Les caractéristiques géométriques d'une surface usinée englobent plusieurs aspects : la rugosité de la surface, l'ondulation de la surface et la texture de la surface. La rugosité de surface constitue l'élément fondamental de ces caractéristiques géométriques. Lorsqu'une surface de pièce est usinée à l'aide d'outils de coupe de métal-, la rugosité de surface résultante est principalement déterminée par l'interaction et l'influence de trois catégories de facteurs : les facteurs géométriques, les facteurs physiques et les facteurs de processus d'usinage.
1. Facteurs géométriques
D'un point de vue géométrique, la forme et les angles géométriques de l'outil de coupe-en particulier le rayon du nez, l'angle du tranchant principal, l'angle du tranchant auxiliaire et les paramètres d'usinage tels que la vitesse d'avance-exercent une influence significative sur la rugosité de la surface.
2. Facteurs physiques
Compte tenu de la physique sous-jacente du processus de coupe, l'arrondi du tranchant de l'outil-ainsi que la compression et le frottement ultérieurs-induisent une déformation plastique du matériau métallique, dégradant ainsi gravement la rugosité de la surface. Lors de l'usinage de matériaux ductiles qui produisent des copeaux continus (semblables à un ruban-), un "bord bâti-haut (BUE) très dur se forme souvent sur la face de coupe de l'outil. Ce BUE agit efficacement comme un substitut à la face de coupe et au tranchant réels, modifiant les angles géométriques effectifs et la profondeur de coupe de l'outil. Le contour du BUE est très irrégulier ; par conséquent, il laisse des marques d'outils sur la surface de la pièce qui varient continuellement en profondeur et en largeur. Dans certains cas, des fragments de BUE s’incrustent dans la surface de la pièce, exacerbant encore la rugosité de la surface.
Les vibrations se produisant pendant le processus de coupe contribuent également à une augmentation des valeurs des paramètres associés à la rugosité de la surface de la pièce.
3. Facteurs de processus
D'un point de vue orienté processus-, les facteurs influençant la rugosité de la surface de la pièce incluent principalement ceux liés à l'outil de coupe lui-même, ceux liés aux propriétés matérielles de la pièce et ceux liés aux conditions d'usinage spécifiques utilisées.
La qualité de surface d’une pièce usinée a un impact profond sur les performances fonctionnelles de la pièce finie. Les mesures clés utilisées pour évaluer la qualité de surface d'une pièce usinée comprennent la rugosité de la surface, la contrainte résiduelle de surface et le degré d'écrouissage de la surface. Parmi ces trois indicateurs de qualité de surface, la rugosité de surface est le facteur le plus critique influençant les caractéristiques de performance globales du composant.
La rugosité de la surface d'un composant affecte directement et de manière significative le frottement et l'usure ; en effet, plus la surface est rugueuse, plus l'usure est importante. Lors des premières étapes d’usure, les aspérités microscopiques de la surface s’aplatissent rapidement, entraînant une forte augmentation du taux de perte de matière. Cependant, après une période de fonctionnement, la surface de contact réelle entre les surfaces mobiles augmente, ce qui entraîne un ralentissement de l'usure. Si une surface est lisse et dense, la hauteur et la netteté de ses aspérités microscopiques sont relativement faibles ; par conséquent, les surfaces lisses et denses présentent une plus grande résistance à l’usure que les surfaces rugueuses.
A l’inverse, une surface trop lisse gêne la rétention de l’huile lubrifiante ; cela peut en effet conduire à une augmentation du coefficient de frottement, provoquant une surchauffe de la surface métallique et potentiellement entraîner un phénomène de « grippage » ou de « grippage ». Lors des opérations de coupe effectuées sur un centre d'usinage vertical, les paramètres de processus-tels que la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe-influencent directement la force de coupe. La force de coupe et la température de coupe sont deux facteurs interdépendants : généralement, une force de coupe plus élevée correspond à une température de coupe plus élevée et, simultanément, à des vibrations plus fortes au sein du centre d'usinage vertical.
Des vitesses de coupe variables génèrent des fréquences d’excitation externes qui diffèrent en conséquence. Plus cette fréquence d'excitation se rapproche de la fréquence naturelle de vibration inhérente au centre d'usinage vertical, plus elle risque d'exacerber les vibrations des équipements mécaniques.
Pour obtenir des valeurs optimales de rugosité de surface sur les pièces lors des opérations de coupe, un système de détection permettant de surveiller la force de coupe et la température de coupe a été conçu. Ce système vise à étudier les relations entre la force de coupe, la température de coupe et la rugosité de surface de la pièce qui en résulte. En sélectionnant judicieusement les paramètres de processus-tels que la vitesse de coupe, l'avance et la profondeur de coupe-pendant le processus d'usinage, il devient possible de contrôler la force de coupe, la température de coupe et les vibrations mécaniques, garantissant ainsi l'obtention de la rugosité de surface de la pièce souhaitée.