UNIVERSITE ABDELMALEK ESSAADI FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES TANGER FACULTE DES SCIENCES TETOUAN ACTIVITES PRATIQUES ACTIVITES PRATIQUES ACTIVITES PRATIQUES ACTIVITES PRATIQUES Module : Matériaux et Fabrication Mécanique Partie : Technologie de Fabrication Mécanique Par : Pr. O. AKOURRI Enseignant – chercheur au département de génie mécanique
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Master Mecatronique Cours Fabrication Akourrigenie-indus.e-monsite.com/medias/files/cours-fabrication-akourri.pdf · 5-4- Calcul de la contrainte tangentielle ..... 14 5-5- Calcul
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Enseignant – chercheur au département de génie mécanique
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SOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRESOMMAIRE
Chapitre 1- Génération de surfaces par enlèvement de matière ................................................................. 4 1- Tournage ...................................................................................................................................... 4
1-1- Les opérations et surfaces ......................................................................................... 4
1-2- Les opérations et les outils ....................................................................................... 4
1-3- Les conditions de coupe ........................................................................................... 5
3-2- Les conditions de coupe ........................................................................................... 7
Chapitre II- Théorie de coupe ........................................................................................................................ 8
1- Usinage par enlèvement de copeaux ............................................................................................ 8
2- Conditions de coupe ..................................................................................................................... 8
2- Moulage en sable ....................................................................................................... 43
3- Moulage en coquille métallique ................................................................................. 43
4- Particularités du moulage........................................................................................... 44
VI- Autres procédés ....................................................................................................................... 46
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CHAPITRE 1- GENERATION DE SURFACES PAR ENLEVEMENT DE MATIERE
1- Tournage
1-1- Les opérations et surfaces
Dressage : C’est la réalisation d’un plan perpendiculaire à l’axe de la pièce.
Chariotage : C’est la réalisation d’une surface de révolution ayant le même axe que la pièce.
Épaulement : C’est l’association d’un chariotage et d’un dressage (bleu).
Perçage : C’est la réalisation d’un trou dans la pièce. Il peut être débouchant ou non. N.B. En tournage, l’axe du trou est confondu avec celui de la pièce.
Gorge : C’est une rainure réalisée sur une surface cylindrique (intérieure ou extérieure).
Profilage : C’est la réalisation de surfaces quelconques, association de surfaces cylindriques, planes, coniques, sphériques ...etc.
1-2- Les opérations et les outils
Ébauche : L’ébauche permet d’enlever un maximum de matière en un minimum de temps. Cet outil devra résister à des efforts de coupe importants.
Finition : La finition est le dernier usinage d’une surface. On recherche la qualité (état de surface, géométrie ... etc.).
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Tronçonnage et gorges : Il s’agit de couper une pièce en deux parties ou de réaliser une gorge à l’extérieur de la pièce.
Filetage : Obtention d’un filetage extérieur.
Alésage : Opération consistant à obtenir un trou de qualité à l’intérieur d’une pièce.
1-3- Les conditions de coupe
N.B. Pour le tronçonnage et les gorges, prendre 50% des valeurs ci-dessus.
2- Fraisage
2-1- Les opérations et les surfaces
Surfaçage : Le surfaçage est l’usinage d’un plan avec une fraise. (Surface rouge).
Épaulement : C’est l’association de deux plans perpendiculaires.
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Les rainures : C’est l’association de 3 plans. Le plan du fond est perpendiculaire aux deux autres.
Poche : La poche est délimitée par des surfaces verticales quelconques (cylindriques et planes). C’est une forme creuse dans la pièce.
Perçage, Lamage, Alésage, taraudage : Ce sont des trous. Ils sont débouchant (1) ou non (2). Le perçage est l’obtention d’un trou lisse.
Le lamage (3) ou chambrage est une forme servant à noyer la tête de la vis.
L’alésage est une opération de finition servant à calibrer le trou.
Le taraudage est l’obtention du filetage à l’intérieur du trou.
2-2- Les outils
La fraise à surfacer : La fraise à surfacer permet de générer une surface plane qui est perpendiculaire à l’axe de rotation de la fraise.
La fraise deux tailles cylindrique : Elle permet la génération de plans perpendiculaires. Cet outil permet de travailler en plongée (comme un foret) s’il est équipé d’une coupe au centre.
Le foret à pointer : Il permet le positionnement d’un perçage.
