Fraisage

Le fraisage est un procédé en usinage consistant à enlever de la matière à l'aide d’un outil coupant, appelé fraise, pour créer des formes précises sur une pièce.

Il est utilisé dans de nombreux secteurs industriels pour créer des composants de précision et des produits finis de haute qualité.

Les opérations de fraisage sont généralement effectuées sur des machines-outils manuelles ou automatiques, également appelées CNC (computer numerical control). 

Elles sont disponibles dans une variété de tailles et de configurations, et peuvent être utilisées pour usiner des pièces de différentes formes et tailles.

Tout comme les autres outils fabriqués par DIXI Polytool dans ses ateliers au Locle, en Suisse, les outils de fraisage sont principalement réalisés en carbure de tungstène.

Ce matériel de grande qualité se distingue par sa grande dureté et sa rigidité. Il possède une très grande résistance aux chocs, il est extrêmement solide et dispose d’une ténacité à la compression supérieure à celle de tous les autres métaux et alliages. 

Il est important de choisir correctement la bonne stratégie de fraisage ainsi que la géométrie de l’outil de coupe adéquates selon différents critères tels que la matière à usiner, l’opération d’usinage ou encore le maintien de la pièce lors de son serrage.

Ces différents critères, compliquent la sélection de l’outil de coupe. En effet, tous les outils confectionnés par DIXI Polytool ont leur propre géométrie, chacune étant essentielle au résultat final sur la pièce.

Avec le bon outil et la bonne stratégie, le temps de cycles des opérations est nettement réduit et la productivité est améliorée. La durée de vie des outils coupants et surtout les pièces produites seront d’une qualité indéniable.

Afin de choisir le meilleur outil de fraisage adapté à la bonne opération d’usinage, plusieurs paramètres sont à prendre en compte. Les questions ci-dessous permettent aux clients de s’orienter vers l’outil de coupe le plus approprié selon les besoins et les applications. 

Dans un premier temps, il est nécessaire de connaître le matériau avec lequel les pièces vont être réalisé ainsi que ses propriétés.  

Ce premier critère réduira considérablement la sélection de la fraise. En effet, chaque matériau possède un ensemble de propriétés mécaniques qui lui est propre. Ce qui lui confère des caractéristiques uniques lors de l'usinage.

Par exemple, les aciers nécessitent une stratégie d'usinage et des géométries d'outils différentes de celles nécessaires pour des matières plastiques.

Adapter la bonne géométrie de l’outil aux caractéristiques de la matière à usiner, permettra d'améliorer la durée de vie de l'outil ainsi que d’augmenter les performances d’usinage.

Dans un deuxième temps, il faut connaître le nombre de dents, appelés également lèvres, c’est-à-dire le nombre de tranchants, que doit compter la fraise. 

La matière à usiner ainsi que la stratégie de fraisage sont toutes les deux des facteurs qui vont influencer la décision sur le nombre de tranchants.

Par exemple, lors de l’usinage de matériaux ferreux, des fraises de trois à cinq dents sont préconisées. Ce nombre peut varier selon l’opération d’usinage qui doit être réalisée.

Si le processus d’usinage est en ébauche, il est indiqué d’utiliser des fraises de 3 à 4 tranchants.

En effet, lors d’un usinage en ébauche, une grande quantité de copeaux doit passer par les goujures de l'outil pour être évacuée.

C’est pour cette raison que DIXI Polytool conseille des fraises avec un nombre de goujures relativement faible et d’avoir une géométrie de goujure ouverte.

Concernant le fraisage de finition des matériaux ferreux, le nombre de dents peut être augmenté. DIXI Polytool recommande un nombre de dents entre trois et six.

La quantité de copeaux qui doit être évacuer est largement moins élevée comparée à un usinage en ébauche, c’est pour cette raison qu’il est possible d’utiliser une fraise avec un nombre de dents important.

Pour l’usinage des matériaux non ferreux, DIXI Polytool suggère une utilisation de fraise de deux ou trois dents. Le choix d’une fraise à deux tranchants sera privilégié pour un usinage en ébauche afin de permettre une meilleure évacuation des copeaux.

