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Les fraises en bout, traditionnellement fabriquées avec deux à quatre cannelures, sont utilisées dans l'un des plus anciens processus d'usinage mécanisé : le fraisage. Des logiciels de pointe, des machines-outils, de nouvelles stratégies, des techniques en constante amélioration et des mises à jour de conception dans les outils eux-mêmes permettent au fraisage de rester utile au 21e siècle. Le machiniste qui maîtrise l'art de ces mangeurs de métal peut économiser du temps et de l'argent à son atelier tout en produisant des pièces de qualité supérieure.

"Dans une approche typique et traditionnelle, lorsque les machinistes utilisent des fraises en bout pour plus de matière [enlèvement], plus d'ébauche, et si l'outil est plus enterré, moins ils utiliseront de flûtes", a déclaré Drew Strauchen, vice-président exécutif chez GWS Tool Group , Tavares, Fla. "Selon la sagesse conventionnelle, l'ébauche utilise des fraises en bout à deux ou trois dents et les opérations de semi-finition et de finition utilisent plus de dents—quatre, cinq et au-delà."

La tradition et la convention sont sujettes à changement, cependant.

"Il existe de nombreuses techniques et stratégies d'usinage modernes qui bouleversent vraiment [cette sagesse]", a déclaré Strauchen. Aujourd'hui, des machines plus rapides avec plus de puissance et des broches plus rapides et plus précises ont rendu possibles des stratégies d'usinage agressives comme le fraisage à haut rendement (HEM), également connu sous le nom de fraisage dynamique, et le fraisage trochoïdal.

"Le fraisage dynamique est défini comme une méthode qui est effectuée avec une grande profondeur de coupe axiale (DOC) et un petit DOC radial pour réduire le temps d'engagement de l'arête de coupe d'une fraise en bout, ce qui réduit la charge de force sur l'outil et la broche et la génération de chaleur de coupe, tout en augmentant la quantité de matière retirée », a déclaré Tyler Hashizume, ingénieur produit II, OSG USA Inc., St. Charles, Illinois.

Le fraisage dynamique repose sur la capacité du logiciel CAD/CAM à créer un programme de fraisage trochoïdal ; une fraiseuse pour lire à grande vitesse des programmes trochoïdaux compliqués ; et une machine qui peut déplacer rapidement la broche et la table.

"Une fois ces conditions remplies, il est possible non seulement d'atteindre un rendement élevé, mais également que la durée de vie de l'outil et la durée de vie de la broche de la machine soient considérablement prolongées", a déclaré Hashizume. "Dans un tel environnement, il est moins important de considérer l'évacuation des copeaux en agrandissant la poche de copeaux de la fraise en bout, mais plutôt comment augmenter le nombre de goujures pour augmenter la rigidité de l'outil et la vitesse d'avance pour atteindre un rendement élevé."

Contrairement au parcours d'outil radial linéaire dans l'usinage conventionnel, le fraisage trochoïdal utilise un parcours d'outil en spirale (ou en forme de D) avec un COD radial faible pour réduire la charge et l'usure de l'outil. Étant donné que le fraisage trochoïdal utilise un outil pour usiner une fente plus large que son diamètre de coupe, le même outil peut être utilisé pour créer des fentes de différentes tailles. Cela peut libérer de l'espace dans le carrousel d'outils et gagner du temps lors des changements d'outils, en fonction des exigences de la pièce.

Ces stratégies changent la façon dont un machiniste s'attaque à un travail, et il est de plus en plus courant pour les machinistes d'utiliser des fraises en bout à dents multiples (celles à cinq dents ou plus) pour effectuer à la fois l'ébauche et la finition, éliminant ainsi le besoin de remplir le carrousel d'outils avec un gamme de différentes fraises en bout. Ces stratégies modernes atténuent la nécessité d'enterrer l'outil dans une pièce et les soucis d'obstruction des copeaux dans les gorges de cannelure, ce qui peut entraîner une fraise en bout cassée et la défaillance de la pièce en cours.

En éliminant le besoin de remplacer une fraiseuse par une autre et en utilisant des techniques de pointe, les machinistes d'aujourd'hui peuvent aller plus vite, ce qui entraîne une productivité accrue.