Le foret : Permet le perçage des trous (tolérance H13).
L’alésoir : Permet la finition d’un trou (qualité H8, H7).
Le taraud : Permet l’obtention d’un filetage à l’intérieur d’un trou.
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2-3- Les conditions de coupe
3- Perçage
3-1- Mode d’action
(1) guidage de l’outil ; (2) pièce ; (3) copeau
3-2- Les conditions de coupe
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CHAPITRE II- THEORIE DE COUPE
1- Usinage par enlèvement de copeaux
L’enlèvement de la matière se fait à l’aide d’un outil.
Entrée dans la matière et épaisseur du copeau Cassure du copeau
2- Conditions de coupe
La détermination des conditions de coupe est d’une importance majeure, car ce sont ces conditions qui
influent sur l’économie de coupe et sur le prix de revient des pièces fabriquées.
Les facteurs à prendre en compte pour le choix des conditions de coupe sont :
- la surface à usiner : nature géométrique, état de surface,
- machine à utiliser : en fonction des caractéristiques de la surface à usiner,
- matière à usiner : dureté, résistance à la traction, usinabilité,
- outil coupant : en fonction des caractéristiques mécaniques de la matière à usiner (dureté de l’outil >
dureté de la pièce),
- vitesse de coupe, vitesse d’avance et profondeur de passe : ce choix se fait par exploitation des résultats
expérimentaux souvent donnés sous forme de tableaux,
- durée de vie des outils, en fonction des critères de production,
- puissance nécessaire et compatibilité avec celle de la machine.
Conditions de coupe
Puissance absorbée
Usure des outils
Prix de revient de la pièce fabriquée
Temps de fabrication
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La puissance de coupe est l’énergie nécessaire pour effectuer l’enlèvement du coupeau par unité de temps.
Cette énergie dépend de l’effort de coupe qui lui même dépend de la section du copeau.
Les conditions de coupe peuvent être améliorées par :
- lubrification,
- forme de l’outil.
3- Constatations expérimentales
Dans le cas de la coupe du bois, on remarque qu’auprès de la tête de l’outil il y a formation des fissures suivie
par arrachement de la matière.
Dans le cas de la coupe des métaux il n’y a pas de fissuration mais un cisaillement par glissement relatif de
lamelles.
Avant arrachement Après arrachement
4- Usure des outils
L’usure de l’outil de coupe détériore l’état de surface de la pièce usinée et, arrivée à un certain niveau, elle
provoque l’inaptitude de l’outil à la coupe.
4-1- Mécanismes de formation de l’usure
Par définition, l’usure est la perte progressive de la matière de la surface active d’un corps à cause du
mouvement relatif d’un autre corps sur cette surface.
Dans le cas de l’outil de coupe, la partie tranchante qui est en mouvement relatif avec la pièce et le copeau,
est soumise à des sollicitations mécaniques et thermiques très intenses. L’étude détaillée du phénomène révèle
différentes formes d’usure :
- usure par effets mécaniques,
- usure par effets physico-chimiques.
� Usure par effets mécaniques :
o Usure adhésive : elle est provoquée par le transfert de métal d’une surface sur l’autre pendant
leur mouvement relatif dû à un processus de soudage en phase solide ;
o Usure abrasive (à sec) : Le déplacement de matière est produit par des particules dures.
Uabrasif = k.p.f.Vg avec: k : coefficient caractéristique des deux matériaux,
p : pression de contact,
f : coefficient de frottement,
Vg : vitesse de glissement.
o Usure érosive : Le mécanisme de l’usure est le même que précédemment, seulement, les
particules sont véhiculées par un fluide.
o Usure par fatigue : La variation cyclique des contraintes conduit à un détachement des
particules par fatigue.
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� Usure par effets physico-chimiques :
o Usure corrosive :
� Corrosion au contact de l’air ou du lubrifiant,
� Corrosion chimique au niveau des molécules,
� Corrosion électrochimique au niveau des ions.
o Usure par diffusion : cette usure n’a lieu qu’à une certaine vitesse, donc à une certaine
température.
Evolution de l’usure par diffusion en fonction de la température.
La représentation sur un même graphique des divers mécanismes d’usure en fonction du régime de coupe
est comme suit :
4-2- Manifestations de l’usure
L’observation de la partie active de l’outil fait apparaître des formes d’usure caractéristiques qui
correspondent aux conditions dans lesquelles l’outil travaille.