L'option d’une fraise en bout à trois dents est adéquate pour les applications de finition et/ou pour du fraisage à haut rendement.

La troisième question qui permettra de faire le meilleur choix d’outil en métal dur, se porte sur la stratégie d’usinage. Dans un premier temps, il existe deux grands groupes de fraisage :

C’est une opération de fraisage qui consiste à enlever une grande quantité de matière dans un intervalle de temps réduit à l'aide d'un outil de coupe sans se soucier du dimensionnel ou de l’aspect visuel de la pièce. Ce procédé est généralement effectué avant de faire un usinage de finition.

C’est une opération d’une précision dimensionnelle très élevée, qui consiste à usiner la surface d'un matériau jusqu'à obtenir un certain niveau de rugosité et un certain aspect esthétique.

Les pièces usinées par fraisage de finition sont généralement utilisées pour des applications précises telles que les pièces mécaniques et les pièces d'ingénierie.

Pour réaliser des fraisages en ébauches ou de finitions, il existe plusieurs stratégies d’usinage, différent parcours outil.
Il est important de comprendre les différentes opérations nécessaires pour l’usinage afin d’avoir une meilleure sélection sur l'outillage nécessaire à la fabrication.

Voici quelques exemples de parcours outil possible :

Par exemple, si le travail comprend une ébauche et un rainurage, DIXI Polytool préconise de choisir une géométrie avec brise-copeaux, pour extraire une grande quantité de matière plutôt qu'une fraise de finition avec de nombre dents important. 

C’est un procédé consistant à réaliser une pièce mécanique en usinant à l'aide d'une fraise. Les déplacements des axes de la machine sont linéaires.

Cette technique permet de créer des pièces complexes avec une grande précision et une grande qualité de surface. 

Le nombre de dents pour un usinage en ébauche est de trois à quatre dents. 

Pour un usinage en finition DIXI Polytool propose de prendre des fraises multidents en carbure, telles que les fraises DIXI 7520 et DIXI 7560.

Il s'agit d'une méthode de finition ou semi-finition qui permet d'obtenir une surface lisse et uniforme.

Les prises de passes en profondeur sont généralement faibles entre 2% et 10% du diamètre de la fraise contrairement aux prises de passes axiales qui sont comprises entre 10% et 100% du diamètre de la fraise en bout. Un minimum de trois dents est conseillé pour cette stratégie d’usinage.

L’opération de rainurage consiste à prendre la totalité du diamètre de la fraise comme prise de passe latéral (ae). Ce type d’usinage est très utilisé pour la création de rainure de clavette. 

Pour le rainurage fermé, entrée de clavette, la sélection du nombre de dents sera entre deux et trois dents. Pour de la rainure ouverte, le nombre de dents sera compris entre trois et quatre dents. 

Le ramping un procédé de pénétration dans la matière sur deux axes simultanés (Z et X ou Z et Y). Cette méthode est souvent utilisée pour ouvrir des poches fermées.

Pour effectuer une entrée en rampe, le nombre de dents idéal est entre deux et trois.

Comme pour l’application de la descente en rampe, l’interpolation circulaire 3D est un procédé de pénétration dans la matière mais en utilisant les trois axes de la machine. 

Cette stratégie de pénétration, augmente la durée de vie de la fraise en comparaison à une pénétration verticale (sur l’axe Z). Pour effectuer une entrée en interpolation circulaire, le nombre de dents de la fraise serait entre deux et trois.

Aussi appelé fraisage par interpolation, le fraisage trochoïdal est une méthode de fraisage qui consiste à faire des interpolations circulaires à la pièce tout en avançant la fraise le long de la surface à usiner. 

Ce type de fraisage est très efficace et permet d'usiner avec de grandes avances de travail. Cette stratégie d’usinage diminue les forces de coupe et réduit les vibrations, ce qui entraîne une meilleure évacuation des copeaux. 

