Le fraisage à grande vitesse ne consiste pas simplement à faire tourner l'outil plus vite. Il s'agit d'une autre manière de charger la fraise : une vitesse de broche élevée combinée à un engagement radial léger et à une vitesse d'avance élevée, ce qui permet d'éliminer de petits copeaux très rapidement plutôt que de gros copeaux lentement. Il en résulte que la majeure partie de la chaleur est évacuée par les copeaux plutôt que d’être absorbée par l’outil ou la pièce, ce qui explique pourquoi la durée de vie de l’outil s’améliore souvent à des vitesses plus élevées au lieu de s’effondrer.
Cette variation de la charge a des répercussions tout au long du processus, et c’est souvent le calcul qui pose problème. Une coupe radiale légère amincit le copeau ; par conséquent, si l'on applique la même avance par dent que celle utilisée pour une coupe conventionnelle, on frotte en réalité le matériau au lieu de le couper. Ce guide aborde les paramètres, la correction nécessaire à leur bon fonctionnement, le choix de l'outil et du porte-outil, ainsi que la manière dont ces choix se répercutent sur l'état de surface de la pièce.
Qu'est-ce qui caractérise une coupe à grande vitesse ?
Trois paramètres caractérisent toute passe de fraisage, et le fraisage à grande vitesse modifie l'équilibre entre ces paramètres plutôt qu'une valeur en particulier.
| Paramètres | Signification | Fraisage classique | Fraisage à grande vitesse |
| Vitesse de coupe (vc) | Vitesse superficielle au niveau du tranchant de l'outil | Modéré | Haut |
| Avance par dent (fz) | Quantité de matière enlevée par chaque rainure à chaque tour | Modéré | Modérée à élevée, après prise en compte de l'amincissement |
| Profondeur radiale (ae) | Largeur de coupe sur toute la longueur de l'outil | Souvent entre 50 et 100 % du diamètre | En général, entre 5 et 15 % du diamètre |
| Profondeur axiale (ap) | Profondeur de coupe le long de l'axe de l'outil | Superficiel | Souvent, la longueur totale de la cannelure |
Les deux dernières rangées constituent la véritable marque de fabrique de cette technique. Une passe d’ébauche classique effectue une entaille peu profonde mais large ; une passe à grande vitesse effectue une entaille étroite mais profonde. Le fait d'utiliser toute la longueur de la goujure répartit l'usure sur l'ensemble du tranchant au lieu de la concentrer sur une seule bande, et le faible engagement radial maintient les forces de coupe à un niveau suffisamment bas pour qu'un outil fin puisse fonctionner à des vitesses d'avance qui le briseraient dans une coupe large.
Les deux calculs dont tout le reste dépend :
Vitesse de rotation de la broche : n (tr/min) = (vc × 1 000) ÷ (π × D)
Vitesse d'avance : vf (mm/min) = fz × nombre de goujures × n
Où vc correspond à la vitesse de coupe en mètres par minute et D au diamètre de l'outil en millimètres. Il s'agit là d'un point de départ, et non d'une conclusion, en raison de l'évolution de l'épaisseur du copeau en cas d'engagement radial faible.
Amincissement radial des copeaux : la correction que la plupart des gens négligent
Lorsque l'engagement radial est inférieur à la moitié du diamètre de l'outil, l'épaisseur réelle du copeau produit est inférieure à l'avance programmée par dent. La goujure pénètre dans le matériau et en ressort en suivant un arc peu profond, de sorte qu'elle n'atteint jamais la profondeur de coupe commandée.
Le facteur d'amincissement des copeaux est le suivant :
Facteur d'amincissement de la copeau = 2 × √((ae ÷ D) − (ae ÷ D)²)
Multipliez l'avance programmée par dent par ce facteur et vous obtiendrez l'épaisseur du copeau réellement produit par l'outil. Pour ramener l'épaisseur du copeau à la valeur pour laquelle l'outil a été conçu, divisez l'avance prévue par dent par ce facteur.
| Engagement radial (ae) | ae ÷ D | Facteur de dilution | Correction de l'alimentation |
| 50% de diamètre | 0.50 | 1.00 | Aucune nécessaire |
| 30% de diamètre | 0.30 | 0.92 | Multiplier la quantité par 1,09 |
| 20% de diamètre | 0.20 | 0.80 | Multiplier la ration par 1,25 |
| 10% de diamètre | 0.10 | 0.60 | Multipliez la quantité par 1,67 |
| 5% de diamètre | 0.05 | 0.44 | Multipliez la quantité par 2,29 |
C'est pourquoi les parcours d'outils à grande vitesse sont exécutés à des vitesses d'avance qui semblent téméraires sur le papier, mais qui sont en réalité correctes. Avec un pas de 10 %, un outil a besoin d'environ 1,67 fois l'avance nominale par dent simplement pour produire le copeau qu'il est censé couper.
