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Théorie des fraises

Type de fraises et applications

Pour choisir la fraise adaptée au matériau, faire référence au Tableau de fraise de chez IronWood

Fraises droites (Flat noses)

Cas d’usage : cette fraise est la plus commune, elle permet de découper des pièces avec des champs droits ou faire des poches dans le matériaux.

Fraises boules (Ball noses)

La pointe de cette fraise est hémisphérique ou en forme de boule.
Le diamètre de la boule varie.
Cas d'usage : usinage 3D

Fraise cônique (Chamfer) ou encore Pointe à Graver

Description d’usage : Les fraises de « carving », ou couramment nommées fraises en V, fraises à écrire, fraises à plier, fraises à chanfreiner ou encore fraise à pointe laser, sont utilisées pour la gravure en relief, l’écriture, la sculpture, le pliage (folding) ou encore le fraisage en 3D.

Nombre de dents

Les fraises les plus communes sont les 1 dent, 2 dents et 4 dents.
En première approche,

• Moins une fraise a de dents, plus elle peut évacuer de copeau en 1 tour. Les fraises 1 dent offrent l’avantage de

peu chauffer car elles dissipent la chaleur grâce à la grande quantité de copeaux évacuée. C’est pour cela qu’elles sont favorisées pour les plastiques et le PMMA, pour lesquels il est critique d’éviter les amas de matières sur la fraise et garder une température de fraise basse pour éviter de faire fondre les champs découpés de la matière.

• Plus une fraise a de dents, plus lisse sera la surface usinée et plus, à vitesse d’avancée égale, il faudra que la

fraise tourne vite pour évacuer le même volume de copeaux. Les fraises de 4 à 6 dents sont ainsi souvent utilisées pour l’usinage de matériaux (très) durs.

Sachez également que plus la fraise a de dents, plus le taux d’usure est réduit, ce qui se traduit par une durée de vie prolongée de l’outil.

Les matériaux de fraises CNC

HSS : “High Speed Steel” ou acier rapide

C’est de l’acier avec jusqu’à 20% de carbure pour l’usinage à haute vitesse. L’avantage est un prix faible et un outil robuste difficile à casser (dû à sa relative souplesse), l’inconvénient est qu’il faut réduire la vitesse d’usinage par rapport aux fraises en carbure qui sont plus dures.

Paramètre d'usinage

La théorie

Ce qu'on veut...

• $n$ : La vitesse de rotation de la broche (SpindleSpeed) en tour/minute
• $Vf$ : La vitesse d'avance de la machine (feedrate) en mm/minute

Les formules

$n={{1000*Vc} \over {\pi *D}}$
Avec:

• $D$ = diamètre de l'outil
• $Vc$ = Vitesse de coupe

et

$Vf=n*fz*Z$
Avec:

• $fz$ = L'avance par tour en mm/dent
• $Z$ = Le nombre de dent de la fraise

Soit 2 équations à 4 inconnues...

Pour déterminer les valeurs de base pour usiner un matériau, on aura recours à un “abaque” (normalement fourni par les fabricants) qui donnera pour une matière donnée deux paramètres importants : $Vc$ (vitesse de coupe) et $fz$ (avance par dent).

• Les outils étant généralement destinés à l'industrie métallurgique, la vitesse de coupe et l'avance par dent sont généralement donnés pour l'acier, l'acier inoxydable, la fonte, les alliages d'aluminium et les matériaux synthétiques.
  
• On n'a pas ces fameuses abaques à disposition...
  

La pratique

Comme toujours dans un Fablab, on va recommander l'observation, les tests essais erreurs et le partage d'information pour arriver à déterminer les paramètres d'usinage en fonction de chaque fraise et de chaque matériau. Le paragraphe suivant consolide les paramètres recommandés pour une série de fraise et de matériau. Le plus simple est de regarder le cas le plus proche de notre situation et d'adapter en tenant compte des recommandations suivantes.

La vitesse de coupe

La vitesse de coupe est donc fonction de la vitesse d'avance et de la vitesse de rotation de la broche. Si l'on veut utiliser les fraises documentées comme référence, on va vouloir adapter ces 2 paramètres afin de maintenir une vitesse de coupe constante comme point de départ.

• La vitesse de rotation augmente avec le diamètre de l'outil: si la mèche est 2x plus grande, il faut soit diviser par 2 la vitesse d'avance ou la vitesse de rotation soit diminuer le nombre de dents.
• Une vitesse d'avance plus faible donne généralement un meilleur fini de surface.
• Une vitesse d'avance trop faible use la fraise nettement plus rapidement.
• Une vitesses d'avance trop faibles, cela fait chauffer les matériaux. L'objectif est de faire des copeaux, pas de la poudre !
• Avancer plus vite génère des efforts plus importants,la rigidité de la machine est limitée, lorsque la déformation liée à l'effort de coupe entraîne des imprécisions, il faut considérer réduire la vitesse.

Remarque:

• Notre broche tourne à maximum 20.000 tours/minutes, une fois atteint cette vitesse la seule façon d'augmenter la vitesse de coupe est d'augmenter la vitesse d'avance. (Le minimum reste à clarifier)

La profondeur de coupe

On va partir avec comme règle de départ que la profondeur d'une passe égale le rayon de la fraise.

Quelques fraises de références

Les dimensions sont indiquées comme suit : Diamètre fraise x Diamètre base x Profondeur de coupe x Longueur de mèche

Base 6mm

SWT 4x6x11x55 HSS

Type: Fraise droite
Nombre de dent: 4

Paramètres recommandés

MDF

Feedrate: 300 (mm/minute)
Spindle: 20000 (tour / minute) =300%
Rotation: sens horlogique
2mm/passe
Pocket: 40% d'attaque

HSS 6x6x20x65

Type: fraise droite
Nombre de dent: 4

Paramètres recommandés

Sapin 18mm

Feedrate: 450 (mm/minute)
Spindle: 20000 (tour / minute) = 300%
Rotation: sens horlogique
3mm / passe

Aluminium

Les paramètres définis offrent des résultats mitigés, mais probablement l'optimal pour cette paire fraise/matériau Non Recommandé:

• Mauvaise évacuation des copeaux
• Vitesse très lente limitée par la rigidité du chassis

Plungerate: 3 (mm/minute) Feedrate: 7 (mm/minute)
Spindle: 20000 (tour / minute) = 300%
1mm / passe

Base 3mm

inconnu 3x3x13x35

Type: fraise droite
Nombre de dent: 2

Paramètres recommandées

Acrylique

Feedrate: 75 (mm/minute) / 125 pour les Pockets
Spindle: 13333 (tour / minute) =200%
Rotation: sens horlogique
1.5mm/passe
Pocket: 20% d'attaque

Références

• CNC / Des outils de coupe de la fraiseuse
  
• CNC fraise
  
• CNC Loisir
  
• Tableau des fraises
  
• 3D carving 101: Understanding Milling Bits sur Inventables.com
  
• Conseil Mekanika