Profondeur de passe en tournage : réglages

Sur un tour CN comme sur un tour conventionnel, la profondeur de passe conditionne directement la stabilité du process, la durée de vie des plaquettes et la qualité de surface obtenue. Un même outil peut usiner une nuance d’acier en quelques passes massives, ou au contraire en une succession de passes trop légères qui font perdre un temps précieux. La différence se joue souvent sur quelques dixièmes de millimètre de profondeur de coupe, associés à une avance par tour cohérente. Comprendre comment régler ap, ajuster l’avance et la vitesse de coupe, et tenir compte de la puissance disponible sur la machine est donc un enjeu majeur pour gagner en productivité sans sacrifier la précision dimensionnelle ni la rugosité finale.

Définition de la profondeur de passe en tournage et impact sur la qualité de surface

Différence entre profondeur de passe, profondeur de coupe et engagement radial (ap, ae)

En tournage, la profondeur de passe correspond à la distance radiale enlevée par l’outil en une seule passe. Sur un cylindre, si le diamètre brut est de 50 mm et que le diamètre usiné après passe est de 48 mm, la profondeur de passe ap est de 1 mm. Cette valeur se distingue de la profondeur de coupe utilisée de façon plus générique dans l’usinage (tournage, fraisage, perçage) et de l’engagement radial noté souvent ae en fraisage. En tournage longitudinal, ap et épaisseur de copeau sont intimement liés à l’avance par tour f, alors qu’en fraisage l’engagement radial ae modifie la section de copeau de manière différente. Garder ces notions bien séparées permet de dimensionner correctement la section de copeau et la charge sur la plaquette ISO.

Influence de la profondeur de passe sur la rugosité ra, rz et l’état de surface en finition

La profondeur de passe en finition a un impact direct sur la rugosité Ra et Rz. Une passe trop profonde combinée à une avance élevée conduit souvent à une rugosité supérieure à 1,6 µm Ra, insuffisante pour des portées de roulements ou des sièges de joints. À l’inverse, une passe trop faible (par exemple ap < 0,1 mm avec un rayon de bec de 0,8 mm) risque de faire travailler la plaquette sous le copeau minimal : l’outil frotte, la surface se « brûle », les micro-défauts augmentent. Dans la pratique, les passes de finition efficaces se situent souvent entre 0,2 et 0,5 mm en tournage d’acier, avec des avances de 0,05 à 0,2 mm/tr selon le rayon de bec et l’état de surface visé.

Une profondeur de passe de finition trop faible ne garantit pas un meilleur état de surface : le copeau doit rester suffisamment épais pour ciseler la matière au lieu de simplement la polir.

Notions de passe d’ébauche, de semi-finition et de finition sur tour CN et conventionnel

Sur tour CN comme sur tour traditionnel, la profondeur de passe se décline en trois grandes familles : ébauche, semi-finition et finition. En ébauche, l’objectif est le taux d’enlèvement de matière, avec des profondeurs de passe importantes (jusqu’à 4–5 mm radial sur aciers acier C45) et des avances élevées. La semi-finition corrige la géométrie tout en laissant une surépaisseur contrôlée (souvent 0,5 à 1 mm par côté) afin de sécuriser la finition. Enfin, la finition travaille sur de faibles profondeurs pour garantir tolérances, circularité et rugosité. Sur CN, ces séquences sont programmées en cycles distincts, là où, en atelier conventionnel, elles restent sous la responsabilité directe de l’opérateur, ce qui impose une bonne compréhension de la profondeur de passe idéale à chaque étape.

Interaction profondeur de passe / angle de dépouille / angle de coupe de la plaquette ISO

Le comportement d’une passe de tournage dépend fortement de la géométrie de la plaquette ISO. Un angle de coupe positif avec une grande dépouille réduit l’effort de coupe pour une profondeur donnée, ce qui facilite les passes plus profondes sur des matériaux collants (inox 316L, alliages austénitiques). À l’inverse, une géométrie négative, plus robuste, supporte mieux des sections de copeau élevées mais nécessite une machine rigide et suffisamment puissante. Lorsque vous augmentez ap, la zone de contact entre copeau et plaquette s’allonge, ce qui élève la température en arête. D’où l’intérêt d’adapter l’angle de coupe et le brise-copeaux aux gammes de profondeur utilisées, plutôt que de se contenter d’une géométrie « passe-partout ».

