Fraisage - Trametal

CDJ.3.08.04
Doc. Iscar
productivité, tenue
d’outil, qualité…
en adoptant
la grande vitesse
Fig. 1 - Répandu
chez beaucoup
de petits
sous-traitants,
on a encore
l’habitude
de procéder
à l’usinage
des cavités
en procédant
par plongées
obliques avec
des passes
successives
de profondeur
partielle en
n’utilisant
qu’une partie
de la longueur
des arêtes de
coupe, ce qui
exige des passes
de finition pour
éliminer des
marques de
raccordements
sur les parois,
entre autres.
Bien que
la cadence
d’enlèvement
de copeaux
apparaisse
satisfaisante,
une méthode
plus rentable et
plus productive
consiste à
remplacer le
type de fraise
et à changer
la méthode de
travail et les
conditions de
coupe, comme
on l’explique
en détail dans
cet article.
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Le fraisage àgrande vitesse n’est pas une nouveautémais, dans de
nombreux modestes ateliers, on ne sait pas encore en retirer tous les
avantages tant les habitudes acquises et les résultats obtenus avec des
outils modernes sont considérés comme tout àfait suffisants. C’est làqu’il
importe aujourd’hui de faire comprendre oùet pourquoi le bât blesse.
Les contraintes imposées aujourd’hui par
les donneurs d’ordres pour répondre aux exigences d’un marché devenu mondial doivent
conduire leurs sous-traitants à revoir leurs
méthodes d’usinage afin de réduire les cycles
de fabrication et de limiter les gaspillages. Il a
été prouvé depuis déjà de longues années
que le fraisage à grande vitesse répondait à
ce besoin. Mettre en œuvre les principes de
cette technique tout en évitant ses écueils,
tels que les efforts de coupe excessifs, tous
les ateliers sont, en effet, en mesure d’accroître leur productivité, la qualité de leur travail et
de réduire leur éventuels gaspillages et pertes.
Remédier aux vieilles habitudes
Une stratégie classique de réduction de
tous types de gaspillages lors des usinages
consiste à utiliser au maximum les ressources
qui la permettent, telles que les outils insuffisamment exploités depuis longtemps et leurs
méthodes d’application. Par exemple, dans
un nombre important d’ateliers, si l’on y regarde de près on constate que les trois quarts
Doc. Siemens
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du temps ils n’utilisent que la moitié de la longueur des arêtes de coupe de leurs fraises en
carbure monoblocs. De ce fait, ils n’exploitent
que cinquante pour cent de leur investissement global. Ce que l’on n’utilise pas, c’est de
la perte! Si, dans des ateliers, il n’est utilisé
qu’une partie des arêtes de coupe c’est parce
que s’ils utilisent les paramètres de coupe traditionnels en soumettant les arêtes de coupe
à la profondeur de coupe axiale et à la largeur
de coupe radiale maximales, ils constatent une
flexion de l’outil affectant la précision de la
pièce et provoquant du broutage. Ces ateliers
ne se sont jamais intéressé au fait que l’application des principes du fraisage à grande vitesse peut réduire les efforts de coupe et
permettre l’utilisation complète des arêtes de
coupe d’une fraise carbure monobloc.
Le fraisage à grande vitesse se fait avec
une réduction de la largeur de coupe radiale
associée à un effort accru d’enlèvement de
copeaux par dent de trois à cinq fois, à une vitesse plus élevée de deux à deux fois et demie et à une avance de cinq à sept fois plus
forte, ce qui aboutit à des gains de productivité substantiels. Par exemple (fig. 2), une fraise d’un diamètre de 16 mm avec une charge
radiale de copeau de 8 mm se trouve engagée à cinquante pour cent avec un arc de
coupe de 90°. En supposant que cette fraise
travaille avec une charge de copeau de 2 mm
par dent, l’épaisseur de copeau à cinquante
pour cent de son engagement est aussi de 2
mm. Si la largeur radiale de coupe est réduite
à 2 mm (1/25 de 8 mm), l’arc de coupe passe
à 3,6°. Ainsi, l’engagement de la fraise se
trouve grandement réduit et l’épaisseur du
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Fig. 2 - Les
techniques
de fraisage à
grande vitesse
impliquent une
diminution très
significative
de la largeur
de coupe radiale,
ce qui diminue
le pourcentage
d’engagement
de la fraise et
permet une
charge de
copeau accrue
par dent, ce qui
conduit à des
gains vraiment
substantiels de
productivité.