- L’usure en cratère : Elle s’observe sur la face d’attaque de l’outil sous la forme d’une cuvette obtenue par
frottement intense du copeau. Elle est caractérisée par la profondeur KT et par le rapport KT/KM ;
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- L’usure en dépouille : Elle s’observe sur la face en dépouille principale de l’outil. Elle apparaît suivant
une bande striée brillante et parallèle à l’arrête de coupe. On la caractérise par la droite associée aux
crêtes situées sur la face de dépouille VB ;
- L’usure par effondrement d’arrête : L’effondrement de l’arrête de coupe ou la mort de l’outil se
manifeste lorsque :
o la vitesse de coupe est trop importante,
o la dureté du matériau à usiner est supérieure à celle de l’outil, ou
o la structure du matériau à usiner n’est pas homogène et présente des points durs.
- L’usure en entaille : Elle est due à l’écrouissage local de la pièce et elle est caractérisée par un VBN très
important devant VB. Cette entaille provoque un affaiblissement du bec de l’outil qui peut aller jusqu’à
la rupture.
- L’usure par fissuration des faces en dépouille et des faces de coupe : Cette usure résulte du choc
thermique. C’est le cas des outils en carbures métalliques soumis à un travail de coupe lubrifié par
intermittence.
Fissuration d’arête de coupe Evolution de l’usure en cratère et de l’usure en entaille en fonction de
la vitesse de coupe.
4-3- Lois expérimentales de l’usure « modèle de Taylor »
Le besoin de lier l’usure des outils aux conditions de coupe a permis de traduire les résultats expérimentaux
sous forme de lois empiriques établies :
- pour un outil de géométrie donnée,
- pour un matériau à usiner donné,
- pour des conditions de lubrification.
Les lois d’usure d’un outil de coupe représentent la variation du temps effectif de coupe T en fonction des
conditions géométriques et cinématiques de l’usinage.
Les lois sont de la forme : T = f(V, f, a)
ou : T = f(V, f)
ou plus simplement : T = f(V)
Cette dernière loi est la plus facile d’emploi, et elle a été développée par Taylor.
L’allure de l’usure en fonction du temps à vitesse constante est comme suit :
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Evolution de l’usure en fonction du temps à vitesse de coupe constante.
Pour un critère limite de durée de vie U*, nous obtenons les temps correspondants T1, T2, T3, … En
reportant les couples (V1, T1), (V2, T2), (V3, T3), … sur un graphique bilogarithmique nous obtenons :
Evolution de la durée de vie de l’outil en fonction de la vitesse de coupe.
Pour des vitesses de coupe usuelles avec les outils de coupe actuels, cette courbe est assez proche de la
droite en coordonnées logarithmiques,
Le modèle proposé par Taylor est : T = Cv.Vk
Où : T : temps effectif de coupe (durée de vie de l’outil en minutes),
V : vitesse de coupe (m/min),
k : coefficient qui dépend surtout de l’outil (-12 <k< -1),
Cv : coefficient qui dépend du matériau usiné et des conditions de coupe (104<Cv<1014).
5- Modélisation de la coupe
Le but recherché par cette modélisation est d’estimer les efforts de coupe engendrés par le contact
copeau/outil avec les hypothèses suivantes :
- le métal usiné est homogène et isotrope,
- la coupe est orthogonale,
- le rayon du bec de l’outil est nul.
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- En appliquant le modèle de frottement de Coulomb, la force Q de contact copeau/ outil se trouve sur le cône de
frottement.
avec tgϕ est le coefficient de frottement entre le copeau et l’outil.
- Sur le plan de cisaillement, l’effort R se décompose en une force normale N et une force tangentielle T.
avec :
N = σ . aire de la section cisaillée,
T = τ . aire de la section cisaillée.
5-1- Calcul de la section cisaillée
Si « L » est la longueur de coupe, l’aire de la section
cisaillée est :
Aire = OA . L avec : OAS
OAAC==φsin
D’où : φsin.LSAire=
D’où les efforts de cisaillement sont :
=
=
φτ
φσ
sin..
sin..
LST
LSN
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5-2- Equation d’équilibre
A l’équilibre du copeau, on a : 0rrr
=+RQ
avec :
+−=+−=
)cos(.)sin(.
