Qu'est-ce que le fraisage de profils ?

Le fraisage de profils est une opération courante. Les concepts à plaquettes rondes et à rayon servent pour l'ébauche et la semi-ébauche ; les fraises à bout sphérique sont utilisées pour la finition et la super finition.

Process de fraisage de profils

Le fraisage de profils couvre le fraisage multi axes de formes concaves et convexes, 2 et 3 dimensions. Plus la pièce est volumineuse et plus la configuration de la machine est complexe, plus la planification du process est importante.

Le process d'usinage doit être divisé en au moins trois types d'opérations :

• Ebauche à semi-ébauche
• Semi-finition
• Finition

La super finition, souvent effectuée avec des techniques d'usinage à grande vitesse, est parfois nécessaire. Le fraisage des surépaisseurs restantes s'effectue dans les opérations de semi-finition et finition. Pour plus de précision et pour une productivité plus élevée, il est recommandé d'effectuer l'ébauche et la finition dans des machines différentes et d'utiliser des outils conçus spécifiquement pour ces opérations.

La finition doit s'effectuer dans une machine-outil à 4 ou 5 axes en faisant appel à des techniques de programmation et à des logiciels performants. Ceci peut réduire considérablement les tâches de finition manuelles, voire les éliminer complètement. Le résultat final aura une meilleure précision de cotes et une qualité de structure de surface plus élevée.

Choix des outils

Outils optimisés pour l'ébauche et la semi-ébauche :
fraises à plaquettes rondes et à rayon.

Outils optimisés pour la finition et la super finition :
fraises à bout sphérique et concepts à rayon.

Liste de contrôle des applications pour le fraisage de profils

Il convient d'étudier le profil de la pièce avec soin pour sélectionner les bons outils et la meilleure méthode d'usinage :

• Définir les rayons minimum et la profondeur maximum de cavité
• Estimer la quantité de matière à enlever
• Tenir compte du montage de l'outil et du bridage de la pièce pour éviter les vibrations. Toutes les opérations doivent être faites sur des machines optimisées pour obtenir une bonne précision géométrique du profil
• Utiliser des machines-outils séparées et précises pour les opérations de finition et super-finition. Il est possible, dans certains cas, d'éliminer ainsi tout besoin de polissage manuel.
• L'utilisation de certaines techniques de programmation avancées peut faire réaliser d'importantes économies. Utiliser des fraises en bout carbure monobloc avec des techniques d'usinage grande vitesse pour atteindre les cotes finales et obtenir de très bons états de surface
• L'ébauche et la semi finition de grandes pièces sont, en règle générale, plus productives avec des méthodes et un outillage conventionnels. L'aluminium fait exception car il est possible d'utiliser de grandes vitesses de coupe y compris pour l'ébauche

Comment réduire les vibrations

Les vibrations sont un obstacle pour le fraisage de profils profonds avec de grands porte-à-faux. Les méthodes habituelles pour résoudre ce type de problème sont la réduction de la profondeur de coupe, de la vitesse ou de l'avance.

• Utiliser des outils modulaires rigides avec une bonne précision de faux-rond
• Les outils modulaires augmentent la flexibilité et le nombre de combinaisons possibles
• Utiliser des outils ou des barres d'extension antivibratoires si la longueur de l'assemblé, de la ligne d'étalonnage à l'arête de coupe la plus basse, dépasse 4 à 5 fois le diamètre au niveau de la ligne d'étalonnage
• Utiliser des allonges en métal dense si une résistance à la flexion beaucoup plus importante est nécessaire
• Utiliser des outils et des attachements équilibrés pour des vitesses de broche supérieures à 20 000 tr/min
• Choisir le plus grand diamètre possible pour les extensions et adaptateurs, en fonction du diamètre de la fraise
• Une différence de 1 mm (0.039 pouce) sur le plan radial entre l'attachement et l'outil de coupe est suffisante. Utiliser des fraises surdimensionnées
• Le tréflage est une méthode possible en cas d'assemblé très long

Augmenter la longueur de l'outil progressivement

Pour obtenir une productivité maximale dans les opérations d'ébauche lorsque la dernière passe s'effectue en profondeur dans la pièce, il est important de travailler avec une série d'adaptateurs d'allonge.