La question est de savoir comment un machiniste peut apparemment défier les lois de la physique et utiliser la vitesse d'un outil à flûte supérieure sans le boucher avec des copeaux et le casser ? La réponse se trouve dans de nouvelles stratégies de programmation. Aujourd'hui, les logiciels de CAO/FAO, avec une génération de parcours d'outil sophistiquée intégrée, permettent aux programmeurs de générer des parcours d'outil plus efficaces qui sont rapides mais empêchent l'outil d'entrer dans des zones dangereuses. L'approche du logiciel est très spécifique, de sorte que la fraiseuse n'est jamais trop engagée avec la pièce. Les utilisateurs peuvent dire au logiciel CAM, "Je ne veux pas dépasser cette quantité d'engagement d'outil", et l'application créera le parcours d'outil nécessaire pour s'assurer que l'outil ne s'engage jamais au-delà du point qu'il a défini.

Edwin Tonne, spécialiste en formation et technique, Horn USA Inc., Franklin, Tenn., a déclaré que l'application perçue pour les fraises en bout à dents multiples concerne les pièces de semi-finition et de finition. "Mais, en fait, si le magasin est prêt à reprogrammer le travail, les flûtes multiples peuvent également être utilisées pour le brut et pour la poche", a-t-il déclaré.

Tonne a convenu avec Strauchen que le logiciel de FAO moderne est ce qui permet de rendre possibles des processus tels que le fraisage trochoïdal et le fraisage à haute dynamique. "Le logiciel de FAO est devenu vraiment bon pour le fraisage à haute dynamique, où il gère l'épaisseur des copeaux", a-t-il déclaré. "Donc, vous pouvez l'utiliser dans une opération d'ébauche."

Tonne a également convenu que le logiciel permet des processus qui conduisent à une productivité plus élevée. Avec le fraisage trochoïdal, "vous avez un temps improductif dans la coupe, mais [le processus] compense largement car vous pouvez prendre un très gros DOC axial, même avec une petite fraise en bout", a-t-il déclaré.

Les nouveaux processus activés par les logiciels de FAO modernes sont une aubaine pour l'usinage de matériaux durs qui doivent être usinés avec un faible engagement radial, ce qui risquerait sinon de casser la fraise en bout. Par exemple, lors de l'usinage d'acier supérieur à 50-60 HRC, une fraise en bout à deux dents se cassera probablement.

"Mais en utilisant une fraise en bout à dents multiples avec des techniques à grande vitesse et un faible engagement radial, vous pouvez fraiser une fente ou n'importe quel type de caractéristique", a déclaré Tonne.

Des logiciels et des techniques d'usinage plus récents peuvent même aider à faire en sorte qu'une machine plus ancienne fonctionne comme un nouveau modèle brillant. "S'ils ont des machines même à vitesse modérée, souvent une machine plus ancienne qui a des capacités modérées - si elle est associée à une nouvelle stratégie d'usinage - peut toujours tirer parti des stratégies modernes d'usinage et de parcours d'outils à haut rendement", a déclaré Strauchen. "La meilleure façon de le comprendre est de faire appel à des spécialistes qui connaissent les techniques de programmation modernes… et d'aider les clients à maximiser ce qu'ils ont."

Il y a des nouvelles encore plus encourageantes pour les petits ateliers en ce qui concerne les fraises multi-dents et les logiciels de FAO. "Ce sont d'excellents outils pour les machines à faible puissance et à cône plus petit comme le cône 40, car avec les multi-goujures, nous effectuons des coupes axiales profondes et équilibrons les forces radiales en utilisant la longueur de l'outil pour la stabilité", a déclaré Matt Clynch, national spécialiste des produits-fraisage, Iscar USA, Arlington, Texas. "Avec ces petites machines coniques, si nous effectuons des coupes radiales profondes avec les grandes largeurs de coupe, elles commenceraient à se plier et l'assemblage se renverserait."

L'utilisation de ces outils dans un environnement HEM/VoluMill (logiciel de trajectoire d'outil de Celeritive Technologies, Moorpark, Californie) atténuera les catastrophes d'assemblage, a-t-il déclaré. Cette approche peut rendre les machines coniques plus petites compétitives avec les machines coniques plus grandes. "Les taux d'enlèvement de métal que nous pouvons atteindre sont très proches s'ils ne dépassent pas la méthode standard d'ébauche de matériau sur des machines à cône plus gros comme le cône 50 et le HSK A100", a déclaré Clynch. En conséquence, un segment plus large de l'industrie peut être compétitif car les petites machines coniques sont moins chères et plus faciles à apprendre.