Fig. 3 - Mettant
à profit les
techniques
d’usinage
à grande vitesse
et des outils
d’un diamètre
aussi restreint
que 16 mm,
il a été possible
d’usiner en
totalité ce moule
de ventilateur
d’automobile en
un temps total
de trente heures.
Ce moule
comportait
des pointes
accentuées,
des nervures de
16 mm de haut et
d’autres détails
qu’il aurait été
impossible
d’usiner sans
passer par de
l’électroérosion
avec la nécessité
de fabriquer
des électrodes
aboutissant à
une prolongation
du cycle total de
fabrication qui
aurait atteint
trois semaines.
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copeau produit diminue en conséquence. On
doit faire remarquer qu’une épaisseur de copeau incorrecte peut accélérer l’échauffement
dans l’outil et y provoquer une usure en cratère. De son côté, un copeau d’épaisseur convenable offre l’avantage d’évacuer la chaleur
et la production d’un copeau assez épais assure aussi une action de coupe franche qui réduit à un minimum le frottement et l’échauffement. Pour maintenir une épaisseur de copeau de 2 mm avec une largeur de coupe de
1,5 mm, la charge par dent doit être accrue de
trois fois et demie à 0,2 mm. La formule pour
calculer la charge de copeau (qui consiste à
multiplier la charge de copeau par dent par le
nombre de dents de la fraise et par sa vitesse
de rotation en tours par minute, ce qui donne
la vitesse d’avance) met en évidence le passage à une augmentation simultanée des vitesses d’avance et de coupe.
Les paramètres de coupe combinés utilisés en fraisage à grande vitesse apportent de
gros avantages. La faible largeur de coupe
donne naissance à une passe plus légère qui
est plus douce et produit moins d’usure et de
contraintes sur les roulements de la broche de
la machine et sur ses glissières. La chaleur,
ennemie de la tenue de l’outil de coupe, est
réduite du fait du temps très court d’engagement des arêtes de coupe, ce qui leur donne
plus de temps pour se refroidir dans l’air que
ce n’est le cas en fraisage conventionnel. En
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effet, le passage des arêtes dans et hors de la
passe est trop bref pour qu’elles absorbent la
chaleur. Le fraisage à grande vitesse réduit
aussi grandement les efforts latéraux sur
l’outil, ce qui permet l’exploitation de la longueur totale des arêtes de coupe de fraises à
queue, autrement dit de leur profondeur de
coupe axiale. Ceci est la clé de l’utilisation totale des arêtes de coupe de l’outil. La profondeur
de
coupe
axiale
augmente
directement le volume de métal enlevé car
son taux d’enlèvement est déterminé par le
pro-duit de la largeur de coupe axiale, de la
pro-fondeur de coupe et de la vitesse d’avance.
