CNC-SentierBattu/Parametrage : Différence entre versions
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Version du 18 juillet 2016 à 17:11
Page en construction
Cette page expliquera comment on paramètre notre très chère CNC Sentier Battu
Sommaire
Définition
Fraiseuse
img standard process
Le fraisage, consiste à donner une énergie sous forme cinétique à une fraise en rotation tranchante, ce qui a pour effet d'accentuer les coefficients de contraintes sur la matériaux et sur la fraise, comme la fraise est plus dure que le matériau, c'est le matériau qui s'arrachera, créant un copeau. Le mouvement évacue le copeau via l'hélice de la fraise. Le tout en avançant pour tracer des formes.
Comme dans beaucoup de machine outil, elle sera organisée avec une tête contenant la particularité de la machine, qui s'articule sur des axes avec ses bras.
Pour Sentier Battu:
- La tête contient
- Un moteur qui met en rotation la broche, on a la vitesse de rotation de la broche.
- Une broche qui permet de tenir une fraise. Son serrage est important pour éviter les jeux au niveau de la fraise.
- Les bras s’orientent sur 3 axes linéaires cartésiens, X, Y et Z et contiennent
- Des glissières, nous on a des crémaillères, qui sont généralement robuste mécaniquement, et si elles sont bien réglé, elles évitent les jeux au niveau des bras. Une fraiseuse sans jeu et robuste est généralement une machine qui facilite les usinages dès le départ et évite les vibrations, donc évite l'usure prématuré des outils. Les bras définissent l'avance de la tête.
Avec ça on a les paramètres d'entrées machine, ceux que l'on va rentrer dans la machine pour faire notre usinage. On aura
- Une trajectoire de tête donc de fraise (votre fichier préparé: le gcode)
- Une vitesse d'avance (Vf) du bras lors de cette trajectoire
- Une fraise en particulier
- Une vitesse de rotation (N) qui transformera la fraise en outil de coupe.
L'objectif de cette page est de prendre en compte les phénomènes du fraisage pour déterminer ces paramètres.
Phénomènes
Au niveau de la coupe les paramètres d'entrée produisent plusieurs phénomènes. Ils représentent les conséquences de l'utilisation de la machine, c'est eux qui vont nous intéresser pour savoir comment la régler. On les définira ici et voir comment cela s'articule en bas.
Vitesse de coupe: Vc
La vitesse de coupe correspond à la vitesse linéaire du bout de la fraise, elle représente la vitesse avec laquelle l’arrête coupante est lancée dans le matériau. En s'exprime usuellement en m/min.
Elle est en lien la vitesse de rotation (N) mais on ne doit pas la confondre avec, ni la confondre avec la vitesse d'avance (Vf) de la tête.
Trois types de contraintes se retrouve pour Vc:
- Liée aux possibilités de la fraise (diamètres)
- Liée aux recommandations matériaux (pression de coupe spécifique, et structure du matériau)
- Liée aux capacité de la machine (vitesse de rotation maximale)
Formation des copeaux
_img qu'est ce qu'un copeau
C'est de loin la composante la plus importante du fraisage, elle dépend directement de tous les paramètres de la machine.
En effet afin d'obtenir un bon usinage la taille des copeaux ne doit être ni trop petite, ni trop grande.
Un grand copeaux est sujet a:
- Une flexion sur l'outil
- Un impact plus fort des vibrations
- Une puissance plus forte (si la pression de coupe spécifique n'est plus suffisante)
Un petit copeaux est sujet a:
- Un échauffement fort lors de la coupe
- Une puissance plus forte, (déperdition d'énergie accru, frottements ...)
- Un dégagement de particule fine (poussières de bois, fibres ....)
Globalement un copeaux trop grand est moins problématique qu'un copeaux trop petit.
On observe globalement 3 mesure pour le copeaux.
L'épaisseur e
Un copeau à toujours une épaisseur variable il a une dimension nulle d'un coté et maximale de l'autre.
