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Qu’est-ce que le fraisage dans l’usinage ?
Le fraisage en usinage est un terme archaïque par rapport à son utilisation actuelle dans le travail des métaux. Il provient de l’utilisation de pierres de querne pour transformer les céréales en farine. Un ensemble de pierres quern comprend une pierre plate statique et une pierre rotative avec un trou en son centre. La farine est expulsée sur la circonférence à mesure que le grain est introduit dans le trou pendant que la partie supérieure tourne. Cette machine primitive faisait partie des fondements de toutes les machines tournantes.
Le fraisage est une technique de fabrication soustractive qui utilise un couteau rotatif pour effectuer des coupes cohérentes sur un matériau de pièce afin de former la forme ou les caractéristiques souhaitées. Les fraiseuses modernes sont installées avec la technologie de commande numérique par ordinateur (CNC), permettant un contrôle automatisé du processus d'usinage.
Origine du fraisage
L'origine du fraisage des métaux remonte au développement des processus de travail des métaux dans les civilisations anciennes, lorsque les premiers ouvriers façonnaient et manipulaient souvent les métaux selon diverses conceptions avec des outils à main comme des ciseaux et des limes.
Cependant, le concept de coupe rotative a émergé lors de la révolution industrielle aux XVIIIe et XIXe siècles, suite à l’invention des fraiseuses mécaniques. Ces premières fraiseuses manuelles utilisent des fraises rotatives pour retirer le métal des pièces à usiner, ce qui représente l'avènement du fraisage du métal en tant que méthode d'usinage distincte. Eli Whitney a produit la première fraiseuse en 18 pour fabriquer des fusils pour le gouvernement américain.
La technologie de fraisage a évolué au fil du temps, entraînant le développement de fraiseuses automatisées et très précises telles que commande numérique par ordinateur (CNC). Ces machines automatisées modernes ont largement contribué aux industries métallurgiques et manufacturières d’aujourd’hui.
Comment fonctionne le processus de fraisage ?
Les outils de coupe rotatifs constituent le principal élément de travail d’une fraiseuse. Ils sont chargés de découper le matériau selon les formes souhaitées. Ces fraiseuses peuvent utiliser aussi bien des outils de coupe monopoints que multipoints. Ces machines-outils CNC se déplacent perpendiculairement à l’axe de rotation. Un outil de coupe CNC en acier trempé ou en matériau exotique tourne sur une position XY fixe et sa position peut changer dans la direction Z.
Une pièce à usiner est fixée à une table avec divers outils de maintien de la pièce et présentée au coupeur. La table peut se déplacer dans les axes X et Y en enroulant les vis de contrôle de position. La pièce à usiner et l'axe de la broche sont réglés pour faire passer la pièce sur la face de la fraise afin d'enlever de la matière. La coupe latérale de la pièce se produit lorsque les faces circonférentielles de l'outil de coupe mordent dans la pièce et sont déplacées dans les plans X et Y.
L'axe Z de la table ou la plume est ajusté pour la coupe en plongée, où la fraise fonctionne comme une perceuse et sa face fait un trou cylindrique. Cela peut être l'étape préliminaire pour présenter la fraise à la profondeur requise pour parcourir en X et Y pour créer des fentes et des poches.
Les applications de fraisage avancées peuvent combiner le mouvement des 3 axes pour créer une courbure composée et simple sous contrôle CNC de la trajectoire et de la vitesse. Habituellement, cela implique un échange automatisé de couteaux et un certain degré d’auto-étalonnage pour garantir la précision.
D'autres avancées incluent la possibilité de faire pivoter la pièce sur la table, d'incliner la plume dans des positions non verticales et de manipuler les positions de la fraise et de la pièce de manière complexe et ésotérique le long de plusieurs axes.
Avantages du processus de fraisage
Les fabricants de produits tirent de nombreux avantages du fraisage par rapport aux procédés de fabrication alternatifs. Voici les avantages attendus du fraisage :
- Le fraisage CNC est un processus automatisé qui offre la haute efficacité requise pour fabriquer rapidement des produits de haute qualité en série.
- Le fraisage offre une précision et une exactitude supérieures requises dans différentes industries telles que l'aérospatiale et le médical.