Pour un usinage trochoïdal, DIXI Polytool propose de prendre une fraise avec trois jusqu’à six dents. Les fraises multidents DIXI 7830 et DIXI 7831 ou les fraises toriques DIXI 7840 et DIXI 7841 sont particulièrement adaptées à un fraisage trochoïdal. 

Ce procédé d’enlèvement de copeaux requiert des outils spéciaux et une programmation spécifique. 

Le trèflage est un procédé d’enlèvement de copeaux selon l’axe Z (en plongée verticale), la fraise est engagée sur 90% selon l’axe des X et 30% selon l’axe des Y ou vice-versa. Pour effectuer un fraisage en trèflage, le nombre de dents de la fraise est de deux dents ou trois.

Aussi appelé fraisage par interpolation, le fraisage trochoïdal est une méthode de fraisage qui consiste à faire des interpolations circulaires à la pièce tout en avançant la fraise le long de la surface à usiner. 

Ce type de fraisage est très efficace et permet d'usiner avec de grandes avances de travail. Cette stratégie d’usinage diminue les forces de coupe et réduit les vibrations, ce qui entraîne une meilleure évacuation des copeaux. 

Pour un usinage trochoïdal, DIXI Polytool propose de prendre une fraise avec trois jusqu’à six dents. Les fraises multidents DIXI 7830 et DIXI 7831 ou les fraises toriques DIXI 7840 et DIXI 7841 sont particulièrement adaptées à un fraisage trochoïdal. 

La matière à usiner influence grandement le choix de l’outil de coupe. Une grande variété de métaux sont produits par l’industrie métallurgique. Chaque matière présente des caractéristiques uniques en fonction de ses composants, des traitements thermiques, de la dureté…

Tous ces paramètres jouent un rôle sur le choix de la géométrie de coupe et des conditions de coupe. 

Des normes ISO ont été mises en place pour classer ces différentes matières, en fonction de leurs propriétés d’usinage. 

Elles sont donc répertoriées en 6 familles principales : 

La première famille est celle de la norme ISO P qui contient les aciers non alliés, les aciers fortement alliés et les aciers à outils, les aciers faiblement alliés, et les aciers inoxydables ferritique et martensitiques.

En principe, leur usinabilité est bonne mais il peut y avoir certaines exceptions selon la dureté, ou la teneur en carbone

• Ils font partis des matériaux ferreux. En effet, les aciers sont des alliages principalement composés de Fer (Fe)
• Les aciers non alliés ont une teneur en carbone inférieure à 0,8 % et ne contiennent que du fer (Fe) à l'exclusion de tout autre élément d'alliage.
• Les aciers alliés ont une teneur en carbone inférieure à 1.7 % et contiennent des éléments d'alliage comme le Ni, Cr, Mo, V et W.
• Les aciers faiblement alliés ont une teneur en éléments d'alliage inférieure à 5%.
• Les aciers fortement alliés ont une teneur en éléments d'alliage supérieure à 5%.

L'acier inoxydable est un alliage résistant à la corrosion qui contient au moins 10,5 % de chrome. Il est connu pour sa durabilité, sa solidité et sa résistance au ternissement, à la rouille et aux taches. D'autres éléments tels que le nickel, le molybdène et le titane peuvent être ajoutés pour améliorer ses propriétés.

Les aciers inoxydables représentent donc une grande famille de matières. Celles-ci possèdent toutefois des caractéristiques communes du point de vue de l'usinage étant donné qu'elles génèrent beaucoup de chaleur au niveau de l'arête de coupe ainsi qu'une usure en entaille et des arêtes rapportées.

• Ce sont des alliages dont le fer (Fe) est le principal composant.
• Leur teneur en chrome supérieure à 10.5 %.
• Généralement, il y a une faible teneur en carbone (C ≤ 0.05 %).
• D'autres éléments d'alliage comme le nickel (Ni), le chrome (Cr), le molybdène (Mo), le niobium (Nb) et le titane (Ti) sont utilisés pour apporter des propriétés supplémentaires comme la résistance à la corrosion et la résistance à haute température.
• Le chrome se combine à l'oxygène (O) pour créer une couche neutre de Cr2O3 à la surface de l'acier, le rendant ainsi résistant à la corrosion.