C'est pour quoi on travaillera avec l'épaisseur moyenne, que l'on approximera avec la formule suivante:
Épaisseur moyenne (e) = Avance par dent (fz) * (Engagement (%)) ^ 0.5
Cette épaisseur sera comprise entre 0,1 et 0,5mm Pour un surfaçage il ne faudra surtout pas descendre en dessous de 0,1mm.
Comme il est très proche de l'avance par dent, il est usuel de choisir la même valeur. Le réglage de la machine est plus simple.
La hauteur h
Elle est égale à la profondeur de passe.
Ici on réglera la profondeur de passe directement en fonction de l'opération.
Il convient de ne pas dépasser les consignes suivantes.
- Découpe => h = (2/3) * longueur utile
- Rainurage court (profondeur < diamètre) => h = Diamètre
- Rainurage long (profondeur > diamètre) => 0.6 * Diamètre
- Ébauche 2D => 1.5 x Diamètre
- Ébauche 3D => 0.5 x Diamètre
La longueur l
C'est un distance curviligne (courbe) que l'on approxime par la formule suivante.
Longeur (l) = Engagement (%) * Pi * Rayon (r) / Nombre de dent (Z)
L'épaisseur est plus importante que les autres, c'est bien les 3 paramètres que nous allons devoir prendre en compte.
Avance par dent (fz)
L'avance par dent est la distance linéaire que parcours la fraise, durant l'usinage sur une dent, elle s'exprime en mm/dent
Avance par dent (fz) = Vitesse d'avance (Vf) / (Vitesse de rotation (N) * Nombre de dent (Z))
Quand on parle de la taille des copeaux recommandé pour un matériaux, les fabricants donnerons une avance/dent conseillée.
Dans tout les cas cette valeur doit être entre 0,1 et 0,4mm/dent. Si l'on fait varier l'avance par dent, il est préférable de l'augmenter plutôt que de la diminuer, dans la limite des bornes.
Taux d'engagement et Overlap
_img Engagement 0.3% -> 1
Comme on la vu l'engagement joue un rôle important dans la taille du copeaux en effet, il représente le "taux de recouvrement" c'est à dire la capacité à l'outil a repasser là ou il est déjà passée. On peu aussi le voir comme le décalage entre chaque passage (exprimé en nombre de fois le diamètre de la fraise).
Donc un engagement de 100% représente usuellement une découpe et un de 10% représente 10 passages pour obtenir une distance de 1 diamètre.
Il aura pour conséquence première de changer la taille du copeaux.
Il joue un rôle important dans tout les usinages, sauf la découpe. Cela affecte grandement l'état de surface, cela lisse toute les irrégularités et asymétrie du fraisage en 2D comme en 3D. Cela prend aussi plus de temps.
On pourra palier à ce manque de temps pour les engagements entre 5% et 50% en augmentant la vitesse d'avance (x4 pour 5% d'engagement). Néanmoins entre 50 et 100% on gardera une vitesse d'avance standard.
On le choisi directement dans bCNC mais on le calcule par la formule suivante
Engagement (%) = Largeur de coupe (ae) / Diamètre (d)
On voit aussi de temps en temps le terme Overlap (%), celui ci représente l'opposé de l'engagement. C'est donc une autre approche pour le même paramètre.
Overlap (%) = 1 - Engagement (%)
On fera attention de ne pas régler l'engagement à 50%, c'est un cas limite qui génère des efforts de coupe scélérats, pouvant mettre en difficulté l'usinage.
img_copeau_traction
Génération du copeau
Dans la plus part des cas les matériaux sont homogènes et isotropes la formation de copeaux est régulière et on ne prendra de précaution supplémentaire pour certains matériaux (bois, composites ...).
Cas du bois
Seulement le bois est un composite fait de fibres, qui s'arrache plus ou moins facilement suivant le sens, l'effort, la vitesse de sollicitation.
Lors du passage de la fraise on observe 3 phases, l'enjeu du paramétrage de la fraiseuse sera de réduire ou d'augmenter le temps d'une des phases par rapport aux autres.