Paramètres de coupe liés à la profondeur de passe : vc, f, ap et puissance machine

Calcul de la puissance de coupe disponible (P, couple, régime) selon la norme ISO 3002

La profondeur de passe maximale exploitable en tournage dépend directement de la puissance disponible à la broche et du couple au régime choisi. La norme ISO 3002 fournit des coefficients de puissance spécifique de coupe pour chaque famille de matériaux. En pratique, la puissance de coupe peut se modéliser par P = kc × A × Vc, avec kc la pression spécifique de coupe (en N/mm²), A la section de copeau (ap × f) et Vc la vitesse de coupe. À titre indicatif, pour un acier non allié type C45, kc se situe couramment entre 1 800 et 2 200 N/mm² en tournage d’ébauche. Cette approche permet de vérifier que la section de copeau prévue ne dépasse pas 70–80 % de la puissance nominale de la machine, marge généralement retenue par les fabricants de tours modernes.

Ajustement simultané de la vitesse de coupe (vc) et de l’avance par tour (f) en fonction de ap

Augmenter la profondeur de passe sans retoucher Vc ni l’avance par tour f revient à augmenter brutalement la section de copeau, donc les efforts sur la plaquette et la broche. Une stratégie efficace consiste, dès que ap dépasse un certain seuil (par exemple 2 mm sur un diamètre intermédiaire), à réduire légèrement la vitesse de coupe tout en conservant une avance suffisante pour, d’une part, maintenir un copeau correctement formé, et d’autre part, préserver la durée de vie de l’outil. À l’opposé, lors de passes peu profondes en finition, diminuer modérément l’avance tout en conservant une Vc relativement élevée améliore nettement la qualité de surface sans surcharge thermique majeure, tant que la machine dispose d’une bonne stabilité à haut régime.

Limites machine : couple à bas régime, rigidité de la broche et capacité de la tourelle porte-outils

Sur de nombreux tours CN, les fiches techniques annoncent une puissance maximale à un régime donné, mais le couple réel aux bas régimes peut être très différent. Or, en tournage de grands diamètres avec des profondeurs de passe élevées, l’usinage s’effectue justement à faible vitesse de rotation. Avant de viser des ap massifs, il est indispensable de vérifier la courbe couple/régime de la machine, la capacité de serrage du mandrin et la rigidité de la tourelle. Une tourelle VDI légère avec un porte-outil très en porte-à-faux supportera difficilement les mêmes sections de copeau qu’un bloc BOT massif monté sur une machine lourde. L’observation des vibrations et du taux de charge de broche en temps réel reste un excellent indicateur pour affiner ces limites.

Impact de la profondeur de passe sur la formation du copeau continu, segmenté ou sécable

La forme du copeau évolue fortement avec la profondeur de passe. À ap modéré et avance faible, le copeau a tendance à être continu, parfois difficile à évacuer sur des aciers moyennement alliés ou des inox. En augmentant la profondeur de passe couplée à une avance correcte, le brise-copeaux de la plaquette ISO travaille dans sa zone optimale et produit des copeaux segmentés, courts ou en spirales sécables. Ce comportement est recherché pour sécuriser l’évacuation et éviter l’enroulement autour de la pièce ou du mandrin. Inversement, si la profondeur de passe dépasse les capacités du brise-copeaux, le copeau « glisse » sur la géométrie, se redresse et redevient continu, signe qu’un ajustement de ap et de l’avance s’impose pour retrouver une formation de copeaux maîtrisée.

Réglage de la profondeur de passe en tournage ébauche sur aciers C45, 42CrMo4 et inox 316L

Choix de ap maximal selon la résistance matière (rm, re) et la section de copeau admissible

Le choix de la profondeur de passe maximale en ébauche dépend très directement de la résistance mécanique du matériau : limite d’élasticité Re et résistance à la traction Rm. Un acier C45 de structure perlito-ferritique, avec Rm autour de 600–700 MPa, permet généralement des ap radiales de 3 à 5 mm avec des plaquettes de tournage adaptées. Un 42CrMo4 traité (~900–1 000 MPa) demandera de réduire d’environ 20–30 % ces valeurs à section de copeau équivalente. Pour l’inox 316L, à Rm comparable mais très écrouissable et mauvais conducteur thermique, la profondeur de passe devra être plus conservatrice, souvent autour de 2–3 mm maxi en ébauche stable. Approcher ces valeurs par étapes progressives est préférable, en surveillant les efforts de coupe, la charge de broche et la stabilité du copeau.