Contrairement aux aciers, les fontes sont des matières à copeaux courts. Les fontes grises (GCI) et les fontes malléables (MCI) sont relativement faciles à usiner. 

Les fontes nodulaires (NCI), les fontes vermiculaires (CGI) et les fontes bainitiques (ADI) se travaillent moins bien. 

Toutes les fontes contiennent du SiC qui provoque une forte abrasion des arêtes de coupe.

Il existe 5 principaux types de fontes :

• Fontes grises (GCI)
• Fontes malléables (MCI)
• Fontes nodulaires (NCI)
• Fontes vermiculaires (CGI)
• Fontes bainitiques (ADI)

Les fontes sont composées de fer et de carbone avec un pourcentage relativement élevé de silicium (1-3 %). La teneur en carbone est supérieure à 2 %. La solubilité maximum du carbone est obtenue dans la phase austénitique. 

Le chrome (Cr), le molybdène (Mo) et le vanadium (V) forment des carbures qui augmentent la dureté et la résistance mais réduisent l'usinabilité.

Les matières non ferreuses sont plus douces. Ce sont l'aluminium, le cuivre et ses alliages tels que le laiton, le bronze, etc. 

L'aluminium est très abrasif lorsqu'il a une teneur en silicium de 13 %. En général, les plaquettes avec des arêtes vives ont une longue durée de vie dans ces matières et il est possible d'appliquer une vitesse de coupe élevée.

• Ce groupe contient les matières non ferreuses douces d'une dureté inférieure à 130 HB, à l'exclusion des bronzes haute résistance (>225HB).
• Les alliages d'aluminium (Al) avec moins de 12 ou 13 % de silicium (Si) représentent la plus grande partie du groupe.
• Cuivre : Cuivre électrolytique avec 99.95% Cu
• Bronze : cuivre avec étain (Sn) (10-14%) et/ou aluminium (3-10%)
• Laiton : Cuivre (60-85%) avec Zinc (Zn) (40-15%)

Les superalliages réfractaires regroupent un grand nombre de matières fortement alliées à base de fer, de nickel, de cobalt et de titane. 

Ce sont des matières collantes qui génèrent des arêtes rapportées et des températures élevées ; elles sont aussi sujettes à l'écrouissage en coupe. Elles sont proches du groupe ISO M, mais sont plus difficiles à usiner. La durée de vie des arêtes de coupe est courte.

• Le groupe ISO S comporte d'une part les superalliages réfractaires, d'autre part le titane.
• Les superalliages réfractaires se divisent en trois groupes : alliages à base nickel, fer et cobalt
• État : recuit, traité en solution, vieilli, laminé, forgé, coulé
• Propriétés : Plus la teneur en éléments d'alliage (principalement en Co et, dans une moindre mesure, en Ni) est élevée, meilleure est la résistance à la chaleur, à la traction et à la corrosion.

Ce groupe inclut les aciers d'une dureté comprise entre 45 et 65 HRC. Mais également les fontes en coquille dont la dureté se situe dans la plage 400 à 600 HB. 

Leur dureté rend ces matières difficiles à usiner. Elles génèrent une chaleur élevée à la coupe et sont très abrasives pour les arêtes de coupe.

• Ce groupe de matières comprend des aciers trempés et revenus avec dureté >45 – 68 HRC.
• Les aciers courants comprennent les aciers de cémentation (~60 HRc), les aciers pour roulements à billes (~60 HRc) et les aciers à outils (~68 HRc). Les fontes dures comprennent les fontes blanches (~50 HRc) et ADI/Kymenite (~40 HRc). Les aciers de construction (40 – 45 HRc), les aciers Mn et plusieurs types de revêtements durs comme le stellite, l'acier P/M et le carbure cémenté appartiennent aussi à ce groupe.
• Le tournage dur concerne des duretés de 55 à 65 HRc.