Exemple de recours à cette technique
Dans un atelier de sous-traitance progressivement orienté vers la fabrication et la réparation de moules pour tirer le meilleur parti de
ses machines confiées à quelques opérateurs
très qualifiés en fraisage traditionnel, il a été décidé de s’équiper d’un centre d’usinage permettant d’exploiter les principes du fraisage à
grande vitesse, aussi bien pour la fabrication
de ses moules que pour les opérations de réparation. On s’était rendu compte que l’augmentation possible de la profondeur axiale de
coupe représente un avantage supplémentaire disponible gratuitement. C’est ainsi que,
pour donner un exemple typique, il se sert de
fraises de 16 mm de diamètre engagées à une
profondeur de 38 mm dans de l’acier pour
moules et ne constate qu’une flexion si infime
des outils qu’il n’éprouve pas le besoin de procéder à une compensation. Avec une telle fraise de 16 mm de diamètre, il parvient à enlever
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jusqu’à 7,5 cm /mn de matière, ce que les
opérateurs, jusque là habitués au fraisage traditionnel, considèrent comme un résultat réellement phénoménal, d’autant plus qu’à ce
taux d’enlèvement de métal l’usinage est de
très haute qualité avec un fini de surface de
1,5 µm Ra et une planéité de 10 µm (fig. 3).
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Sortir jusqu’à 7,5 cm /mn de copeaux dans
un acier 42CD4 ne demande que 25 kW. L’absence de couple important dans les passes
réduit donc les contraintes exercées sur la machine, ne compromettant donc pas sa capacité d’assurer cette très bonne finition. La possibilité d’enlever ainsi une gros volume de métal malgré la grande vitesse et le faible couple
exercé sur les roulements en céramique de la
broche permet des usinages à des tolérances
jusqu’à 5 µm sans aucune difficulté.
Le fraisage à grande vitesse permet à cet
atelier aussi bien de l’ébauche que de la finition sur son centre d’usinage, un cinq axes
MAV de PARPAS montant jusqu’à 24000 t/mn,
et d’éviter un gonflement des tolérances en
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Fig. 4 - Sur cette
pièce en forme
de cloche usinée
dans un acier
42CD4, le temps
d’ébauche
de la cavité
est passé de 80 à
20 minutes en
permutant d’une
fraise en bout
à plaquettes
indexables
à une fraise
en bout
en carbure
monobloc
à cinq dents.
passant d’une machine à une autre. Un exemple est celui d’un moule pour ventilateur d’automobile réalisé en 30 heures (fig.3). Ce moule présente des pointes très accentuées et
des nervures de 16 mm qui ont été usinées
avec des fraises de 1,5 mm de diamètre. Sans
l’application des techniques de fraisage à
grande vitesse bien des détails de ce moule
auraient exigé de l’électroérosion avec un
temps de traitement beaucoup plus long. Il a
été estimé qu’en travaillant sans perte de temps
avec la nécessité de fabriquer des électrodes
aurait exigé d’y passer trois semaines. Cette
méthode garantissant une haute précision
permet aujourd’hui d’usiner “aux cotes” et
avec un fini de 0,3 µm Ra, éliminant tout passage ultérieur au banc. En passant pour certains détails à une fraise à bout rond de 0,8
mm de diamètre, il a été possible de les faire
tourner entre 16000 et 20000 t/mn avec une
avance de 25 mm/mn. On a reconnu que
l’adoption de ces méthodes de fraisage à
grande vitesse après avoir acquis la maîtrise
poussée du fraisage classique a exigé un radical changement d’esprit avec des hésitations sérieuses quant à la mise en service des
outils en les laissant faire leur travail sans intervention. Il a fallu un temps d’accoutumance sérieux avant d’être tout à fait tranquille. La
combinaison de la grande vitesse et du cinq
axes à éliminé l’électroérosion dans la majorité des cas, renforcé la compétitivité de l’atelier
et totalement transformé son activité. Devenu très sérieux concurrent des éventuels
fournisseurs à coûts bradés et répondant aux
exigences de qualité et de délais des soustraitants attitrés des grands donneurs d’ordres,
il a été vite consulté par ces derniers pour les
dépanner en cas de “bourre”. Toute l’équipe
et sa direction sont aujourd’hui convaincues
avoir trouvé la clé pour leur assurer une grande longévité des affaires.
