Fraisage de rainures et gorges

Les fraises disques sont souvent privilégiées par rapport aux fraises en bout pour l'usinage de rainures et gorges.

• Les rainures et gorges peuvent être courtes ou longues, fermées ou ouvertes, droites ou non, profondes ou non, larges ou étroites
• Le choix de l'outil est normalement déterminé par la largeur et la profondeur de la gorge, et, dans une certaine mesure, par sa longueur
• Le type de machine et la fréquence des opérations déterminent s'il faut utiliser une fraise en bout, une fraise cylindrique deux tailles ou une fraise-disque.
• Les fraises-disques sont les plus efficaces pour l'usinage de gorges longues et profondes en grandes séries, surtout dans les fraiseuses horizontales. Toutefois, en raison de la croissance des fraiseuses verticales et des centres d'usinage, les fraises en bout et les fraises cylindriques deux tailles sont aussi fréquemment utilisées.

Comparaison des concepts de fraises

Fraises-disques

+ Rainures et gorges ouvertes

+ Rainures et gorges profondes

+ Largeur/tolérances réglables

+ Trains de fraises

+ Tronçonnage

+ Offre étendue de largeurs et profondeurs

– Rainures et gorges fermées

– Rainures et gorges rectilignes uniquement

– Évacuation des copeaux

Fraises en bout

+ Rainures et gorges fermées

+ Rainures et gorges peu profondes

+ Rainures et gorges non rectilignes

+ Polyvalence (méthodes supplémentaires) :

• Fraisage de rainures trochoïdal dans les matières difficiles (aciers trempés, superalliages réfractaires, etc.)
• Tréflage pour résoudre les problèmes avec de longs porte-à-faux
• Les opérations de semi-finition et finition peuvent être ajoutées facilement
• Les fraises en bout peuvent aussi servir pour d'autres opérations

– Rainures et gorges profondes

– Forces de coupe élevées

– Sensibilité aux vibrations en cas de déflexion

Fraises-disques

Les fraises-disques peuvent usiner efficacement les longues rainures ouvertes et profondes ; elles offrent une très bonne stabilité et une productivité élevée. Elles peuvent être assemblées en train pour usiner plus d'une surface dans le même plan en même temps.

Utilisation

• Choisir la taille, le pas et la position de la fraise de manière à ce qu'une arête au moins soit en coupe à tout moment
• Contrôler l'épaisseur de copeau pour obtenir une avance à la dent optimale
• Pour les opérations de fraisage exigeantes, vérifier la puissance et le couple. La rigidité du mandrin et le porte-à-faux sont des paramètres très importants dans les applications où l'attachement est libre d'un côté
• Le bridage et l'attachement doivent être résistants pour supporter les forces de coupe du fraisage en opposition.

Fraisage en avalant :

• Choix prioritaire
• Prévoir une butée solide dans la direction des forces de coupe tangentielles pour bloquer la pièce sur la table. La direction de l'avance correspond aux forces de coupe ; il faut donc que la rigidité soit bonne et qu'il n'y ait aucun jeu car la fraise a tendance à "grimper"

Fraisage en opposition :

• Le fraisage en opposition est une alternative lorsqu'il y a des problèmes de rigidité ainsi que dans les matières exotiques
• Il résout les problèmes liés aux montages faibles et aux bourrages de copeaux dans les gorges profondes

Volant d'inertie :

• Bon complément pour les montages faibles ou lorsque la puissance ou le couple sont faibles
• Le volant d'inertie doit être positionné le plus près possible de l'outil
• Il est toujours avantageux d'améliorer le bridage de la pièce

Fraisage de rainures ouvertes avec des fraises-disques

Calcul de l'avance à la dent

Un des facteurs critiques dans le fraisage périphérique avec une fraise-disque est d'utiliser la bonne avance à la dent, f_z. Des valeurs insuffisantes posent de sérieux problèmes, aussi l'avance à la dent doit être calculée avec soin.

La valeur de l'avance à la dent, f_z, doit être réduite pour les rainures profondes et augmentée pour les rainures peu profondes de manière à respecter l'épaisseur des copeaux maximum recommandée. Pour l'usinage d'une rainure dans le plein avec la géométrie M30, par exemple, la valeur de départ de l'épaisseur maximum des copeaux doit être de 0.12 mm (0.005 pouce).