Le non-respect de cette correction est la principale raison pour laquelle les stratégies d'usinage à grande vitesse donnent des résultats décevants. Une coupe radiale légère à une avance conventionnelle produit un copeau si fin que l'arête frotte au lieu de cisailler. Ce frottement génère de la chaleur sans enlever de matière, ce qui provoque un durcissement par déformation de la surface de l'acier inoxydable, entraîne une accumulation de matière sur l'arête dans l'aluminium et réduit la durée de vie de l'outil dans tous les cas.
Stratégie de parcours d'outil : l'essentiel, c'est un engagement constant
Un parcours de poche classique suit un pas constant le long d'une paroi, puis effectue un virage de près de 180 degrés autour d'un angle interne. L'angle d'engagement double à peu près au moment précis où l'outil bénéficie du moins d'appui, ce qui explique pourquoi c'est dans les angles que les fraises se cassent.
Les trajectoires d'outils dynamiques ou trochoïdales résolvent ce problème en maintenant l'angle d'engagement de l'outil constant partout, en faisant courber la trajectoire dans les angles au lieu de les aborder en ligne droite. Comme l'engagement n'atteint jamais de pics, les paramètres choisis pour les sections droites restent valables sur toute la longueur, ce qui permet d'utiliser des avances agressives en toute sécurité.
Il convient d'en souligner les conséquences concrètes :
- On évite autant que possible le rainurage complet, car une rainure engage l'outil à 100 % et annule tous les avantages de cette technique.
- Ce parcours est plus long, mais prend beaucoup moins de temps, car les vitesses d'avance sont plusieurs fois supérieures.
- Les outils de petite taille peuvent enlever plus de matière que les plus grands, car une fraise fine utilisée à pleine profondeur de goujure et avec un pas de coupe réduit peut offrir de meilleurs résultats qu'une grande fraise effectuant des passes larges et peu profondes.
- Le système de commande doit suivre le rythme. Ces trajectoires génèrent un très grand nombre de blocs de mouvement courts, et un système de commande dépourvu d'une anticipation suffisante risque de saturer la machine et de faire chuter l'avance réelle bien en dessous de la valeur programmée.
Choix des outils
Pour l'aluminium
L'aluminium est le matériau par excellence pour l'usinage à grande vitesse, car il permet d'atteindre des vitesses de coupe très élevées et produit des copeaux longs et souples qui doivent être évacués. La géométrie de l'outil tient compte de ces deux aspects : deux ou trois cannelures plutôt que quatre ou plus, ce qui laisse de larges rainures pour l'évacuation des copeaux ; des angles d'hélice élevés, de l'ordre de 45 degrés, pour extraire les copeaux de la zone de coupe ; un angle de coupe positif élevé ; et des cannelures polies pour éviter que le matériau n'adhère.
Le choix du revêtement a plus d'importance qu'on ne le pense. Le carbure poli non revêtu, le ZrN ou les revêtements de type diamant conviennent à l'aluminium. Les revêtements au nitrure de titane et d'aluminium, excellents sur l'acier, s'avèrent peu performants dans ce cas, car l'aluminium a une affinité pour l'aluminium présent dans le revêtement et se soude à celui-ci.
Pour l'acier et les matériaux trempés
L'acier va à l'encontre de la plupart de ces choix. Un nombre plus élevé de cannelures, généralement entre quatre et six, voire davantage, permet d'augmenter le nombre d'arêtes de coupe en contact avec le matériau, ce qui est possible car les copeaux d'acier sont courts et ne nécessitent pas de larges gorges. Les revêtements tels que le TiAlN et l'AlCrN offrent la barrière thermique indispensable à la coupe à grande vitesse de l'acier.