- Les fraiseuses CNC peuvent facilement couper des matériaux durs comme le titane et l'Inconel, qui sont généralement difficiles à usiner avec des technologies alternatives.
- Les faibles coûts de main-d'œuvre et le taux de production élevé du processus de broyage offrent des solutions rentables pour la fabrication de produits.
- Le processus de fraisage est incroyablement polyvalent ; par conséquent, il permet la création de diverses formes et caractéristiques complexes sur une large gamme de matériaux.
Étapes impliquées dans le processus de fraisage
Le fraisage en usinage est une séquence de procédures qualifiées qui doivent être bien exécutées pour obtenir les résultats souhaités. Vous trouverez ci-dessous un processus étape par étape de fraisage en usinage :
Chargement de la pièce
Le chargement des pièces à usiner varie souvent de faible à hautement qualifié, en fonction de la nature et du volume de la pièce. Une tâche nécessite généralement un soin et une précision extrêmes lorsque la pièce à usiner est fermement maintenue par un étau ou un pont serré en place à l'aide de boulons en T. Un mauvais serrage ou un mauvais placement entraîne des coupes décalées, des pièces éclatées pendant le fonctionnement de la machine et des pièces dérivées pendant le traitement.
En outre, les configurations peuvent être faciles et reproductibles chaque fois qu'un volume plus élevé détermine le besoin d'emboîtements spécialisés, même si d'excellentes compétences dans la conception d'emboîtements personnalisés et le serrage des pièces sont cruciales. Cependant, un chargeur dédié intégré à la machine CNC ou une configuration robotique à usage général peuvent gérer le chargement de la pièce dans les cas extrêmes où le volume justifie l'investissement.
Sélection des outils de fraisage
Choisir le bon Machines-outils CNC le visage pour les opérations de fraisage est une tâche considérablement qualifiée. Les fraises CNC d'une machine CNC équipée d'un changeur d'outils doivent être référencées en profondeur et maintenir des décalages corrects afin que la machine connaisse les décalages et les positions cylindriques corrects.
La sélection des outils de fraisage dans les opérations CNC se fera soit manuellement par le programmeur, soit dans le cadre de la génération automatisée du parcours d'outil. De plus, les erreurs dans la sélection des outils de fraisage peuvent avoir des effets catastrophiques.
Configuration de la machine
La configuration de la fraiseuse implique la sélection des outils et le serrage dans ses premières étapes. Ensuite, vous devez effectuer d’autres opérations critiques. La machine doit apprendre la position de la pièce à usiner pour une pièce unique. Les experts machinistes utilisent souvent des méthodes et des dispositifs de saisie d'étalonnage spatial pour référencer le matériau sur trois côtés (pour le positionnement XYZ).
La coupe commence une fois que le matériau a été chargé et calibré par rapport à la référence spatiale de la machine, les couteaux sont réglés pour le décalage en longueur et en diamètre, l'alimentation en liquide de refroidissement est assurée et les protections sont fermées.
Fraisage
Généralement, le fraisage est réalisé sur des machines CNC de différentes capacités allant de 3 à 6 axes. L'outil de coupe nécessite un degré de soin et d'attention similaire, que le processus soit manuel ou programmé. Le machiniste surveillera le processus de fraisage CNC pendant que la machine effectue la coupe ou fera fonctionner les axes de la machine manuellement pour diriger la fraise selon le plan. Une fraiseuse manuelle nécessite un engagement total des machinistes avec toutes les pièces. Cela inclut l'arrêt constant des opérations pour inspecter les dimensions de la pièce, garantir des opérations correctes et planifier les coupes ultérieures.
Ébauche
L'ébauche des matériaux consiste à réaliser des coupes profondes et rapides qui enlèvent suffisamment de matériaux. Cela se fait généralement à une vitesse d'avance et une vitesse de coupe élevées pour que la pièce se rapproche de la forme requise.
Semi-finition
La semi-finition consiste à réaliser des coupes moins profondes à des vitesses d'avance inférieures pour imposer une plus grande précision.
Finition
Les coupes de finition sont fines et avancées lentement pour assurer la précision requise. Certaines zones ne nécessitent souvent qu'une ébauche, tandis que d'autres nécessitent les meilleures tolérances possibles produites par des coupes lentes et fines. La finition des opérations de fraisage est généralement lente et prend du temps, prenant la majeure partie du temps de la machine par pièce.
