Calculateur de vitesse de broche

Un calculateur de vitesse de broche détermine la vitesse de rotation, en tours par minute (tr/min), à laquelle la broche d’une machine-outil doit fonctionner pour une vitesse de coupe et un diamètre d’outil donnés. Les usineurs l’utilisent pour régler les fraiseuses, les tours, les perceuses à colonne et les machines à commande numérique avant l’usinage.

Qu’est-ce que la vitesse de broche ?

La vitesse de broche est la vitesse à laquelle la broche tourne, mesurée en tr/min. La broche est l’arbre rotatif qui maintient l’outil de coupe (pour le fraisage et le perçage) ou la pièce (pour le tournage). Faire tourner la broche trop vite ou trop lentement peut user rapidement l’outil, brûler le matériau ou laisser une surface rugueuse.

La vitesse de broche appropriée dépend de deux éléments : la vitesse à laquelle l’arête de coupe doit se déplacer dans le matériau (la vitesse de coupe) et la largeur de l’outil ou de la pièce (le diamètre).

Formule de la vitesse de broche

$\text{Vitesse de broche (tr/min)} = \frac{\text{Vitesse de coupe} \times 1000}{\pi \times \text{Diamètre de l’outil}}$

• La vitesse de coupe est la vitesse de l’arête de coupe par rapport au matériau, en mètres par minute (m/min). Elle dépend du matériau usiné et du matériau de l’outil.
• Le diamètre de l’outil est le diamètre de l’outil de coupe, en millimètres (mm). Pour le tournage, il s’agit plutôt du diamètre de la pièce.
• Le facteur 1000 convertit les mètres en millimètres pour que les unités concordent. Avec des unités en pouces, la même règle s’écrit N = 12 V ÷ (π D), où V est exprimée en pieds de surface par minute et D en pouces.
• π (pi) vaut environ 3,14159. Il apparaît parce que l’arête de l’outil décrit un cercle à chaque tour et que la circonférence de ce cercle est égale à π fois son diamètre.

Un outil plus large parcourt une plus grande distance à chaque tour ; il nécessite donc moins de tours par minute pour atteindre la même vitesse de coupe. Un outil plus étroit nécessite davantage de tours par minute.

Comment calculer la vitesse de broche

1. Trouver la vitesse de coupe recommandée pour le matériau et l’outil utilisés, en m/min. Les fournisseurs d’outils et de matériaux publient ces valeurs.
2. Mesurer le diamètre de l’outil (ou le diamètre de la pièce pour le tournage) en mm.
3. Multiplier la vitesse de coupe par 1000.
4. Multiplier le diamètre de l’outil par π (environ 3,14159).
5. Diviser le premier résultat par le second. Le résultat est la vitesse de broche en tr/min.

Exemple

Un usineur fraise de l’acier doux avec une fraise à queue en acier rapide (HSS) de 10 mm. Une vitesse de coupe d’environ 30 m/min (100 pieds de surface par minute) est un choix prudent pour ce couple outil-matière.

$\text{RPM} = \frac{30 \times 1000}{\pi \times 10} = \frac{30{,}000}{31.42} \approx 954.9 \text{ RPM}$

L’usineur règle la broche à environ 955 tr/min.

Vitesses de broche typiques selon le matériau

Les vitesses de coupe ci-dessous proviennent des vitesses de surface recommandées pour les outils en HSS de l’université de Floride, converties de pieds de surface par minute en mètres par minute. L’université qualifie ces valeurs de prudentes, choisies pour un atelier d’enseignement. Elle suggère de les multiplier par 2,5 pour les outils en carbure. La colonne des tr/min repose sur un outil de 10 mm de diamètre.

Les métaux plus tendres et plus conducteurs thermiquement, comme l’aluminium, supportent des vitesses de coupe bien plus élevées que les métaux plus durs ou sensibles à la chaleur, comme le titane.

