La fiabilité du bris de copeaux lors de l'usinage a un impact significatif à la fois sur la production normale et sur la sécurité des opérateurs. Lors des opérations de coupe, des copeaux fragmentés peuvent éclabousser et provoquer des blessures, ainsi qu'endommager la machine-outil. D'un autre côté, de longs copeaux en forme de ruban peuvent s'emmêler dans la pièce ou dans le outil, potentiellement rayer la pièce, entraînant la casse de l'outil et même compromettant la sécurité des travailleurs.

Pour les machines-outils CNC (centres d'usinage) et autres équipements d'usinage automatisés, le problème de la rupture des copeaux devient encore plus critique en raison du plus grand nombre d'outils et de leur interaction étroite avec le porte-outil. Si un seul outil présente un bris de copeaux peu fiable, cela peut perturber le cycle automatique de la machine et, dans certains cas, arrêter toute la chaîne de production. Par conséquent, lors de la conception, de la sélection ou de la rectification des outils, la fiabilité du bris de copeaux doit être prise en compte. Spécifiquement pour les machines-outils CNC (centres d'usinage), les exigences suivantes doivent être remplies :

1. Les copeaux ne doivent pas s'enrouler autour de l'outil, de la pièce à usiner ou des outils et équipements adjacents.
2. Les copeaux ne doivent pas éclabousser pour assurer la sécurité des opérateurs et des observateurs.
3. Lors d'un usinage de précision, les copeaux ne doivent pas rayer les surfaces déjà traitées de la pièce, affectant ainsi la qualité de ces surfaces.
4. Assurer la durabilité prévue de l'outil, éviter une usure prématurée et prévenir autant que possible la casse de l'outil.
5. Lorsque les copeaux s'écoulent, ils ne doivent pas gêner l'arrivée du liquide de coupe.
6. Les copeaux ne doivent pas endommager les guides de la machine-outil ou d'autres composants.

Classification des formes de copeaux

La forme des copeaux produits lors de l'usinage varie en fonction de facteurs tels que le matériau de la pièce, la géométrie de l'outil et les paramètres de coupe. Les formes de copeaux courantes comprennent les copeaux en ruban, les copeaux en forme de C, les copeaux fragmentés, les copeaux recourbés en forme de pagode, les copeaux recourbés en forme de ressort, les copeaux en spirale longs et serrés et les copeaux en spirale (voir Figure 1).

Puces de ruban

Lors de l’usinage de matériaux ductiles à des vitesses élevées, des copeaux de ruban continus peuvent facilement se former. Ces copeaux peuvent s'emmêler autour de la pièce ou de l'outil, rayant potentiellement la surface de la pièce, endommageant le tranchant de l'outil ou même provoquant des blessures. Ainsi, il est généralement préférable d’éviter de former des éclats de ruban. Cependant, il peut y avoir des situations dans lesquelles des copeaux de ruban sont souhaités pour faciliter l'élimination des copeaux, comme lors du perçage de trous borgnes sur une aléseuse verticale.

Puces en forme de C

Lors du tournage de matériaux généraux en acier au carbone ou en acier allié et en utilisant des outils de coupe avec brise-copeaux, des copeaux en forme de C peuvent se former. Les puces en forme de C ne présentent pas les inconvénients des puces à ruban. Cependant, la plupart des copeaux en forme de C ont tendance à heurter la surface arrière de l'outil de coupe ou la pièce à usiner, provoquant leur rupture (voir Figure 2). La cassure et la fracturation à haute fréquence des copeaux peuvent affecter la douceur du processus de coupe et, par conséquent, la rugosité de la surface de la pièce finie. Par conséquent, dans l'usinage de précision, il n'est généralement pas souhaité de produire des copeaux en forme de C, mais plutôt des copeaux en spirale plus longs (voir Figure 3) pour maintenir un processus de coupe plus fluide.

Chips frisées en forme de ressort

Lorsque des coupes lourdes et des avances élevées sont utilisées pour tourner des pièces en acier sur un tour robuste, des copeaux larges et épais sont produits. La formation de copeaux en forme de C dans ce scénario peut facilement endommager le tranchant et même présenter un risque de blessure. Pour éviter cela, le rayon du fond de la rainure du brise-copeaux est augmenté pour créer des copeaux en forme de ressort (voir Figure 4). Ces copeaux entrent en collision et se brisent sur la surface d'usinage, tombant sous leur poids.

Puces en spirale

La formation de copeaux en spirale longs et serrés est un processus plus fluide et facile à nettoyer. Cette forme de copeau est privilégiée pour une utilisation sur les tours ordinaires.

Chips frisées en forme de pagode

Lors de l'usinage CNC ou de l'utilisation de machines automatisées, il est préférable de produire cette forme de copeau car il ne s'enroule pas autour de l'outil de coupe ou de la pièce, ce qui facilite le nettoyage.