Déchargement
Le déchargement de la pièce implique de libérer les pinces qui engagent la pièce et de la retirer manuellement ou par un robot. Le nettoyage de la machine est généralement effectué à cette étape afin de préparer la machine à son utilisation ultérieure.
Inspection et contrôle qualité
Les experts en contrôle qualité effectuent manuellement des mesures et des évaluations de la qualité des surfaces ou utilisent des équipements d'inspection avancés. Cependant, vous pouvez parfois entreprendre des inspections entièrement automatisées pour des pièces particulièrement volumineuses.
Post-traitement
Le post-traitement standard après le fraisage comprend un simple ébavurage et un emballage pour le stockage ou une utilisation future. De même, cela peut impliquer différents types de traitements thermiques, de traitements de surface chimiques, de revêtements de surface ou de placage.
Opérations de fraisage typiques
Les opérations de fraisage sont de différents types, chacune ayant la capacité de créer différents composants de formes variées. Les opérations de fraisage courantes comprennent :
Fraisage CNC
La CNC est une opération de fraisage qui utilise des programmes informatiques pour dicter le mouvement de l'outil de coupe. Il peut produire des pièces aux conceptions et géométries complexes à des vitesses plus rapides. Cependant, il existe plusieurs options d'axes pour les fraiseuses CNC en fonction de la complexité de la pièce à usiner.
Fraisage de rainures
Fraisage de rainures, ou fraisage de rainures, consiste à réaliser des rainures dans une pièce à usiner avec un long outil de coupe rotatif. Ces fentes réalisées avec cette technique d'usinage sont généralement plus profondes que ce que les fraises en bout peuvent produire. Avec plusieurs options de forme, les rainures peuvent être ouvertes ou fermées.
Fin de fraisage
Une fraise en bout a une forme similaire à celle d'un foret. En outre, les fraises en bout peuvent couper axialement et radialement. Cependant, une perceuse ne coupe que dans le sens axial, tandis qu'une fraiseuse conventionnelle ne coupe que radialement.
Fraisage de face
Ce processus consiste à lisser la surface d'une pièce à usiner avec une fraise à surfacer pour obtenir la finition de surface souhaitée. Une fraise à surfacer peut rendre les surfaces inégales plates et avec une finition lisse. De plus, il existe différentes options de fraisage manuel et automatique pour surfaçage.
Fraisage de chanfrein
Les machinistes utilisent le fraisage de chanfrein pour créer des biseaux et des chanfreins dans une pièce. Une fraise à chanfrein ou une fraise à chanfrein a d'autres applications, notamment le repérage, l'ébavurage et le fraisage.
Fraisage hélicoïdal
Le fraisage hélicoïdal crée des trajectoires, des trous et des canaux hélicoïdaux dans les pièces cylindriques. La pièce à usiner est serrée sur une table rotative tandis que la fraise rotative se déplace le long d'un angle d'hélice le long de la pièce à usiner. Les machinistes utilisent le fraisage hélicoïdal pour créer des trous et des chemins de lubrification sur une pièce.
Fraisage de profil
Le fraisage de profilés est une opération de finition standard utilisée lors de l'usinage de surfaces inclinées verticalement. Il est souvent applicable dans les opérations grossières et dans la phase de finition. Cependant, les opérations d'ébauche ou de finition déterminent le choix des outils de coupe en fraisage de profilés.
Fraisage en plongée
L'avance est dans la même direction que l'axe de l'outil en fraisage en plongée. Cette opération de fraisage, également appelée fraisage selon l'axe z, est un procédé couramment utilisé en ébauche. La fraise creuse profondément dans la pièce et creuse des poches dans le matériau de la pièce.
Montée Fraisage
Le processus de fraisage en montée utilise un outil de coupe qui tourne dans le sens de l'avance. C'est l'opposé des opérations de fraisage conventionnelles, où la fraise tourne dans le sens opposé à l'avance. L'outil de coupe monte la pièce en accumulant des copeaux derrière elle. Cela élimine le problème des copeaux obstruant l’outil de coupe.