Note : Etant donné que la largeur de la rainure est usinée par deux plaquettes, l'avance se calcule à partir de la moitié du nombre de plaquettes, z_n.

Profondeur de coupe

Pour les rainures profondes, il est possible de commander une fraise spéciale. Pour d'usinage de rainures profondes, l'avance à la dent doit être réduite. Pour les rainures peu profondes, l'avance doit être augmentée.

Note : La profondeur de la rainure peut être limitée par le diamètre de l'attachement, par la résistance à la déformation des clavettes d'entraînement et par la capacité des poches à copeaux.

Volant d'inertie – machines horizontales

Seules quelques dents sont en coupe à tout moment lors du fraisage avec des fraises-disques, ce qui peut provoquer d'importantes vibrations de torsion. Ceci peut détériorer les résultats de l'usinage et faire baisser la productivité.

• L'emploi d'un volant d'inertie est souvent un bon moyen pour réduire ces vibrations. Les problèmes posés par un manque de puissance, de couple ou de stabilité peuvent souvent être résolus par l'utilisation correcte d'un volant d'inertie.
• L'utilité d'un volant d'inertie est particulièrement grande dans les petites machines de faible puissance et les machines avec une usure importante
• Le volant d'inertie doit être positionné le plus près possible de l'outil.
• Les volants d'inertie permettent de fluidifier la coupe, de réduire le bruit et les vibrations, et de prolonger la durée de vie des outils.
• En plus de fraisage en opposition, il est possible de monter un volant d'inertie sur le mandrin dans lequel la fraise est serrée
• Pour améliorer la stabilité avec les fraises-disques, utiliser le plus grand volant d'inertie possible pour l'application
• La meilleure façon de faire un volant d'inertie est d'assembler plusieurs disques d'acier au carbone percés au centre avec une rainure de clavette pour les solidariser au mandrin.

Train de fraises montées de manière décalée

Les fraises-disques avec deux rainures de clavettes peuvent être montées de manière décalée pour fraiser plusieurs rainures à la fois. Le décalage des fraises les unes par rapport aux autres permet d'éviter les vibrations. Cela réduit aussi la nécessité des volants d'inertie.

Fraisage de rainures et gorges peu profondes et étroites

Les fraises polyvalentes ont des plaquettes à plusieurs arêtes disponibles dans des formes pour la plupart des petites gorges. Les applications courantes comprennent l'usinage de gorges de circlips et de gorges de joints d'étanchéité intérieures ainsi que l'usinage de petites gorges extérieures rectilignes ou circulaires, notamment sur des pièces non rotatives.

Gorges intérieures

• Pour le fraisage circulaire, il faut programmer une entrée en coupe douce.
• Il faut tenir compte du rapport entre le diamètre de la fraise et le diamètre du trou, D_c/D_w. Plus le rapport est petit, plus l'engagement sera grand.

Fraisage en bout de rainures

Le fraisage en bout est idéal pour les rainures courtes et peu profondes, en particulier les rainures ou poches fermées, ainsi que pour les rainures de clavettes. Les fraises en bout sont les seuls outils qui permettent d'usiner des rainures fermées

• Droites, courbes ou avec des angles
• Plus larges que le diamètre de l'outil (poches)

Les opérations d'usinage de rainures lourdes se font souvent avec des fraises cylindriques 2 tailles.

Choix des outils

Fraises en bout et fraises cylindriques deux tailles

Mise en œuvre

• Utiliser des fraises en bout pour coupe légère avec une durée de vie longue et prévisible montées dans des mandrins performants
• Réduire le plus possible la distance entre le mandrin et les arêtes de coupe pour obtenir le porte-à-faux le plus court possible
• Tenir compte de l'avance par arête pour avoir une épaisseur de copeau satisfaisante. Utiliser une fraise à grand pas pour éviter les copeaux minces qui provoquent des vibrations, de mauvais états de surface et des bavures
• Choisir la plus grande taille possible d'outil pour obtenir le meilleur rapport diamètre/longueur afin de favoriser la stabilité
• Utiliser le fraisage en avalant à chaque fois que possible pour profiter d'une action de coupe favorable
• Veiller à la bonne évacuation des copeaux de la rainure. Utiliser l'air comprimé pour éviter les bourrages de copeaux
• Utiliser un attachement Coromant Capto® pour avoir une bonne stabilité et un bon support côté broche