• Commencer avec la plus petite longueur possible car les grands porte-à-faux limitent la productivité et augmentent les risques de vibrations
• Changer d'outil pour avoir une plus grande longueur à des positions prédéterminées dans le programme. La géométrie de la cavité détermine les positions de changement d'outil
• Adapter les conditions de coupe à chaque longueur d'outil pour conserver une productivité maximale

Vitesse de coupe réelle

En cas d'utilisation de la valeur du diamètre nominal de l'outil lors du calcul de la vitesse de coupe d'une fraise à bout sphérique ou à plaquettes rondes, la vitesse de coupe réelle, v_c, sera bien plus basse si la profondeur de coupe, a_p, est faible. L'avance de la table et la productivité seront considérablement réduites.

Calcul de la vitesse de coupe sur la base du diamètre réel en coupe, D_cap.

Fraise pour épaulements

Fraise à bout sphérique

Fraise à plaquettes rondes

Fraisage en bout – outil incliné

Avec les fraises à bout sphérique, la partie la plus sensible est le centre de l'outil étant donné que la vitesse de coupe y est nulle, ce qui est défavorable pour le process de coupe. L'évacuation des copeaux au centre de l'outil est critique en raison du peu d'espace au niveau de l'arête transversale.

Par conséquent, il est recommandé d'incliner soit la broche, soit la pièce, de 10 ou 15 degrés de manière à ne pas couper avec le centre.

• La vitesse de coupe minimum sera plus élevée
• Meilleure durée de vie de l'outil et meilleure formation des copeaux
• Meilleurs états de surface

Exemples de fraises avec coupe au centre

Centre, z = 2

Périphérie, z = 4

Z = 2

Z = 4

Faible profondeur de coupe

Avec une fraise à plaquettes rondes ou une fraise à bout sphérique à faible profondeur de coupe, la vitesse de coupe, v_c, peut être augmentée en raison de l'engagement court. La chaleur n'a pas le temps de se propager dans la zone de coupe, et l'arête aussi bien que la pièce ne chauffent pas. L'avance à la dent, f_z, peut aussi être augmentée en raison de l'effet d'amincissement des copeaux.

                                                                                Faible profondeur de coupe

Exemple de faible profondeur de coupe, comparaison entre fraise non inclinée et fraise inclinée

Cet exemple montre les possibilités d'augmentation de la vitesse de coupe lorsque le rapport a_e/a_p est faible et les avantages de l'inclinaison de la fraise.

Fraise à bout sphérique carbure monobloc

D_c = 10 mm, nuance GC 1610.

Matière : Acier, 400HB

Conditions de coupe recommandées pour une coupe profonde a_p - D_c/2 :

v_c = 170 m/min

f_z = 0.08 mm/tr = h_ex

Productivité en fraisage de profils :surépaisseur constante

A : Ébauche

B : Semi-finition

C : Finition et super finition

Une surépaisseur d'usinage constante est nécessaire pour obtenir une productivité élevée et constante en fraisage de profils, surtout à grande vitesse.

• Pour obtenir une productivité maximum dans ces opérations qui sont courantes dans le domaine des moules et matrices, il est important d'adapter la taille de la fraise à l'opération
• L'objectif premier est de créer une surépaisseur d'usinage régulière afin que l'effort de coupe soit le plus constant possible et qu'il y ait peu de changements de directions pour chacun des outils utilisés

Il est souvent avantageux de réduire la taille des différentes fraises, de la plus grosse à la plus petite, surtout en ébauche légère et en semi-finition, au lieu d'utiliser un seul diamètre pour chaque opération.

