie : Les auteurs ont développé un modèle analytique pour calculer la force de coupe en fonction de la géométrie de l'engrenage et des paramètres de coupe, et ont mené des expériences pour vérifier l'exactitude du modèle.

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