L'acier à outils trempé dont la dureté est supérieure à environ 45 HRC est usiné à grande vitesse avec un engagement très léger, ce qui constitue le principe de base du fraisage dur dans la fabrication de matrices et de moules. Il s'agit d'une application légitime à grande vitesse, mais les paramètres sont prudents par rapport à ceux utilisés pour l'aluminium et l'outillage est spécialisé.
Porte-outils, faux-rond et saillie
Même la meilleure lame, si elle est montée dans un support de mauvaise qualité, ne donnera pas les résultats escomptés, et deux caractéristiques sont déterminantes à cet égard.
Le faux-rond est le premier facteur. Si un outil présente un faux-rond de 10 micromètres lors d’un usinage à une vitesse de 0,05 mm par dent, une seule dent supporte une charge nettement plus importante que les autres. La durée de vie de l’outil diminue, la qualité de finition s’en trouve affectée et l’avance effective par dent ne correspond plus à celle prévue par le programme. Les porte-outils à ajustement par contraction et les porte-outils hydrauliques permettent généralement d’obtenir un faux-rond bien inférieur à celui des mandrins à pince standard, et à des vitesses de broche élevées, le degré d’équilibrage de l’ensemble commence également à jouer un rôle important.
La saillie est le deuxième facteur, et elle prime sur tout le reste. La flexion de l'outil augmente proportionnellement au cube de la longueur qui dépasse du porte-outil ; ainsi, un outil dont la longueur est deux fois plus grande se déforme environ huit fois plus sous une charge identique. La règle pratique consiste à utiliser l'outil le plus court possible permettant d'atteindre la zone d'usinage et, lorsque cela est inévitable, à utiliser un outil à col qui maintient un diamètre de tige important à proximité du porte-outil.
Stratégie d'évacuation des copeaux et de refroidissement
À des vitesses d'enlèvement de matière élevées, le volume de copeaux produits est important, et leur recoupe est destructrice. Un copeau coupé deux fois subit un durcissement par déformation, ce qui endommage l'arête de coupe et marque la surface.
Dans l'aluminium, l'air comprimé ou la lubrification en quantité minimale s'avèrent souvent plus efficaces que le refroidissement par immersion. Les copeaux ont davantage besoin d'être évacués que refroidis, et le refroidissement par immersion sur un outil en carbure entrant et sortant de la coupe des milliers de fois par minute provoque des cycles thermiques susceptibles de fissurer l'arête de coupe. Dans l’acier, le liquide de refroidissement joue un rôle plus important dans le contrôle de la température au niveau de la zone de coupe, et l’alimentation à travers l’outil est précieuse dans les poches profondes où le refroidissement par inondation externe ne peut tout simplement pas atteindre.
L'orientation de la pièce a également son importance. Une poche profonde usinée avec l'ouverture tournée vers le haut retient les copeaux ; la même pièce usinée dans une position pivotée permet aux copeaux de tomber librement. C'est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles l'usinage multiaxial peut améliorer les résultats au-delà de la simple réduction des changements de configuration, un compromis abordé dans notre comparaison de Usinage CNC à 5 axes et à 3 axes.
Maîtrise des vibrations et de la déformation
Le « chatter » est une vibration auto-entretenue entre l'outil et la pièce à usiner. Il altère la finition, brise les arêtes et est généralement imputé à la machine alors que la cause réside en réalité dans le montage de l'outil ou dans les paramètres.
Les mesures efficaces, classées approximativement par ordre d'importance :
- Réduire la saillie. La déformation étant proportionnelle au cube de la longueur, il s'agit presque toujours de la modification la plus efficace possible.
- Modifiez la vitesse de la broche plutôt que de la réduire automatiquement. La stabilité n'est pas linéaire, et il existe des plages de vitesse dans lesquelles une coupe reste stable à une vitesse plus élevée que celle à laquelle elle commence à vibrer.
- Utilisez des fraises à hélice variable ou à pas variable. Un espacement irrégulier des cannelures perturbe la régénération qui entretient les vibrations.
- Il vaut mieux réduire l'engagement radial plutôt que l'engagement axial. Des coupes radiales plus légères réduisent l'effort tout en maintenant un enlèvement de matière élevé, ce qui correspond exactement au principe de l'usinage à grande vitesse.
- Améliorer le serrage de la pièce. Une pièce qui bouge ou qui vibre est une source de vibrations tout autant qu'un outil de grande longueur.