- Fendage: Ici l'outil avance suffisamment dans le bois pour arracher les fibres, comme l'outil est tournant, il arrachera plein de petit bout de fibre, créant ainsi des micros fissures. Il se produit quand les efforts de coupes sont supérieur à la cohésion des fibres. Ce qui se traduit généralement pas un angle de coupe important. Les micro fissures sont plus ou moins importantes suivant l'épaisseur du copeau.
- Compression: On est à l'équilibre en terme de direction et d'intensité d'effort, on aura un bon état de surface, pas de micro fissure. Bref c'est la phase avec la qu'elle le fraisage ce passe bien. On l'obtient avec des angles de coupe faibles et négatifs, ainsi qu'une épaisseur de copeau relativement élevée.
- Flambage: C'est une situation préférable aux fendage mais moins que la compression, ici la direction de l’effort est pile dans le sens de la fibre, arrachant le copeaux par flexion. Cela ne se produit que pour des épaisseurs de copeaux faibles, et des angles de coupe faibles aussi.
On observera un état de surface moyen, quelques micro fissures négligeables vu leurs tailles.
On pourra noter que pour les contreplaqués, la colle, renforce l'adhésion des fibres. La génération de copeaux par fendage aura moins lieu, et laissera place plus facilement à la compression.
Il faut bien garder à l'esprit que lors du passage de la dent on observera les 3 phases, tout le temps, la durée que aura chaque phase varie en fonction des paramètres et du sens de la fibres.
- Par exemple lors d'une trajectoire arc de cercle on pourra avoir les bords dont le travail en compression était prépondérant et au milieu de l'arc c'est le fendage qui est prépondérant durant les tours.
_img_chronogramme_partour et moyenne Globalement le bon paramétrage de la machine permet d'obtenir un ratio de temps d'usinage en compression élevée.
Cas des composites
Pour les composites on se retrouve généralement avec des épaisseurs de copeaux très faibles, c'est pourquoi on négligera les phénomènes que l'on retrouve avec le bois.
Néanmoins les aspects sont existes, et sont trop complexes pour les détailler ici (sens des fibres, abrasions, ...).
Quelques expérimentations ont montrées que les usinages était possible, notamment à faible vitesse d'avance (<300 mm/min).
État de surface
_img
L'état de surface représente le degrés de finition, on le regarde notamment avec sa rugosité.
Les états de surfaces ne se conçoivent que par les défauts qui sont la cause d'un état médiocre.
On pourra citer:
- Les vibrations
- Défauts d'alignement
- Défauts angulaire de la machines
- Accélérations
- Fraises usées
On peu limiter ces facteurs en les corrigeant directement ou en les moyennant par l'intermédiaire:
- Fraise hémisphérique pour les ébauches 3D
- Fraise à plusieurs dents
- Avance par dent plus faible
Ici c'est le cas général mais pour les bois l'état de surface dépend majoritairement de la manière dont se formeront les copeaux (compression, fendage ...)
Impacte de la forme de la fraise
_img_comparaison_carré_hémisphérique
Vibrations
Les vibrations sont un phénomènes aux multiples causes, donc très difficile à anticipé, c'est pourquoi on s'attardera plus sur les effets et les solutions.
Les vibrations sont à l'origine:
- D'un état de surface anormal, impropre...
- D'une usure prématuré des outils et pièces de la machine.
On pourra réduire les vibrations via:
- Remonter la fraise dans le mandrin de la broche afin de limiter l'amplitude des vibrations.
- Utiliser une fraise à angle de coupe positif
- Changer la vitesse de rotation (décalage par rapport aux fréquences de résonances)
- Dans le cas du surfaçage on prendra un engagement de 80 à 60%.
Les types d'opérations
En 2D
On retrouve des opérations suffisamment particulières pour qu'il existe des fraises spécialement faites pour.
- Découpe: Passage de la fraise entière sur toute la profondeur du matériau, en plusieurs passes généralement.