"Tous les systèmes CAM ont des noms différents pour ce type de programmation", a-t-il déclaré. "HEM, VoluMill - il y en a toutes sortes. Si vous voulez vraiment lui donner un nom générique, ce serait "ébauche optimisée". Ces systèmes de FAO ont rendu les choses si faciles, il vous suffit de dire que c'est mon pourcentage de largeur de diamètre de coupe et qu'il fait une grande partie du calcul arrière pour les métrages de surface élevés et la correction des vitesses d'alimentation. Il détermine le chemin de l'outil pour vous. C'est juste rendu tellement plus facile pour le petit gars d'être compétitif."

Cependant, Clynch propose plusieurs mises en garde. Lors de l'utilisation de cette stratégie, les taux d'accélération/décélération d'une machine-outil doivent être plus élevés car avec les petits mouvements de l'outil, la machine doit monter et descendre davantage pour ajuster la vitesse. La machine-outil a besoin de plus de mémoire pour les programmes plus longs et elle a également besoin de suffisamment de "prévision", ou d'espace tampon, pour fonctionner correctement. Si la machine ne peut pas lire le code assez rapidement, elle s'agite, cale ou s'attarde en essayant de suivre le rythme, a-t-il déclaré.

Comment l'utilisation de fraises multi-dents peut-elle conduire à une plus grande productivité si elles prennent de si petites bouchées de métal ? "Parce que le fonctionnement normal de la cannelure multiple est un engagement radial réduit, disons moins de 25% du diamètre, l'arc de contact est plus petit", a déclaré Horn's Tonne. Cela permet d'utiliser deux à trois fois la plage de vitesse de coupe normale.

Le DOC peut également être augmenté. Par exemple, le machiniste pourrait exécuter un processus en utilisant une fraise en bout à deux dents de 5/8" (1,6 cm) de diamètre sur du titane 6AL-4V à 130 sfm en utilisant un rainurage complet et 1 × le diamètre DOC pour une productivité de 1,49 in³/ (24,4 cm3/min.). Faire le même processus avec une fraise en bout à huit cannelures avec 230 sfm et un engagement radial ou une largeur de coupe de 0,019" (0,048 cm) et 2 fois le diamètre de la profondeur de coupe augmente la productivité à 1,57 in³/min. (25,7 cm3/min.). "Ainsi, le gain net sur la productivité est important", a déclaré Tonne.

En ajoutant des cannelures, le machiniste peut réduire l'avance par cannelure tout en conservant la même avance par rapport à une fraise en bout avec un nombre de cannelures inférieur. Par exemple, pour une fraise en bout à quatre dents de 0,002" (0,005 cm) par cannelure, remplacez-la par une fraise en bout à cinq dents et maintenez la même avance avec une pression réduite par cannelure. "Ainsi, vous obtenez un peu plus de flexibilité dans votre l'usure de l'outil sans diminuer votre productivité », a déclaré Tonne. « La vitesse d'alimentation linéaire peut rester la même et le temps de cycle restera le même, mais vous réduisez la section que chaque flûte doit prendre.

Cependant, n'assimilez pas le temps de cycle à la durée de vie de l'outil, a déclaré Clynch. Ce n'est pas parce qu'une machine a fonctionné six heures qu'elle a utilisé six heures de durée de vie. La fraise en bout peut n'avoir été en prise avec la pièce qu'une fraction de ce temps en raison du court arc de contact. « Portez une attention particulière à cela pour vous assurer que vous tirez le maximum de [durée de vie] de vos outils », a-t-il déclaré. "Sinon, vous laissez peut-être de l'argent sur la table !"

Avec un nombre plus élevé de flûtes, cependant, la formation et l'évacuation des copeaux deviennent des problèmes. Atténuez ces problèmes en ajustant l'engagement radial et les alimentations de la table en fonction de l'application et du matériau cible ; choisir le bon outil pour une application spécifique ; et la sélection d'outils adaptés à un grand nombre de flûtes, par exemple, ceux avec une conception de noyau spécifique permettant un plus grand espace de flûte vers l'avant, ou une conception qui optimise la formation de copeaux.