Pourquoi le diamètre de l’outil est important

Le diamètre et la vitesse de broche sont inversement liés. Si le diamètre de l’outil double, le nombre de tr/min requis est divisé par deux, car l’arête du plus grand outil parcourt déjà deux fois plus de distance par révolution. C’est pourquoi un petit foret tourne bien plus vite qu’un gros foret pour usiner le même matériau à la même vitesse de coupe.

Tournage, fraisage et perçage

Pour le fraisage et le perçage, le diamètre utilisé dans la formule est celui de l’outil de coupe rotatif. Pour le tournage, la pièce tourne à la place de l’outil ; on utilise donc le diamètre de la pièce. Comme une pièce devient souvent plus étroite à mesure que le matériau est enlevé, certains tours utilisent une commande à vitesse de coupe constante afin d’augmenter automatiquement le nombre de tr/min lorsque le diamètre diminue et de maintenir la vitesse de coupe constante.

Ajustement de la vitesse calculée

La formule donne une valeur de départ. Les usineurs l’ajustent souvent pour les raisons suivantes :

• État de l’outil. Un outil usé ou émoussé peut nécessiter une vitesse plus faible.
• Rigidité de la machine. Une machine ou un montage moins rigide peut vibrer à la vitesse calculée et nécessiter une vitesse plus faible.
• Refroidissement. Une lubrification moindre impose une vitesse plus basse. Le guide d’atelier de l’université de Floride, par exemple, ramène la vitesse et l’avance à 60 % lorsque l’huile est appliquée à la main plutôt qu’avec un arrosage abondant.
• Vitesses disponibles. Les machines anciennes équipées de poulies entraînées par courroie n’offrent que quelques vitesses fixes ; l’usineur choisit donc la vitesse la plus proche qui ne dépasse pas la valeur calculée.

Faire tourner la broche trop vite tend à user ou à casser l’outil et peut brûler la pièce. Une vitesse trop faible produit de longs copeaux filandreux et un mauvais état de surface, car l’outil frotte au lieu de couper correctement.

Foire aux questions

Qu’est-ce que la vitesse de broche en usinage ? La vitesse de broche est la vitesse de rotation de la broche d’une machine-outil, en tr/min. Elle détermine la vitesse de rotation de l’outil de coupe ou de la pièce pendant l’usinage.

Comment calculer la vitesse de broche ? Multipliez la vitesse de coupe (en m/min) par 1000, puis divisez le résultat par π multiplié par le diamètre de l’outil (en mm). Le résultat est la vitesse de broche en tr/min.

Pourquoi le diamètre de l’outil modifie-t-il la vitesse de broche ? Un outil de plus grand diamètre parcourt une plus grande distance en un tour. Pour maintenir la même vitesse de coupe à l’arête, il doit tourner plus lentement qu’un outil plus petit.

Que se passe-t-il si la vitesse de broche est réglée trop haut ou trop bas ? Une vitesse trop élevée entraîne une usure rapide de l’outil, sa rupture et une pièce brûlée ou décolorée. Une vitesse trop faible entraîne une mauvaise formation des copeaux, un état de surface rugueux et un usinage plus lent.

La même formule s’applique-t-elle au tournage, au fraisage et au perçage ? Oui. La formule est la même pour les trois procédés. Pour le fraisage et le perçage, le diamètre est celui de l’outil de coupe. Pour le tournage, il s’agit du diamètre de la pièce au niveau de la zone usinée.

Peut-on utiliser des pieds par minute au lieu de mètres par minute ? La formule ci-dessus utilise des mètres par minute. Pour convertir des pieds par minute en mètres par minute, multipliez par 0,3048, car 1 pied = 0,3048 mètre.

Références

1. University of Florida, Department of Mechanical and Aerospace Engineering. Speeds and Feeds. Laboratoire de conception et de fabrication de l’UF — N = 12 V/(πD) ; vitesses de surface recommandées en HSS selon le matériau ; ×2,5 pour le carbure ; 60 % lorsque l’huile est appliquée manuellement.
2. National Institute of Standards and Technology. NIST Guide to the SI, Appendix B.9: Factors for units listed by kind of quantity or field of science. NIST SP 811, annexe B.9 — 1 pi = 0,3048 m exactement.