- Gravure: Comme pour la découpe mais qui ne traverse pas le matériau
- Surfaçage: On utilise une fraise de diamètre large pour graver l'entièreté d'une surface, la rendant ainsi bien plane.
- Contournage: Comme pour la gravure mais uniquement sur les bords, on y retrouvera la réalisation de chanfreins, épaulements dans une plaque.
- Autres: l'utilisation de fraises à forme très particulières peu avoir lieu (congés, ...)
En 3D
On aura l'ébauche ce qui comprend toute les formes 3D usinée dans un matériau, on pourra passer sur un deuxième usinage dit de finition pour obtenir un meilleur état de surface.
On retiendra que les fraises d'ébauches peuvent faire du 2D, elles sont multi-usages, mais moins performantes que les fraises dédié à un type d'opération.
Fraisage par matériaux
Compatibilité des usages par matériaux
Matériau | Catégorie | Niveau d'expérimentation | Fraise | Remarques |
---|---|---|---|---|
Contreplaqué | Bois | Très Facile | Carbure | Voir recommandation bois |
Aggloméré | Bois | Facile | Carbure | Attention à l'arrachement de morceaux |
Massif | Bois | Facile | Carbure | Voir recommandation bois |
Polymère peu dense | Polymères | Facile | Carbure | Voir quelques recommandations matériaux |
Polymère dense | Polymères | Moyen | Carbure 2 ou 3 dents | Voir recommandation fraise, matériau |
Fibre cellulosique | Fibres(composites) | Complexe | Carbure grand diamètre ou spéciale composite | Voir l'ensemble des recommandations à ce sujet |
Pierre | Autre | Complexe | Diamants | Se renseigner sur la faisabilité |
Fibre de verre | Fibres(composites) | Interdit | Carbure multi dents/diamants | Usinage complexe et dangereux (poussière de verre) |
Carbone | Fibres(composites) | Interdit | 2 dents diamantés | Usinage complexe et dangereux (poussière de carbone) |
Aramide (Kevlar) | Fibres(composites) | Interdit | Spéciale aramide | Usinage dangereux, les fibres ne se coupe pas (=> blocage machine ...) |
Métaux | Autre | Interdit | Carbure multi dents (>5) | Usinage dangereux car CNC pas adapté. |
Choix des paramètres
Procédure de choix
img schema
Pour faciliter le choix on se référera au Fichier:CalculsVitesse.ods.zip
Type de fraise
Pour ce faire on se renseignera sur la page Fraise
Vitesse de coupe
Vitesse de rotation
Taille du copeaux
secu: la taille des copeaux en dessous de 30micron est problématique
Profondeur de passe
Avance
Vitesse d'avance
Profondeur de passe
Sens de l'usinage
Conventionnel ou en avalant/montant
_img
Il définit le sens d'éjection du copeaux, conventionnel vers le haut, et montant vers le bas. Il a une incidence très forte sur l'usinage.
Ce que l'on retiendra
- Pour les bois: On usinera en sens conventionnel.
- Pour tout le reste: On usinera en sens montant ou climb.
Les plus pointilleux utiliserons le sens conventionnel pour les finitions.
Voilà comment il se règle dans bCNC
Détail
Dans le cas générale, le travail en avalant:
- Cisaille les copeaux, limitant leur impact sur l'outil
- a des efforts de coupe plus faible notamment avec des vitesses de coupe grande
- Demande moins d'énergie
- Demande une machine sans jeu car particulièrement sensible aux vibrations
- Facile l'usinage de manière générale et particulièrement sur des usinages compliqués.
Dans le cas du bois, le travail en avalant génère:
- Des copeaux particulièrement fin, augmentant ainsi la probabilité de poussière de bois.
- Une usure prématurée des outils
- Des chocs réguliers, ce qui est mauvais pour la machine et l'outil.
C'est pourquoi, pour le bois, on travaillera en avalant si et seulement si le travail en conventionnel génère trop de copeaux par fendage et fissure trop le bois.