Paramétrage de passes profondes avec plaquettes CNMG et DNMG en nuance sandvik GC4325 ou walter WPP20S

Les plaquettes de géométrie CNMG et DNMG en nuances modernes comme Sandvik GC4325 ou Walter WPP20S sont conçues pour encaisser des conditions d’ébauche sévères. Les catalogues indiquent, pour un acier type C45, des profondeurs de passe recommandées allant couramment de 2 à 6 mm, avec des avances par tour de 0,25 à 0,45 mm/tr en coupe longitudinale. Pour un 42CrMo4 prétraité, ces mêmes plaquettes voient leur plage d’utilisation ramenée typiquement à 1,5–4 mm, avec une avance légèrement réduite. Ces données restent indicatives : l’usinage réel dépend de votre montage, de la longueur en porte-à-faux de l’outil et de la rigidité globale de la chaîne machine/pièce. En tournage de gorges profondes ou d’épaulements massifs, la préférence va souvent vers des CNMG plus robustes que des DNMG, dont la forme en losange est plus fragile sur de fortes charges.

Stratégies d’évacuation du copeau en ébauche : brise-copeaux, arrosage haute pression, réglage du jet

Avec des profondeurs de passe importantes, la section de copeau et le volume de matière enlevé par minute augmentent fortement. Une mauvaise évacuation provoque rapidement des blocages, des marques sur la surface usinée et parfois la casse de la plaquette. Le choix d’une géométrie de brise-copeaux adaptée à l’ébauche lourde (souvent repérée par des codifications spécifiques chez Sandvik, Seco ou Kennametal) est un premier levier. L’utilisation d’un arrosage haute pression ciblé dans la zone copeau/arête améliore encore la fragmentation du copeau et évite son empilement dans la gorge ou le logement. Enfin, le réglage directionnel du jet (angle, point d’impact sur la plaquette) peut faire la différence entre un copeau qui se recourbe vers l’extérieur et un copeau qui s’enroule autour de la pièce, surtout en tournage longitudinal sur de grandes longueurs.

Une bonne stratégie d’évacuation des copeaux permet souvent de gagner plus de productivité qu’une simple augmentation des vitesses de coupe.

Gestion des vibrations en ébauche : réduction de l’allongement d’outil, optimisation du porte-outil ISO

Avec des valeurs de ap élevées, la moindre faiblesse de rigidité se traduit par du broutement, des stries hélicoïdales sur la surface, voire une rupture d’outil. Limiter l’allongement du porte-outil par rapport à sa section (règle empirique de 3 à 4 fois la hauteur maxi) réduit la flexion. L’utilisation de porte-outils ISO de section plus importante ou de systèmes anti-vibratoires pour les porte-à-faux extrêmes améliore encore la stabilité. Sur les tours CN de dernière génération, la surveillance vibratoire par accéléromètre intégré se développe dans plusieurs salons professionnels depuis 2023, ce qui permet des réglages de profondeur de passe plus agressifs tout en conservant un contrôle en temps réel du phénomène de chatter.

Exemples de tables de coupe fabricant (sandvik, seco, kennametal) pour ap et avances recommandées

Les grands fabricants de plaquettes ISO publient des tableaux de paramètres de coupe détaillés, croisant nuance de carbure, géométrie de plaquette et famille de matériaux. Ces abaques indiquent généralement une plage de ap et une plage d’avance par tour pour chaque condition (ébauche, universel, finition). Par exemple, une plaquette Sandvik CNMG en nuance GC4325 pour acier non allié pourra être donnée pour ap de 1,5 à 4,0 mm et f de 0,2 à 0,45 mm/tr en ébauche stable. Une géométrie de finition affichera plutôt ap de 0,2 à 1,5 mm et f de 0,05 à 0,25 mm/tr. Utiliser systématiquement ces plages comme point de départ permet de réduire les essais empiriques et d’atteindre plus rapidement des conditions d’usinage fiables et répétables.

Réglages de profondeur de passe en tournage de finition de portées, épaulements et gorges

La finition de portées, d’épaulements et de gorges impose des réglages de profondeur de passe plus fins et surtout plus constants. Une portée de roulement de diamètre moyen 50 mm avec tolérance IT6 exigera typiquement une surépaisseur avant finition comprise entre 0,2 et 0,4 mm par côté, puis une passe unique de finition. Cette passe doit garantir non seulement la cote, mais aussi une cylindricité et une rugosité compatibles (souvent ≤ 0,8 µm Ra). Dans une gorge, la profondeur de passe radiale est souvent limitée par la géométrie du grain ou de la plaquette de gorge, mais la logique reste la même : laisser une surépaisseur contrôlée et la retirer en une seule passe de finition plutôt qu’en deux petites passes de correction. Cette approche réduit les risques d’écarts dimensionnels cumulés dus aux jeux de tourelle ou aux compensations d’usure approximatives.