Le succès du fraisage à grande vitesse
n’est pas forcément la panacée
Dans les ateliers n’ayant aucune expérience du fraisage à grande vitesse, on ne doit
pas s’imaginer que les succès de plus en plus
répandus de cette technique signifient qu’ils
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pourraient, avec elle, apporter une réponse
profitable à tous les soucis de fabrication. S’il
existe de nombreux cas où elle s’applique, il y
en a d’autres où elle ne convient pas. Un facteur important est la géométrie de la pièce.
Les méthodes de fraisage conventionnel peuvent être nécessaires, par exemple pour préparer, dans certaines situations, l’espace dont
on a besoin pour évacuer l’important volume
de copeaux produit par les techniques de fraisage à grande vitesse. Certaines fois, on est
obligé de plonger au milieu de la pièce pour
parvenir à ménager une ouverture offrant assez d’espace pour évacuer normalement les
copeaux. Mais, attention, lorsque la place est
libre on ne doit pas se figurer qu’après tout on
peut continuer comme ça ! Il faut toujours se
mettre dans la tête qu’enlever la matière plus
rapidement réduit les temps de cycle. Un atelier qui avait à usiner dans de l’acier 42CD4 au
chrome molybdène une pièce de 108 x 108 x
184 mm en forme de cloche (fig. 4) en a directement effectué l’ébauche par un fraisage à
grande vitesse, réduisant de quatre fois son
temps de cycle qui est passé de 80 à 20 mn.
Auparavant, il usinait cette pièce avec une
fraise en bout de 32 mm de diamètre à trois
dents entraînée à 1300 t/mn correspondant a
65 m/mn, l’engagement radial étant de 16 mm
radial et la profondeur de passe axiale de 7,6
mm. Il est passé à une fraise carbure monobloc en bout de 16 mm de diamètre avec une
profondeur axiale de 38 mm, un entraînement
à 6000 t/mn, soit une vitesse de coupe de
150 m/mn et un engagement radial de 2,5
mm. La pièce de 16 kg avant ébauche ne pesait plus à la fin que 5 kg. Le gain de temps
réalisé sur une série de mille pièces a représenté une bonne quantité d’heures !
Réfléchir pour le choix des fraises
Il faut savoir que l’application optimale du
fraisage à grande vitesse et l’utilisation totale
des arêtes d’une fraise carbure monobloc demande une nouvelle manière de sélectionner
un outil. C’est la profondeur axiale de coupe
qui détermine quel diamètre de fraise utiliser.
Pour servir d’exemple, un atelier confronté à
une profondeur de coupe de 38 mm choisirait
de sélectionner une fraise de 16 mm de diamètre et de prendre entre dix et vingt pour
cent de largeur radiale. De même, lorsque l’on
a besoin d’une longueur des arêtes de coupe
de 20 mm, une fraise de 8 mm de diamètre
conviendrait. Pour trouver le diamètre le plus
approchant, une règle simple consiste à diviser la longueur désirée des arêtes par 2,5. Par
exemple, en divisant une longueur des arêtes
de 32 mm par 2,5 on trouve un diamètre de
12,8 mm, soit en pratique de 13 mm.
Doc.Delcam
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ploite deux modes de programmation du fraisage trochoïdal. L’un dirige l’outil constamment à faire des petits cercles tout au long de
l’usinage, tandis que l’autre n’applique des
parcours trochoïdaux que lorsque la géométrie de la pièce provoquerait un fort pourcentage d’engagement de la fraise dans la pièce.
Pour des passes d’ébauche profondes impliquant de grands recouvrements, un mode trochoïdal constant assure que la longueur totale des arêtes de la fraise en bout peut être en
action sans soumettre l’outil à une surcharge.
Fig. 5 - La
technique
du fraisage
trochoïdal
implique
le déplacement
de l’outil durant
son usinage
en suivant
des parcours
circulaires
tangents
à la géométrie
à réaliser
sur la pièce
au lieu d’une
course linéaire
continue. Ces
déplacements
circulaires
minimisent
l’engagement
de la fraise
dans la matière,
contribuant
à la refroidir, tout
en réduisant les
efforts
latéraux
auxquels
elle est soumise
et contribuant à
ce qu’ils restent
homogènes.