Données matériaux
Fraisage du bois
Formation du copeaux pour le bois
img 3 type (tranchant, compression, flambage)
Taille du copeaux recommandé
Entre 0.05 et 0.3mm suivant le diamètre de la fraise Info catalogue Tap tools tableau
Fraisage des plastiques
On notera que pour les polymères le serrage de la pièce ne doit pas forcément être fort mais uniforme !
On fera attention a avoir des profondeurs de passes et des avances faible, néanmoins les vitesses de coupe peuvent être grande, c'est ce qu'on observe dans le tableau.
Abréviation | Matériau | Densité (g/cm³) | Vitesse de coupe (m/min) | Avance par dent (mm/tr/dent) |
---|---|---|---|---|
PMMA | Polyméthylméthacrylate ou Acrylique | 1.2 | 200-4500 | <0.5 |
ABS | Acrylonitrile Butadiène Styrène | 1.05 | < 1000 | 0.5 |
PC | Polycarbonate | 1.2 | 100-500 | 0.1-0.5 |
PVC* | Polychlorure de vinyle | 1.35 | 300-1000 | 0.1-0.5 |
PS | Polystyrène | 1.05 | > 200 | 0.05 |
PE | Polyéthylène | 0.95 | 1000 | 0.1-0.5 |
PP | Polypropylène | 0.9 | 1000 | 0.1-0.5 |
PUR | Polyuréthane | 1.2 | > 300 | 0.05 |
POM* | Polyoxyméthylène | 1.4 | 200-500 | 0.3-0.5 |
PET | Polyéthylène Terephtalate | 1.4 | 150-1000 | <0.5 |
PBT | Polybutylene Terephtalate | 1.4 | 150-1000 | <0.5 |
PETG/PCTA/PCTG | Polyester Thermoplastiques | 1.4 | 150-1000 | <0.5 |
PA | Polyamides | 1.1 | 200-1000 | 0.3-0.5 |
PTFE* | Polytétrafluoroéthylène | 2.15 | 200-1000 | 0.1-0.5 |
PVDF* | Polyvinylidène de Fluorine | 1.8 | 200-1000 | 0.1-0.5 |
PSU | Polysulfone | 1.25 | 200-400 | <0.5 |
PES | Polyesthersulfone | 1.4 | 200-400 | <0.5 |
PEI | Polyetherimide | 1.3 | 200-400 | <0.5 |
PEEK | Polyetheretherketone | 1.3 | 200-400 | <0.5 |
- Plastique pouvant dégager du gaz toxique (Chlore, fluor, formol ..) si échauffement, généralement une aspiration suffit a évacuer le gaz correctement. Néanmoins à Plateforme C l'aspiration n'est pas vers l’extérieur, ces matériaux sont donc à bannir.
Fraisage des composites
Matériau | Vitesse de coupe (m/min) | Avance par dent (mm/tr/dent) |
---|---|---|
Fibre Cellulosique | 50-300 | 1-3 |
Fibre de Verre | 200 | 0.01-0.03 |
Fibre de Carbone | 400 | <0.05 |
Paramètres récurrent
Historiques des utilisations
Sources
Page anglaise wikipédia sur les fraises
Page wikipédia sur le fraisage
L'encyclopédie les techniques de l'ingénieur
- bm 7082 à 7084 pour le fraisage
- bm 7425-7426 pour l'usinage des polymères
- b 7304 à 7308 et c 925-926 pour les propriétés et l'usinage du bois
Fiche théorique sur les usinages du CNAM
Manuel sur le travail du bois du centre de formation bois de Bruxelles
Brochure explicative des usinages de l'OERTLI
Département fraisage de wikiversité
Guide sur la prévention des risques liée aux poussières bois
Plusieurs fiches INRS sur les usinages notamment sur la questions des poussières de bois Fiche métier INRS sur la transformation des bois
These sur l'optimisation des condition de coupe pour les panneaux de fibres
Recommandation du constructeur exPerta sur l'usinage des polymères