• On obtient la meilleure qualité en finition lorsque les opérations précédentes ont laissé une surépaisseur d'usinage aussi faible et aussi régulière que possible
• Il faut toujours essayer de s'approcher le plus possible de la forme finale
• Sécurité des process d'usinage

Avantages d'une surépaisseur d'usinage constante

• Certaines des opérations de semi-finition et pratiquement toutes les opérations de finition peuvent être effectuées avec une surveillance partielle ou, parfois, sans aucune surveillance
• L'impact sur les coulisseaux, les vis à bille et les roulements de la broche de la machine-outil est moindre

Ouverture d'une cavité dans le plein

• Pour l'ouverture d'une cavité, il est important d'appliquer une méthode qui réduise l'a_p, et qui laisse une surépaisseur d'usinage constante pour l'opération de fraisage de profil suivante
• Les fraises en bout, les fraises pour épaulements et les fraises cylindriques deux tailles laissent une surépaisseur d'usinage en escalier qui doit être enlevée. Cette configuration génère des forces de coupe variables et une déflexion de l'outil. Le résultat est une surépaisseur d'usinage inégale pour la finition qui influence la précision géométrique de la forme finale
• Utiliser des fraises à plaquettes rondes pour obtenir une transition plus lisse entre les passes et laisser une surépaisseur d'usinage moins importante et plus régulière. L'opération de profilage qui sera effectuée ensuite sera plus aisée et la qualité de la pièce sera meilleure.
• Une troisième possibilité est d'utiliser une fraise grande avance pour ouvrir la cavité. Cette méthode produit une surépaisseur d'usinage faible et constante en raison de la faible profondeur de coupe, en forme d'escalier à petites marches.

Fraise à surfacer-dresser,
surépaisseur d'usinage plus grande et irrégulière

Fraise à plaquettes rondes,
petite surépaisseur d'usinage

Fraise grande avance,
petite surépaisseur d'usinage

Copiage

La méthode traditionnelle et facile de programmation de la trajectoire de l'outil pour usiner une cavité est la technique du copiage avec de nombreuses entrées et sorties de la matière. Mais cette approche n'utilise pas toutes les possibilités des logiciels, des machines et des outils. Pour le contournage comme pour le copiage, il est préférable d'utiliser une machine dont le logiciel a une fonction d'anticipation pour éviter les déviations de la trajectoire d'outil.

Il est essentiel d'envisager le choix des méthodes, des trajectoires, des outils et des attachements avec une grande ouverture d'esprit.

– Charge importante sur les arêtes de coupe

– Avances réduites

− Durée de vie des plaquettes réduite

− Impact mécanique

− Erreurs de forme

− Programmes et temps de coupe plus longs

La trajectoire de l'outil en copiage combine souvent le fraisage en avalant et en opposition et occasionne de nombreux engagements/désengagements défavorables. Chaque entrée ou sortie de la matière occasionne une déflexion de l'outil, ce qui laisse des traces sur la surface usinée. Les forces de coupe et la flexion de l'outil réduisent ensuite, ce qui laisse à nouveau des traces sur la surface.

Conclusions

• Eviter le copiage de parois abruptes dans la mesure du possible. Lors de la descente, l'épaisseur des copeaux est importante et la vitesse de coupe doit être réduite
• Il existe un risque d'écaillage de l'arête au centre de l'outil, surtout lorsque la fraise touche le fond
• Utiliser un contrôle de la vitesse et de l'avance avec fonction d'anticipation. Dans le cas contraire, la décélération ne sera pas assez rapide pour éviter d'endommager le centre de l'outil
• La longueur de contact est importante lorsque la fraise atteint la paroi et il y a un risque de déflexion, de vibrations ou de rupture de l'outil
• Avec les fraises à bout sphérique, la partie la plus sensible est le centre de l'outil étant donné que la vitesse de coupe y est nulle. Eviter d'utiliser le centre de l'outil et incliner la broche ou la pièce pour le fraisage en bout
• Il est préférable d'effectuer le copiage en remontant le long des parois abruptes étant donné que l'épaisseur des copeaux est à son maximum avec une vitesse de coupe plus favorable

Risque de gougeage

Copiage en remontant :
Epaisseur de copeaux maximum avec la valeur recommandée pour v_c.

Au fond de la cavité :
Risque d'écaillage au centre de l'outil.
Les erreurs de forme sont courantes, surtout avec les techniques d'usinage à grande vitesse.

Copiage en plongeant :
Epaisseur de copeaux importante avec une très faible valeur pour v_c.