Les parois minces nécessitent une approche spécifique. Les usiner par couches axiales, en laissant le matériau de support jusqu’à la dernière passe, puis effectuer une légère passe de finition sur toute la hauteur permet d’éviter que la paroi ne se déforme en s’éloignant de la fraise et ne rebondisse derrière celle-ci.
Conversion des paramètres en l'état de surface que vous avez spécifié
La qualité de surface d'une face fraisée dépend autant de la géométrie que de la vitesse. Quatre facteurs sont déterminants :
- Le pas de déport lors de la passe de finition, qui détermine la hauteur des crêtes laissées entre les passes. Sur une fraise à bout sphérique, diviser par deux le pas de déport réduit la hauteur théorique des crêtes d’environ un facteur quatre.
- Avance par dent, qui définit l'espacement des repères d'avance dans le sens d'avance.
- Rayon d'angle ou rayon de nez, qui adoucit le profil et améliore la finition pour une avance donnée.
- Le faux-rond et les vibrations, qui priment sur tous les facteurs susmentionnés. Même un calcul parfait du pas de coupe ne peut corriger une surface marquée due à un ensemble déséquilibré.
Deux remarques pratiques. Le fraisage en montée offre une meilleure finition que le fraisage classique sur un montage rigide, car le copeau est épais au début et s'amincit progressivement, au lieu de frotter dès l'entrée. De plus, une passe de finition, c'est-à-dire la répétition de la passe finale à la même profondeur nominale, permet d'éliminer la matière laissée par la déviation de l'outil lors de la première passe.
Il convient également de distinguer la finition de la tolérance, car celles-ci sont spécifiées et tarifées séparément. Une pièce peut présenter une cote serrée avec une surface rugueuse, ou une finition soignée sur une face soumise à une tolérance large. Nos guides sur Tolérances des pièces CNC et sur options de finition de surface expliquer comment choisir l'une ou l'autre sans payer inutilement pour l'autre.
Quels matériaux conviennent au fraisage à grande vitesse ?
| Matériau | Vitesse de coupe typique du carbure | Aptitude à la conduite à grande vitesse | Remarque |
| Aluminium 6061 et 7075 | De 300 à plus de 1 000 m/min | Excellent | Le matériau de référence pour la haute vitesse |
| Laiton et alliages de cuivre | 200 à 400 m/min | Bon | Le cuivre nécessite des outils bien affûtés pour éviter la formation de bavures |
| Acier doux et facile à usiner | 120 à 250 m/min | Bon | Plus de cannelures, carbure revêtu |
| Acier inoxydable 304 et 316 | de 80 à 180 m/min | Modéré | Le matériau se durcit si le copeau est trop fin |
| Acier à outils trempé | de 80 à 150 m/min | Spécialisé | Fraisage intensif avec un engagement très léger |
| Ti-6Al-4V | 30 à 60 m/min | Pauvre | La chaleur reste concentrée en périphérie, ce qui limite la vitesse |
Le titane mérite qu'on s'y attarde, car il fait souvent l'objet d'idées reçues. Sa conductivité thermique est si faible que la chaleur se concentre au niveau du tranchant plutôt que de s'évacuer par le copeau, ce qui élimine le mécanisme central permettant l'usinage à grande vitesse. Le titane s'usine avec une avance élevée et un engagement important à faible vitesse, ce qui est pratiquement la stratégie inverse.
Notre aperçu de quels alliages utiliser et comment les usiner aborde la question des matériaux dans son ensemble, y compris les implications en termes de coûts et de durée de vie des outils.
Des choix de conception permettant à un sous-traitant de produire votre pièce à grande vitesse
- Prévoyez des rayons d'angle intérieurs supérieurs au rayon de l'outil, et non égaux à celui-ci. Un rayon d'angle correspondant exactement à celui de la fraise oblige l'outil à s'enrouler complètement autour de celui-ci et à marquer le pas. En prévoyant environ 20 % de plus, l'atelier peut franchir l'angle à la vitesse d'avance normale.
- Dans la mesure où la conception le permet, veillez à ce que la profondeur des poches ne dépasse pas quelques fois le diamètre de l'outil. Les poches profondes imposent l'utilisation d'outils longs, et la déviation augmente fortement avec la portée.
