Qu'est-ce que le fraisage de contour CNC ? Conception de la trajectoire d'avance et des paramètres de coupe

Dans l'usinage CNC, la trajectoire suivie par le point de position de la fraise par rapport à la pièce est appelée « trajectoire d'usinage ». La conception de cette trajectoire influe directement sur la précision dimensionnelle et la rugosité de surface. Une trajectoire adaptée doit respecter quatre principes :

1. Il doit permettre d'atteindre la précision et l'état de surface requis tout en conservant un rendement élevé.
2. Cela devrait simplifier les calculs numériques et réduire le travail de programmation.
3. Il doit être aussi court que possible afin de réduire à la fois la durée des blocs de programme et les temps morts.
4. Elle doit tenir compte de la marge de matière disponible et de la rigidité de la machine, de l'outil et de la pièce à usiner.

Mouvements d’entrée et de sortie, et compensation de rayon d’outil

Le fraisage de contour nécessite généralement une compensation du rayon de la fraise. La trajectoire d'outil doit définir cette compensation avant que la fraise n'entre en contact avec la pièce et ne l'annuler qu'une fois que la fraise a quitté la pièce.

Lors de l'entrée ou de la sortie d'un profil, l'outil de coupe doit suivre une ligne ou un arc tangent au contour. Une entrée et une sortie tangentielles permettent d'éviter les marques d'outil pouvant résulter d'une approche normale directe et contribuent à garantir la régularité du contour fini.

Une méthode simple permet de mettre en place la compensation de rayon lorsque l'outil se déplace en ligne droite du point S vers le contour. L'outil revient ensuite au point S en ligne droite, et la compensation est annulée pendant le retour. Cette approche directe est efficace, mais le contact au point où l'outil rencontre le profil peut laisser une marque visible. Elle est donc plus adaptée lorsque les exigences en matière de contour ne sont pas très strictes.

Pour obtenir un contour de haute qualité, la compensation de rayon est activée lors d'un déplacement en ligne droite à partir du point S, sans toucher le profil fini. Une fois la compensation activée, un arc amène alors naturellement et tangentiellement l'outil dans le contour circulaire. Une fois le contour terminé, la séquence de sortie est inversée et la compensation est désactivée pendant le déplacement final de retour en ligne droite.

Une fois le fraisage d'un contour extérieur terminé, la fraise doit pénétrer tangentiellement depuis l'extérieur du profil et se retirer le long d'une tangente une fois l'usinage terminé.

Paramètres d'usinage pour le fraisage de contours

Profondeur de coupe axiale et radiale

La longueur de la cannelure, ou longueur de l'arête de coupe latérale, détermine la profondeur de coupe maximale. En pratique, la profondeur de coupe axiale dans la direction Z (a_p) ne doit pas dépasser 1,5 fois le diamètre de la fraise. La profondeur de coupe radiale (a_w) ne doit pas dépasser le rayon de la fraise.

Une fraise à queue de plus petit diamètre nécessite une profondeur de coupe moins importante pour conserver une rigidité suffisante.

Lorsqu'une fraise en bout est utilisée pour l'ébauche d'une surface non usinée, une fraise d'ébauche dentelée peut être employée pour les coupes lourdes si le système machine-outil-pièce le permet. Si une importante surépaisseur doit être enlevée, il est préférable d'utiliser une fraise en bout de plus grand diamètre et plus courte.

Cette combinaison permet d'éviter les vibrations et la déviation de la fraise lors de découpes difficiles, ou du moins de réduire ces deux phénomènes au minimum.

Vitesse d'avance

Des conditions de fonctionnement différentes nécessitent des vitesses d'avance différentes. Le mouvement d'avance peut être classé en deux types :

• Vitesse de déplacement rapide : la vitesse d'avance utilisée pour les déplacements hors coupe.
• Vitesse d'avance d'usinage : la bande de travail utilisée lors de l'entrée, de la sortie et de la découpe.

Afin d'améliorer l'efficacité et de réduire les temps morts, la vitesse de déplacement rapide doit être aussi élevée que possible et correspond généralement à la vitesse maximale autorisée par la machine.

La vitesse d'avance d'usinage (v_f) est liée à la vitesse de la fraise (n), nombre de dents (z), et l'avance par dent (f_z) comme suit :

v_f = f_z · z · n      Équation (5-1)

où :

• v_f c'est la vitesse d'avance ;
• f_z correspond à l'avance par dent, exprimée en millimètres par dent (mm/dent) ;
• z correspond au nombre de dents de la fraise ; et
• n c'est la vitesse de rotation de la fraise.