Usinage de gorges avec des fraises en bout

L'usinage d'une gorge ou rainure dans le plein nécessite trois tailles :

• Les rainures fermées aux deux extrémités sont des poches qui nécessitent des fraises en bout pour le fraisage axial
• Le rainurage en bout dans le plein est une opération exigeante. La profondeur de coupe axiale doit être réduite à environ 70% de la longueur de l'arête. Il faut tenir compte de la rigidité de la machine et de l'évacuation des copeaux dans le choix de la méthode
• Les fraises en bout sont sensibles aux effets des forces de coupe. La déflexion et les vibrations sont des facteurs limitatifs, surtout dans l'usinage à grande vitesse et avec les grandes longueurs de porte-à-faux

Fraisage de rainures de clavettes

Pour ce type d'opération, quelques conseils spécifiques viennent compléter les recommandations générales de fraisage de surfaces planes et de rainures. Du fait de la direction des forces de coupe et de la flexion de l'outil, une rainure fraisée en une seule passe ne sera pas parfaitement d'équerre. Pour obtenir un maximum de précision et de productivité, la solution consiste à utiliser une fraise à rainurer sous-dimensionnée et à effectuer l'opération en deux passes, comme suit :

1. Fraisage d'une rainure de clavette – ébauche de la rainure dans le plein
2. Fraisage latéral – finition sur toute la longueur de la rainure en fraisage en opposition pour réaliser des angles parfaitement droits

La profondeur de coupe radiale doit rester faible en finition pour éviter la déflexion de la fraise qui est une cause importante de mauvais états de surface et/ou d'angles déviants par rapport à l'angle droit.

Fraisage de rainures de clavettes en 2 étapes

Méthodes d'ouverture d'une rainure fermée ou d'une poche dans le plein

Le ramping rectiligne est la méthode la plus courante, après le perçage, pour ouvrir des poches dans le but d'usiner des rainures longues et étroites dans le plein.

Pour les gorges peu profondes, le fraisage incrémental peut aussi être utilisé. Le ramping circulaire s'utilise pour les rainures et poches larges.

Comparaison de trois méthodes différentes

Rainurage conventionnel

+ Possibilité d'utiliser une machine 3 axes conventionnelle

+ Débits copeaux élevés si les conditions sont stables

+ Programmation simple

+ Grand choix d'outils

– Forces de coupe radiales élevées

– Sensibilité aux vibrations

– Les rainures profondes doivent être faites en plusieurs passes

Fraisage trochoïdal

+ Faibles forces de coupe radiales – sensibilité réduite aux vibrations

+ Déflexion minimum en cas de rainure profonde

+ Méthode productive pour

• les aciers trempés et superalliages réfractaires (ISO H et S)
• les applications sensibles aux vibrations

+ Le diamètre de la fraise ne doit pas excéder 70% de la largeur de la rainure

+ Bonne évacuation des copeaux

+ Peu de chaleur

– Programmation plus compliquée

Tréflage

+ Résolution des problèmes dans les applications sensibles aux vibrations :

• grand porte-à-faux de l’outil
• rainures profondes
• machines ou montages faibles

– Faible productivité sous conditions stables

– Une opération de fraisage/finition supplémentaire est nécessaire

– La coupe en bout peut poser des problèmes d'évacuation des copeaux

– Choix d'outils limité

Ebauche de rainures avec des fraises cylindriques 2 tailles

• On utilise généralement des fraises avec débit copeaux important pour l'ébauche
• Les versions courtes peuvent produire des rainures avec une profondeur et un diamètre identiques dans les fraiseuses stables et puissantes
• Utiliser une broche ISO 50 stable en raison des forces radiales importantes de ces fraises
• S'assurer que la puissance et le couple sont suffisants car ces facteurs sont souvent limitatifs pour l'obtention de résultats optimaux
• Tenir compte du pas optimal pour chaque type d’opération

Les fraises longues sont conçues surtout
pour les opérations de contournage.