Réduction de l'avance pour éviter de réduire la durée de vie de l'outil

Le fraisage en avalant/en opposition alternatif soumet l'outil à une déflexion et à des forces de coupe variables. La réduction de l'avance dans les parties délicates de la trajectoire de l'outil permet de réduire les risques d'écaillage des arêtes de coupe et le process est plus sûr, avec une durée de vie de l'outil plus longue.

Contournage

Au lieu d'utiliser des techniques de programmation limitées à un "effeuillage" de la matière avec une valeur Z constante, il est beaucoup plus avantageux d'utiliser la technique du contournage en la combinant avec le fraisage en avalant. Les résultats ainsi obtenus sont les suivants :

+ Temps d'usinage considérablement plus court

+ Meilleure exploitation de la machine et des outils

+ Meilleure qualité géométrique de la forme usinée

+ Moins de finition et de polissage manuel à effectuer

+ Contrôle de la vitesse de coupe - v_e

+ UGV possible

+ Grandes avances

+ Durée de vie des plaquettes plus longue

+ Sécurité

Le travail de programmation initial est plus difficile et long ; mais c'est un investissement qui s'amortit rapidement au regard du coût horaire machine qui est généralement trois fois plus élevé que le coût horaire d'une station de travail informatique. Il est préférable d'utiliser une machine dont le logiciel a une fonction d'anticipation pour éviter les déviations de la trajectoire d'outil.Conclusions

• Utiliser une trajectoire type contournage ou « courbes de niveau » comme meilleure méthode pour le fraisage en avalant
• Le contournage avec la périphérie de la fraise autorise souvent une productivité plus élevée, grâce à l'engagement d'un plus grand nombre de dents sur une fraise de grand diamètre
• Si la vitesse de la broche est limitée, le contournage aide à maintenir et à contrôler la vitesse de coupe
• Le contournage occasionne aussi moins de changements rapides de la force de coupe et de la direction. En cas de fraisage à grande vitesse et grande avance, ou de fraisage de matières trempées, ceci est particulièrement important car les arêtes de coupe et le process sont sensibles aux changements qui peuvent influer sur la déflexion ou provoquer des vibrations
• Pour avoir une bonne durée de vie de l'outil, il est important d'avoir une coupe continue pendant le plus longtemps possible

Note! Eviter de travailler avec le centre de l'outil car la vitesse de coupe est nulle.

Stratégie de la trajectoire de l'outil

Contournage avec Z constant sur deux axes. Ebauche à finition

Contournage en « courbes de niveau » avec Z constant

• Courant lorsqu'une fonction FAO de contrôle des festons maximum est disponible
• Entrée et sortie de la coupe en douceur
• Programmation aisée
• Grand choix d'outils

Contournage hélicoïdal, 3 à 5 axes. Finition

Contournage avec trajectoire d'outil en pente (ramping)

• Changements de direction en douceur
• Bonne précision de forme et bons états de surface
• Hauteur des festons contrôlée
• Engagement continu
• Programmes courts
• Outil court

Génération de surfaces sculptées

Fraisage en avalant avec la fraise inclinée d'environ 10° pour assurer un bon état de surface et des performances fiables. Une fraise à bout sphérique ou à rayon forme une surface ondulée dont la hauteur de crêtes, h, dépend de :

• la largeur de coupe, a_e
• l'avance à la dent, f_z

Les autres paramètres importants sont la profondeur de coupe, a_p, qui influence les forces de coupe et le faux-rond (ou TIR). Pour obtenir les meilleurs résultats :

• Utiliser un mandrin hydraulique de précision avec attachement Coromant Capto®
• Utiliser le plus petit porte-à-faux possible

Ebauche et semi-finition

Si l'avance à la dent est beaucoup plus petite que la largeur et la profondeur de coupe, l'état de surface résultant aura des hauteurs de crêtes beaucoup plus petites dans la direction de l'avance.

Finition et super finition

Il est avantageux de réaliser des états de surface lisses et symétriques dans toutes les directions pour faciliter le polissage ultérieur, quelle que soit la méthode de polissage retenue.

On obtient cela lorsque f_z ≈ a_e.

Toujours utiliser une fraise à deux dents inclinée pour la super finition afin d'obtenir le meilleur état de surface.

Semi-finition avec f_z beaucoup plus petit que a_e

Super-finition avec fraise inclinée et f_z égal à a_e