φγϕφγϕ
QTQN
d’où : ( )φγϕτσ +−== tg
TN
( )φγϕτσ +−=tg
(1)
5-3- Relation entre ττττ et σσσσ
Au moment de détachement du copeau, les deux contraintes τ et σ sont liées par les lois de la plasticité. La loi
de Caquot Brigman donne :
gCcot.0 σττ += (2)
avec :
5-4- Calcul de la contrainte tangentielle
(1) et (2) donnent : ( ) gCtg cot..0 γϕτττ −+Φ+=
( ) gCtg cot.10
γϕττ −+Φ−=
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5-5- Calcul de la résultante
on a : ( )QT=−+Φ γϕcos or : Φ=
sin.. SLT τ
=> ( )γϕτ
−+ΦΦ=cos.sin
.. SLQ or: ( ) gCtg cot.10
γϕττ −+Φ−=
d’où:
( )γϕτ
+−Φ−Φ=C
CSLQsin.sin
sin...0
En pratique, on peut calculer l’angle Φ par la mesure de l’épaisseur du copeau e et la détermination du
rapport de compression :
)cos(sin
γφφ−=
eS
5-6- Hypothèse de puissance minimale
On cherche à calculer l’angle Φ.
Au moment de la coupe, on a :
=∂∂=
0.
φP
VFP V
avec V : la vitesse de coupe.
−=−=
)sin(.)cos(.
γϕγϕ
QFQF
f
V
=> 0=∂∂
φVF
=> ( ) 0sin.sin
)cos(.sin...0 =
+−Φ−Φ−
∂∂
γϕγϕτ
φ CCSL
=> 02 =+−Φ− γϕC
=> 2ϕγφ ++=C
5-7- Expression des efforts de coupe
En remplaçant Φ par son expression, on obtient :
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Inconvénient de ce modèle :
Difficulté de mesurer l’épaisseur du copeau.
6- Calcul pratique des efforts de coupe
6-1- Cas du tournage
(1) Chariotage ; (2) Plongée ; (3) copeau
Les composantes de l’effort exercé par l’outil sur le copeau sont
FT : effort tangentiel,
FA : effort axial,
FR : effort radial,
Expérimentalement : 0,2.F
avec FT = A.kS où
Φ−=
Φ−=
20
20
sin)sin(.sin...
sin)cos(.sin...
γϕτ
γϕτ
CSlF
CSlF
f
V
Difficulté de mesurer l’épaisseur du copeau.
Calcul pratique des efforts de coupe
Cas du tournage
Les cales (1) situent l’arête de l’outil (2) à hauteur de l’axe (3) du tour,
après serrage des vis (4) de la tourelle (5).
(6) dépassement réduit.
Le dépassement (1) de la pièce (5) tient compte de la surépaisseur (2), de la distance (3) et de la sécurité
Les composantes de l’effort exercé par l’outil sur le copeau sont :
tangentiel,
0,2.FT≤≤≤≤ FA≤≤≤≤0,3.FT et 0,1.FT≤≤≤≤ FR≤≤≤≤0,2.FT
où A : section du copeau,
kS : pression spécifique de coupe.
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Le dépassement (1) de la pièce (5) tient compte de la surépaisseur (2), de la distance (3) et de la sécurité
(4).
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Quelques valeurs de kS :
Matière Dureté Brinell
(daN/mm²) kS en (daN/mm²) pour avance en mm/tr 0,1 0,2 0,4 0,8
Acier XC 38, XC 45 19 à 32 320 230 170 124 Acier inoxydable 38 à 44 520 375 270 192 Fonte alliée 250 à 400 320 230 170 120 Laiton 80 à 120 160 115 85 60
La puissance (en W) nécessaire pour réaliser une opération de chariotage à une profondeur de passe « a
(mm) », avec une avance par tour « s (mm)» et une vitesse de coupe « V (m/min)» sur un tour dont le rendement est
« ηηηη » est :
η.60... VksasP=
6-2- Cas du perçage
Mode d’action du forêt hélicoïdal : (1) guidage de l’outil ; (2) pièce ; (3) copeau
Fixation : Dans la broche (1) ; (2) cône de centrage de l’outil ; (3) tenon
d’entraînement engagé dans la lumière (4) de la broche. En mandrin (5) à trois mors ; (6) outil à queue cylindrique ; (7) mors ; (8) couronne de serrage.
η180... VksDsP=
avec : D le diamètre du forêt (mm) et ks, dans le cas du perçage, est donné comme suit :