Dans la grande majorité des applications de fraisage, l'utilisation d'une stratégie de refroidissement est importante. Non seulement le liquide de refroidissement permet de gérer la chaleur au niveau du point de fraisage ce qui contribue à prolonger la durée de vie de l'outil mais il permet également d’aider à l’évacuation des copeaux en les chassant du trou en augmentant la lubrification.

Lorsqu’on utilise des fraises en usinage, il se produit un frottement entre l’outillage et la matière à usiner. Ce frottement engendre des dégagements de chaleur importants. La température peut atteindre les 800°C dans la zone de coupe selon la vitesse de coupe et la matière usinée.

Afin de contrer ces désagréments causés par le frottement, un dispositif de lubrification peut être mis en place. En effet, la lubrification permet :

• De minimiser le frottement
• D’atténuer les chocs
• De protéger contre la corrosion
• De réduire significativement la chaleur
• D’évacuer les copeaux

DIXI Polytool propose un concept révolutionnaire DIXI COOL+ pour les micro-fraises de haute performance, DIXI 7442 COOL+ 

Cette série de fraises, avec son brevet déposé, possède une bague d’arrosage directionnelle permettant d’orienter et d’accélérer la vitesse du lubrifiant au plus près de la zone de coupe.

Grâce au concept DIXI COOL+ :

• Les forces de coupe exercées sur l’outil sont divisées par deux.
• La température dans la zone d’usinage est largement réduite.
• Les copeaux sont évacués rapidement.

Ce concept de lubrification permet d’augmenter :

• Les largeurs et profondeurs de passe ap et ae.
• La vitesse de coupe Vc et l’avance des outils Vf
• En ébauche, les débits de copeaux par unité de temps – Q cm3/min - sont multipliés par 2
• Les matières à usinabilité difficile, titane, aciers inoxydables, superalliages sont usinées efficacement

Un revêtement est l’application d’une substance uniforme appliquée en couche mince sur l’outil de coupe. Cette fine pellicule permet de réduire l'usure de l'outil et la durée de coupe est nettement améliorée.

Les fraises à revêtement TiAlN ont une durée de vie supérieure lors de l'usinage de matériaux ferreux tels que les aciers non alliés et les aciers de décolletage, les aciers faiblement ou fortement alliés, les aciers inoxydables et les fontes. 

Le revêtement TiAlN a une stabilité thermique élevée, ce qui signifie qu'il est moins susceptible de se décomposer à cause des températures élevées créées pendant l'usinage.

La dureté du revêtement TiAlN contribue également à réduire l'usure de l'arête de coupe, ce qui améliore encore la durée de vie de l'outil.

L'utilisation d’une fraise en bout revêtue C-TOP améliore la durée de vie de l'outil et réduit la fréquence de remplacement, même à température élevée, jusqu’à 1100°C, dans les matériaux à usinabilité difficile. Il est donc utile lors de l’usinage des aciers non allié et les aciers de décolletage, les aciers faiblement et fortement alliés, les aciers inoxydables, les fontes, les alliages réfractaires, le titane et les aciers trempés >45 HRC.

Ce revêtement améliore la qualité de production en produisant des surfaces plus lisses et en réduisant la formation de bavures

Les fraises en carbure monobloc revêtues de XIDUR sont efficaces pour usiner des matériaux à usinabilité difficile, comme les aciers trempés jusqu’à 65 HRC, les alliages réfractaires, les aciers non alliés et les aciers de décolletage, les aciers faiblement alliés, et les aciers inoxydables. 

Ce revêtement offre une très bonne résistance à l'usure, une résistance mécanique et une durabilité des arêtes.

Les processus d’usinage des aciers trempés sont améliorés avec des paramètres de coupe plus hauts, des durées de vie plus longues. En conséquence, la précision dimensionnelle et la qualité de surface des pièces sont améliorées, ce qui réduit les retouches.