Intérêt d’un parcours d’outil trochoïdal
Une approche plus spécialisée du fraisage
à grande vitesse implique de prévoir un parcours trochoïdal de la fraise. L’application de
ce type de parcours n’est pas nouveau, remontant à une trentaine d’années pour des
applications en fraisage dur. Le fraisage trochoïdal implique de prendre des parcours de
coupe circulaires se recouvrant et se situant
pour moitié dans la pièce et pour moitié en dehors au lieu de fraiser en ligne continue. Le
mouvement circulaire constant utilisé en fraisage trochoïdal évite de trop engager l’outil en
permettant d’usiner à niveau constant, de ce
fait réduisant l’effort latéral sur la fraise et permettant des avances plus importantes.
Bien que la méthode de fraisage trochoïdal ait été développée pour usiner des matières de pièces trempées à une dureté de 55 Rc
et plus, elle présente aussi un réel intérêt pour
effectuer l’usinage de poches ou pour rainurer
des matières plus tendres comme le carbone,
les alliages, les aciers à moules et à outils,
ainsi que certains aciers inoxydables. Plutôt
que de plonger dans une rainure avec un engagement important de la fraise, utiliser un
outil moins coûteux en suivant un parcours
trochoïdal permet de limiter les contraintes
sur l’outil et sur la machine. De même, lorsque
l’on usine une empreinte de manière usuelle,
le pourcentage engagé de l’outil pose problème dans les coins lorsqu’il change de direction. En utilisant une fraise plus petite en mode trochoïdal on maintient homogène son engagement dans la matière.
Mise en œuvre du fraisage trochoïdal
Le parcours trochoïdal de la fraise est dirigé par un programme chargé dans la CNC de
la machine-outil. Sur le plan pratique, on ex12
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D’autre part, des profondeurs et des recouvrements plus légers peuvent être une solution intermittente lors de l’utilisation de mouvements trochoïdaux dans des situations spécifiques, permettant de réduire au minimum le
temps de cycle. Une action trochoïdale offre
l’avantage de pénétrer et de sortir en douceur
de la coupe. Toutefois, il est inutile d’appliquer
un parcours trochoïdal dans tous les cas, notamment lorsque l’on usine une géométrie
tout autour du périmètre d’un bloc sans avoir
à pénétrer dans une empreinte ou dans une
gorge puisque le parcours suivi est alors une
ligne continue. Dans le cas où l’on s’apprête
à usiner un parcours rectangulaire dans une
poche après avoir percé un trou de départ,
lorsque l’on atteint un coin il survient un moment ou l’on permute de l’axe X à celui Y et il
y a alors une bonne chance pour que survienne du broutage. Il en est de même lorsque
l’on va dans un coin où trop de matière entoure la fraise. Ce sont des cas où tra-vailler en
trochoïdal maintient un effort constant sur
l’outil en évitant ces problèmes.
En conclusion, penser à la concurrence
Dans une ère où tout contribue à renforcer
la concurrence, il s’agit de ne pas rester inactif dans ses techniques de fabrication afin de
“tenir sa place” et de progresser. Cette réflexion s’applique fortement, entre autres, aux
petites entreprises vivant sur l’expérience et
le savoir-faire avec des machines-outils plus
ou moins récentes et plus ou moins bien exploitées car n’ayant jamais cherché à s’informer de la possibilité d’application chez elles
des technologies les plus récentes. Ce qui est
regrettable lorsque l’on constate le temps perdu aujourd’hui pour mieux rentabiliser leurs
travaux. Cet article ne prétend absolument
pas proposer de rompre systématiquement
avec le passé mais il espère bien inciter à associer très vite ce que la technologie moderne
est capable d’apporter pour gagner du temps
sur les cycles de fabrication tout en les simplifiant et en permettant de produire plus précis
et d’une qualité très nettement supérieure,
❑
donc plus concurrentielle.