« La quantité de liquide de refroidissement qui peut être fournie et la garantie que la direction du flux de liquide de refroidissement maximise l'évacuation des copeaux hors de la zone de coupe sont très importantes », a déclaré Bernd Fiedler, chef de produit senior - fraisage en bout monobloc, chez Kennametal, Fuerth, Allemagne. "Parfois, l'air sous haute pression peut être une bonne option pour éliminer les copeaux de la zone de travail et empêcher le colmatage des copeaux, en particulier dans les poches."

Plus le nombre de cannelures par diamètre donné est élevé, plus l'espace de cannelure sur la fraise en bout est petit, a déclaré Fiedler. En fonction du matériau et de son comportement spécifique de formation des copeaux, une évacuation suffisante des copeaux est essentielle et doit être étroitement surveillée. En général, le matériau coupé descend vers le noyau, puis se brise ou roule en copeaux, mais il est utile de savoir comment lire différents matériaux et leurs tendances. Les aciers jusqu'à 45 HRC, selon le type d'alliage, ont tendance à rouler puis à casser. Les aciers trempés sont cassants et créent des copeaux fins. En général, les aciers inoxydables ont moins tendance à rouler, mais cela dépend également fortement de l'alliage. La fonte se brise en particules de poussière. Le titane a tendance à s'enrouler et remplit rapidement l'espace de flûte disponible.

"Il existe plusieurs indicateurs généraux indiquant que la formation de copeaux est insuffisante", a déclaré Fiedler. "Les copeaux sont très enroulés ou ondulés, n'ont pas de bord uniforme ou sont profondément colorés. Par exemple, lorsque le côté qui roule sur le bord de coupe n'est plus brillant mais montre des changements de couleur."

Que faire si la formation de copeaux ne semble pas correcte ? "Malheureusement, il n'y a pas de réponse simple à cela. Cela dépend de l'application et du matériel", a déclaré Fiedler. Dans le cas de copeaux changeant de couleur, l'alimentation en liquide de refroidissement dans la zone de travail doit être améliorée. Les vibrations peuvent être la cause de tout cela, c'est pourquoi le serrage de l'outil et de la pièce doit être vérifié. La modification des vitesses d'alimentation et du COD axial peut également aider. L'ondulation et le froissement des copeaux indiquent souvent que les débits d'alimentation sont trop élevés. Il peut donc être utile d'ajuster les débits d'alimentation, mais il est important de maintenir une épaisseur de copeau moyenne suffisante.

Y a-t-il une limite au nombre de cannelures pour une fraise en bout ? La principale méthode de fabrication des fraises en bout est le meulage à l'aide de rectifieuses automatiques à commande numérique, a déclaré Hashizume d'OSG. Tant qu'elles sont fabriquées à l'aide de telles machines, les capacités des applications CAD/CAM et les rectifieuses elles-mêmes (notamment la taille de la meule) imposent des limitations sur le nombre de cannelures qu'il est possible de créer. "Plus le diamètre extérieur de la fraise en bout fabriquée est grand, plus l'espace pouvant être utilisé pour une arête de coupe est grand et plus il est possible de fabriquer d'arêtes de coupe", a déclaré Hashizume. Le nombre maximum de cannelures dépend du diamètre de l'outil, Tonne convenu.

D'après ce qu'il a vu dans l'industrie, 20 flûtes sur un outil de 1,25" (3,18 cm) est le maximum. « Avec autant de flûtes, l'engagement radial dû au volume de flûte utilisable limité est bien inférieur à 10 % », a-t-il déclaré. "Ainsi, vous commencez à diminuer l'aspect pratique de la plupart des applications ou à limiter votre travail à la finition pure et pas grand-chose d'autre."

N'oubliez pas le matériel que vous enlevez, a déclaré Clynch. "En théorie, il n'y a pas de limite, mais vous devez avoir une place pour que la puce se forme correctement", a-t-il déclaré. Pour les matériaux normaux et usuels tels que ISO P, ISO M et les alliages à haute température, il doit y avoir une limite au nombre de goujures. La règle de base est que pour chaque millimètre de diamètre d'un outil, vous obtenez une flûte, a-t-il déclaré. Par exemple, pour les outils d'un diamètre de ½" (12,7 mm), le nombre maximal de goujures efficaces est de 12 et pour les outils d'un diamètre de 1" (25,4 mm), le nombre maximal de goujures efficaces est de 25. pratique, c'est une bonne façon de le faire », a déclaré Clynch.

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