Filetage fraisage
Le fraisage de filetage consiste à réaliser des filetages à l'intérieur d'une pièce. Cependant, une fraise à fileter ne fonctionne que sur des trous pré-percés. La fraise à fileter tourne autour de la surface intérieure de la pièce.
Fraisage périphérique
Le fraisage périphérique consiste à placer l'outil de coupe parallèlement à la pièce à usiner lorsque les côtés de l'outil meulent contre la surface de la pièce au lieu de la pointe de l'outil. Le fraisage périphérique est l’opposé du surfaçage. Il convient souvent pour enlever de grandes quantités de matière de la pièce.
Types de fraiseuses
Les fraiseuses sont disponibles en différents types, chacune avec une conception unique et plusieurs composants pour gérer des tâches de fraisage et des tailles de pièces particulières. Vous trouverez ci-dessous les types courants de fraiseuses :
Fraiseuses horizontales
Il s'agit de fraiseuses avec un axe de broche positionné horizontalement. La plupart des fraiseuses utilisent des fraiseuses horizontales qui utilisent des tables rotatives pour fraiser sous différents angles. On les appelle souvent tables universelles. Bien qu’un broyeur horizontal convienne aux opérations de broyage lourdes, il est moins polyvalent qu’un broyeur vertical.
Fraiseuses verticales
Une fraiseuse verticale a un axe de broche ou une plume avec une orientation verticale. Il s'agit d'une machine polyvalente principalement adaptée aux opérations d'usinage telles que le fraisage en bout et le surfaçage de pièces plus petites.
Moulin universel
Une fraiseuse universelle dispose d'une table rotative qui permet de modifier l'angle de présentation de la pièce. Il offre une plus grande polyvalence dans les opérations de fraisage.
Moulin à lit
Cette fraiseuse est dotée d'un lit fixe qui soutient la pièce tandis que seules la pièce et la broche se déplacent. Il s'adapte à des pièces plus grandes et plus lourdes sans nécessiter d'entraînement d'axe extrême.
Moulin à tourelle
Les fraiseuses à tourelle sont similaires aux fraiseuses verticales mais comportent une tête d'outil de type tourelle. Plusieurs outils de coupe sont disponibles lorsque la tourelle tourne, permettant des coupes précises et cohérentes.
Moulin à genoux
Une broche verticale avec un genou réglable offre une variation de l'angle de la broche, permettant une plus grande plage de position verticale de la table de travail.
Moulin à portique
Cette structure de pont mobile supporte l'entraînement de la broche : seule la fraise se déplace, permettant un usinage facile de pièces volumineuses et lourdes.
Paramètres de base en fraisage
Cette section explore les différents paramètres clés à prendre en compte dans les processus d'usinage de fraisage :
- Taux d'alimentation : L'avance est la vitesse de déplacement relative entre la fraise et la pièce à usiner pendant les opérations de fraisage. Cette valeur est mesurée en pouces par minute (IPS ou in/min) ou en millimètres par minute (mm/min).
- Vitesse de broche: La vitesse de broche est la vitesse relative à laquelle la fraise (ou la broche) tourne. Il est calculé en tours par minute (RPM). L'outil coupe plus rapidement avec une vitesse de broche plus élevée et enlève un matériau à une vitesse plus élevée.
- Profondeur de coupe : La coupe en profondeur mesure l'épaisseur verticale du matériau enlevé en un seul passage. Elle est enregistrée en millimètres ou en pouces : une profondeur de coupe plus élevée entraîne une coupe plus lente et une usure plus élevée de l'outil.
- Profondeur de coupe axiale : La profondeur de coupe axiale fait référence à la longueur de coupe mesurée axialement dans la direction de l'outil de coupe. De plus, cette valeur correspond à la largeur de coupe en un seul passage et détermine l'épaisseur du copeau.
- Profondeur de coupe radiale : La profondeur radiale correspond au diamètre de coupe sur le matériau de la pièce à usiner et est mesurée le long du rayon de l'outil de coupe. Il détermine la flèche de l'outil de fraisage.
- Vitesse de coupe: Il indique la vitesse à laquelle la fraiseuse se déplace le long de la pièce. Cette valeur est calculée en multipliant la circonférence de l'outil par la vitesse de la broche. Cette valeur est souvent mesurée en mètres par minute (m/min) ou en pieds de surface par minute (SFM).