- Utilisez des rayons et des diamètres de perçage standard afin de pouvoir exploiter l'outillage existant avec des paramètres optimaux.
- Évitez autant que possible les parois hautes et minces ; lorsqu'elles sont indispensables, indiquez-le sur le plan afin que le plan de fabrication puisse prévoir un usinage avec renfort.
- Veillez à ce que les profondeurs des fonds soient uniformes au sein d'une poche, afin qu'un seul outil puisse réaliser l'ensemble de la pièce.
- Ne prévoyez une finition soignée que là où elle est utile ou visible. Les opérations de finition sont longues, et en appliquer partout ne fait qu'allonger les délais sans apporter de valeur ajoutée.
C'est en joignant un dessin au modèle que cela devient possible, car seul le dessin indique quelles caractéristiques sont fonctionnelles. Notre Guide des procédés d'usinage CNC explique en détail comment une pièce passe de la CAO au produit fini et à quel moment ces décisions sont prises.
Application de ce principe à une pièce réelle
Les paramètres indiqués dans tout tableau constituent un point de départ, et non une réponse définitive. Les valeurs réelles dépendent de l'outil utilisé, du porte-outil, de la rigidité du montage, de la machine et de la géométrie à usiner. Ce qui reste constant d'une opération à l'autre, c'est le raisonnement : maintenir un engagement radial léger, utiliser toute la longueur de la goujure, corriger l'avance en fonction de l'amincissement des copeaux, utiliser un outil court et laisser les copeaux s'évacuer.
Yicen Precision propose des services de fraisage multiaxial, de tournage, d'électroérosion à fil, de perçage et de rectification de précision sur plus de 300 machines à Shenzhen. L'entreprise travaille avec plus de 50 matériaux, avec des tolérances de plus ou moins 0,005 mm, et effectue des contrôles sur machine à mesurer tridimensionnelle (CMM) accompagnés de rapports de premier article en standard. Nos ingénieurs examinent la géométrie avant d’établir un devis et signalent les rayons d’angle, les sections de paroi et les profondeurs qui détermineront la durée du cycle d’usinage de votre pièce. Envoyez un modèle à Précision Yicen pour obtenir des commentaires sur la conception en vue de la fabricabilité, ou consulter notre Services de fraisage CNC pour l'ensemble des fonctionnalités.
Foire aux questions
Q : Qu'est-ce que le fraisage CNC à grande vitesse ?
R : Une stratégie associant une vitesse de broche élevée à un engagement radial faible et une avance importante, généralement à pleine profondeur de rainure. Les petits copeaux sont évacués très rapidement, de sorte que la majeure partie de la chaleur est évacuée par les copeaux au lieu de pénétrer dans l'outil ou la pièce.
Q : Qu'est-ce que l'amincissement radial des copeaux et pourquoi est-ce important ?
R : En cas d'engagement radial inférieur à la moitié du diamètre, l'enlèvement de matière réel est inférieur à l'avance programmée par dent. Si l'on ne corrige pas cette avance à la hausse, l'outil frotte au lieu de couper, ce qui génère de la chaleur, réduit sa durée de vie et altère la qualité de finition.
Q : Le fraisage à grande vitesse use-t-il les outils plus rapidement ?
R : En général, c'est l'inverse, lorsque les paramètres sont corrects. Un engagement radial léger réduit la force de coupe, la profondeur totale de la goujure répartit l'usure sur toute la longueur de l'arête de coupe, et la chaleur est évacuée par le copeau. La durée de vie de l'outil s'en trouve souvent améliorée par rapport aux coupes conventionnelles intensives.
Q : Le titane peut-il être usiné à grande vitesse ?
R : Pas tout à fait. Le titane étant un mauvais conducteur de chaleur, celle-ci se concentre au niveau du tranchant plutôt que de se dissiper dans le copeau. L'usinage du titane s'effectue à faible vitesse de coupe avec un engagement plus important, ce qui constitue une approche presque diamétralement opposée.
Q : Quel est le facteur qui influence le plus l'état de surface d'une pièce fraisée ?
R : Le pas de passe et l'avance par dent déterminent la finition théorique, mais le faux-rond et les vibrations l'emportent sur ces deux paramètres. Un outil court monté dans un porte-outil à faible faux-rond permettra d'obtenir une meilleure finition qu'un ensemble plus long, même si le pas de passe a été calculé avec le plus grand soin.