Avance par dent (f_z) est choisi principalement en fonction des propriétés mécaniques du matériau de la pièce, du matériau de la fraise et de la rugosité de surface requise.

À mesure que la résistance et la dureté de la pièce augmentent, f_z devraient diminuer ; à mesure qu'elles diminuent, f_z peut augmenter. Une fraise en carbure permet généralement une avance par dent plus élevée qu'une fraise comparable en acier rapide.

Une exigence de rugosité de surface plus stricte nécessite un f_z. Une pièce à faible rigidité ou un outil de coupe dont la résistance est limitée nécessite également une valeur plus faible.

Vitesse d'avance sur des arcs de cercle

Lors d'une interpolation circulaire, la vitesse d'avance réelle au point de coupe (v_T) diffère de la vitesse d'avance sélectionnée au centre de l'outil (v_f) en raison du rayon de l'arc.

Pour un arc externe, la vitesse d'avance réelle au point de coupe est la suivante :

v_T = RR + r · v_f

Par conséquent : v_T < v_f

Pour un arc interne, la vitesse d'avance réelle au point de coupe est la suivante :

v_T = RR − r · v_f

Par conséquent : v_T > v_f

Si R ≈ r, la vitesse d'avance réelle au point de coupe devient extrêmement élevée et peut endommager l'outil ou la pièce. Il convient donc de tenir compte de l'influence du rayon de l'arc lors du choix de la vitesse d'avance programmée.

D'autres facteurs particuliers influent également sur le choix de la vitesse d'avance. Dans l'usinage de contours, par exemple, l'inertie ou la déformation du système d'usinage peuvent entraîner un dépassement ou un sous-dépassement au niveau d'un angle.

Si l'outil se déplace du point A vers le point B à une vitesse d'avance élevée, l'inertie peut entraîner un dépassement de course et une surcoupe au niveau du coin B. L'excès de matière est alors enlevé au niveau du coin, ce qui génère une erreur de contour.

Une vitesse d'avance variable peut permettre de résoudre ce problème. Réduisez l'avance de manière appropriée avant d'atteindre le virage, puis augmentez-la progressivement une fois que l'outil a dépassé le virage.

Vitesse de rotation de la broche de la fraise en bout

Lors de l'usinage de l'acier, une fraise à bout indexable en carbure doit généralement fonctionner à une vitesse de broche plus élevée qu'une fraise HSS standard.

À mesure que la vitesse de rotation de la broche augmente lors de l'usinage du carbure, la température de l'acier en contact avec l'arête de coupe augmente également. Le matériau se ramollit localement, ce qui crée des conditions de coupe plus favorables.

La vitesse de rotation de la broche utilisée avec une fraise en carbure est généralement trois à cinq fois supérieure à celle employée avec une fraise HSS standard. L'utilisation d'une fraise à bout indexable en carbure à une vitesse de rotation trop faible peut entraîner l'écaillage du carbure, voire sa rupture.

Pour une fraise en acier rapide, cependant, une vitesse de broche trop élevée accélère l'usure de l'outil.

La vitesse de fraisage peut également être choisie en se référant à un tableau des vitesses de coupe adapté.

[ESPACE RÉSERVÉ À L'IMAGE : Tableau de référence des vitesses de coupe au fraisage]

Figure : Tableau de référence des vitesses de coupe au fraisage

Broutement et correction des paramètres de coupe

Une fraise en bout peut présenter des vibrations pendant l'usinage. Parmi les causes courantes, on peut citer un serrage insuffisant de l'outil, un porte-à-faux excessif de la fraise par rapport au porte-outil, une profondeur de coupe ou une vitesse d'avance trop élevées lors de l'usinage de parois minces, ainsi qu'une flexion de la fraise.

Les vibrations entraînent un engagement irrégulier au niveau des arêtes de coupe périphériques de la fraise. La charge de coupe réelle peut alors dépasser la valeur prévue, ce qui réduit la précision d'usinage et la durée de vie de l'outil.

En cas de vibrations, réduisez à la fois la vitesse de coupe et la vitesse d'avance. Si des vibrations importantes persistent après avoir réduit ces deux paramètres de 40%, réduisez la profondeur de coupe.

Si les vibrations persistent, vérifiez la méthode d'usinage et la rigidité du montage.