- Enjamber: Il s'agit de la distance entre deux passes consécutives lors du fraisage. Un pas trop faible peut entraîner des coupes parasites, entraînant une mauvaise précision et des erreurs d'usinage.
- Angle de rampe : L'angle de rampe est l'angle de contact entre la pièce à usiner et l'outil de fraisage lors de l'entrée. Il s’agit d’un angle couramment utilisé dans les opérations de rampe.
- Diamètre de l'outil : L'outil correspond au diamètre spécifique de la fraise, généralement mesuré en millimètres ou en pouces. Le diamètre de l'outil détermine la force de coupe, les dimensions à couper et l'évacuation des copeaux.
- Porte-à-faux de l'outil : Il s'agit de la distance entre le bord de l'outil et le support. Cela peut être considéré comme la longueur fonctionnelle de l'outil : un porte-à-faux d'outil plus important entraîne des vibrations plus élevées, une usure de l'outil et une stabilité réduite.
- Revêtement d'outil : Les outils de fraisage sont recouverts de revêtements spéciaux pour améliorer leur qualité de coupe et réduire l'usure des outils. Les revêtements d'outils typiques comprennent le nitrure de titane et d'aluminium (TiAlN), le carbone de type diamant (DLC) et le nitrure de titane (TiN).
- Débit du liquide de refroidissement : Il s'agit de la vitesse à laquelle le fluide de coupe s'écoule vers la zone de coupe. Le débit du liquide de refroidissement est régulé en fonction de l'avance et de la vitesse de coupe.
Quelles industries utilisent le fraisage ?
Le broyage s'applique à différentes industries et joue un rôle central dans la fabrication de divers produits. Par exemple, le fraisage de pièces de grande valeur, légères et complexes pour différents aspects des produits d’ingénierie aéronautique est largement réalisé dans l’industrie aérospatiale. Le fraisage CNC multi-axes est le processus de production standard pour la plupart des pièces, allant des pièces d'actionneurs de surface de vol aux composants de moteurs à réaction et de fusée et aux composants de cellule.
Le fraisage est largement utilisé dans la production d’outils médicaux et d’implants médicaux. La capacité d’usiner divers matériaux biocompatibles et facilement stérilisables avec une précision et une répétabilité élevées est très appréciée dans ces applications à forte valeur ajoutée.
Risques dans le processus de broyage
Bien que le processus de fraisage soit principalement automatisé, il existe certains risques courants que vous devez prendre en compte. Voici les dangers courants liés au fraisage :
- Danger électrique: Les fraiseuses utilisent une tension incroyablement élevée. Par conséquent, il est essentiel de protéger toutes les pièces électriques avec des protections et de les étiqueter comme présentant des risques électriques.
- Coupeur tranchant : Les fraises des fraiseuses ont de multiples arêtes de coupe très tranchantes et tournent à des vitesses très élevées. Les fraises ou toute autre pièce de machine rotative ne doivent jamais être exposées ou entrer en contact avec des personnes pendant les opérations de fraisage.
- Chauffant : Les opérations de broyage génèrent des températures incroyablement élevées qui ne devraient pas entrer en contact avec les humains. La pièce à usiner peut conserver une température élevée pendant un certain temps après l'arrêt de l'opération. Il est donc indispensable de manipuler les pièces avec des gants.
- Chips: Le fraisage élimine les matériaux indésirables d'une pièce sous forme de copeaux. Ces éclats volent souvent à grande vitesse et peuvent percer la peau ou d’autres organes sensibles, comme les yeux.
- Bruit: Comme les autres équipements industriels, les fraiseuses génèrent des niveaux sonores élevés. Par conséquent, il serait préférable que vous disposiez d’une protection auditive antibruit appropriée.
Conclusion
Le fraisage est l'un des processus d'usinage les plus largement adoptés en raison de ses avantages en termes de rentabilité et de précision. La grande variété d’opérations de fraisage permet la création de pièces de n’importe quelle forme préférée, faisant de cette technologie une solution privilégiée dans le travail des métaux. Ce guide a abordé tout ce que vous devez savoir pour prendre une décision éclairée concernant votre prochain projet de fraisage.
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