Pour les épaulements, l’analogie avec un « arrêt de freinage » est parlante : une ébauche un peu au-delà de la cote, puis une finition plus douce qui vient « plaquer » la cote et l’angle d’épaulement. Une profondeur de passe de finition trop importante risque de déformer l’épaulement, surtout sur des pièces minces ou des brides peu rigides. Une profondeur autour de 0,3 mm, alliée à un rayon de bec adapté à l’angle d’épaulement (par exemple 0,4 mm pour des chanfreins serrés), offre souvent un bon compromis entre stabilité géométrique et productivité.

Influence de la géométrie outil et du rayon de bec sur la profondeur de passe

La géométrie de l’outil de tournage et, en particulier, le rayon de bec (rε) conditionne fortement la profondeur de passe exploitable sans vibrations. Un rayon de 0,8 ou 1,2 mm permet des profondeurs de passe plus importantes en ébauche tout en lissant le profil, mais augmente aussi l’effort radial sur la pièce. À l’inverse, un rayon de 0,2 ou 0,4 mm autorise des passes plus légères avec moins de risque de broutement sur des pièces fines ou en porte-à-faux. En finition, le rayon de bec influe directement sur la rugosité théorique : pour une avance donnée, doubler le rayon réduit la hauteur de crête d’environ 50 %, au prix d’une plus grande sensibilité aux vibrations. La profondeur de passe optimale doit donc se choisir en cohérence avec ce rayon, sous peine d’atteindre des conditions où l’outil « entre » trop peu dans la matière et n’arrive plus à stabiliser le contact.

Une bonne image consiste à comparer le rayon de bec à la roue d’une voiture : une grande roue franchit mieux les imperfections mais transmet plus d’efforts au châssis, là où une petite roue contourne plus facilement les obstacles mais supporte moins les chocs. De la même manière, un grand rayon de bec accepte mieux les irrégularités de la surface brute, mais impose de surveiller davantage la profondeur de passe maximale sur les pièces sensibles à la flexion. Voici un ordre de grandeur typique utilisé en pratique :

• Rayon 0,2–0,4 mm : ap de finition 0,1 à 0,4 mm sur pièces délicates
• Rayon 0,8 mm : ap de finition 0,2 à 0,6 mm, ap d’ébauche jusqu’à 3–4 mm
• Rayon ≥ 1,2 mm : réservé à l’ébauche lourde et au profilage rigide

Réglages de profondeur de passe en tournage CN : g-codes, correcteurs et compensation d’usure

Sur un tour CN, la profondeur de passe ne se règle pas seulement au niveau du programme ISO, mais aussi via les correcteurs d’outil et la compensation d’usure. Un profil d’ébauche programmé en G71 ou G72, par exemple, comprend des paramètres de profondeur de passe radiale que la commande applique sur plusieurs passes successives jusqu’à atteindre le profil souhaité. En finition, un cycle comme G70 reprend ce même profil avec une unique profondeur de passe, généralement plus faible. La précision obtenue dépend alors fortement de la manière dont vous mettez à jour les correcteurs géométriques (usure en X, en Z et éventuellement en rayon de bec) après mesure de la pièce. Une compensation mal renseignée peut conduire à des écarts de plusieurs centièmes, surtout si la profondeur de passe programmée est très faible.

En pratique, une approche rationnelle consiste à :

1. Programmer des profondeurs de passe d’ébauche réalistes, en cohérence avec la puissance de machine et la nuance de plaquette
2. Laisser une surépaisseur uniforme de 0,2 à 0,5 mm par côté pour les cycles de finition
3. Mesurer la première pièce finie et corriger les offsets en X/Z plutôt que de modifier immédiatement la profondeur de passe
4. Adapter ensuite légèrement ap de finition si une meilleure qualité de surface ou une plus grande stabilité sont nécessaires

Cette méthode limite les corrections successives dans le programme et fait de la profondeur de passe un paramètre stable, que vous ajustez seulement en cas de changement majeur : nouvelle nuance de matériau, outil de géométrie différente, ou exigence de rugosité renforcée. Sur les productions en série, ce type de standardisation des profondeurs de passe et des correcteurs d’usure permet d’atteindre des niveaux de répétabilité très élevés, tout en exploitant pleinement les capacités de votre tour CN.