Chips fragmentés

Lors du tournage de matériaux fragiles comme la fonte, le laiton cassant ou le bronze phosphoreux, des copeaux en forme d'aiguilles ou fragmentés peuvent facilement se former. Ces copeaux ont tendance à éclabousser et à provoquer des blessures, ainsi qu'à endommager la machine-outil. L’utilisation de méthodes de bris de copeaux peut transformer ces copeaux en copeaux courts et recourbés.

En conclusion, la forme souhaitée des copeaux lors des opérations de coupe varie en fonction des conditions spécifiques. Quelle que soit la forme des copeaux, il est essentiel que leur cassage soit fiable.

Mécanisme de bris de copeaux

Le fait que les copeaux métalliques soient susceptibles de se briser lors de la coupe du métal est directement lié à la déformation des copeaux. Pour comprendre les principes de la casse des copeaux, il faut d’abord examiner les schémas de déformation des copeaux.

Lors de la découpe du métal, les copeaux subissent une déformation plastique importante. Ce processus entraîne une augmentation de la dureté des copeaux mais une diminution significative de la plasticité et de la ténacité. Ce phénomène est connu sous le nom d’écrouissage. Après écrouissage, les copeaux deviennent durs et cassants, ce qui les rend susceptibles de se briser lorsqu'ils sont soumis à des charges alternées de flexion ou d'impact.

Le degré de déformation plastique subi par les copeaux affecte l'étendue de leur écrouissage et leur susceptibilité à la rupture. Dans les cas où des matériaux à haute résistance, haute plasticité et haute ténacité sont usinés, des mesures doivent être prises pour augmenter la déformation des copeaux, réduisant ainsi leur plasticité et leur ténacité pour faciliter la rupture des copeaux.

La déformation des copeaux peut être divisée en deux composantes :

Déformation de base : Il s'agit de la déformation qui se produit pendant le processus de coupe et qui est proche des valeurs de déformation de base mesurées lors de la coupe libre avec un outil à face plate. Les principaux facteurs affectant la déformation de base sont l'angle de dépouille avant de l'outil, l'angle de coupe négatif et la vitesse de coupe. Un angle de dépouille avant plus petit, une coupe négative plus large et une vitesse de coupe plus faible entraînent une plus grande déformation des copeaux, ce qui est favorable à la rupture des copeaux. Par conséquent, réduire l’angle de dépouille avant, augmenter l’angle de coupe négatif et diminuer la vitesse de coupe peuvent favoriser la rupture des copeaux.

Déformation supplémentaire : Dans la plupart des cas, une déformation de base ne peut à elle seule entraîner la rupture des copeaux. Une déformation supplémentaire est nécessaire pour durcir et briser les copeaux. La méthode la plus simple pour soumettre les copeaux à une déformation supplémentaire consiste à meuler (ou à presser) des rainures brise-copeaux sur la surface avant de l'outil. Lorsque les copeaux s'écoulent dans ces rainures, ils subissent une déformation supplémentaire par flexion et par enroulement, conduisant à un durcissement et une fragilité supplémentaires. Cela fait que les copeaux se brisent facilement au contact de la pièce ou de la surface arrière de l'outil.

Méthodes courantes de brise-copeaux

Utilisation de rainures anti-copeaux

Les rainures brise-copeaux sont efficaces pour obtenir une déformation de base et supplémentaire. La forme, la taille et l'angle des rainures jouent un rôle crucial dans la rupture des copeaux.

Utiliser des brise-copeaux

Les brise-copeaux peuvent être fixes ou réglables et sont efficaces pour contrôler l’enroulement et la casse des copeaux. Ils sont souvent utilisés sur des machines-outils de moyennes et grandes dimensions.

Utilisation de dispositifs brise-copeaux

Ces dispositifs se présentent sous forme mécanique, hydraulique et électrique, sont fiables, mais coûtent généralement plus cher. Ils sont couramment utilisés dans les lignes de production automatisées.

Utilisation de surfaces de pièces pré-rainurées

Des rainures sont prédécoupées sur la surface de la pièce parallèlement à son axe. Ces rainures, légèrement moins profondes que la profondeur de coupe, créent des sections plus faibles dans les copeaux, facilitant ainsi leur rupture. Cette méthode peut être particulièrement utile pour usiner des matériaux durs.

En résumé, la réussite du bris des copeaux dépend du matériau et des conditions de coupe. Diverses méthodes, notamment l'ajustement de la géométrie de l'outil, la modification des paramètres de coupe et l'utilisation de dispositifs brise-copeaux, peuvent être utilisées pour favoriser un brise-copeaux fiable. Le bris de copeaux est essentiel pour la sécurité et l’efficacité des processus de découpe des métaux.