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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.

On observe globalement 3 dimension

L'épaisseur e: Un copeau à toujours une épaisseur variable il a une dimension nulle d'un coté et maximale de l'autre.

Épaisseur (e) = Avance par dent (fz) * (Engagement (%)) ^ 0.5

La hauteur h: Elle est égale à la profondeur de passe.
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 conseillés.

Dans tout les cas cette valeur doit être entre 0,1 et 0,4mm/dent

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).

Lien avec la puissance

État de surface

img

Impacte de la forme de la fraise

img_comparaison_carré_hémisphérique

Flexion de la fraise

img_effort de flexion

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'origines de

On pourra réduire les vibrations via:

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
Aggloméré	Bois	Facile	Carbure	Attention à l'arrachement de morceaux
Massif	Bois	Facile	Carbure	Voir recommandation bois
Polymère peu dense	Polymères	Facile	Carbure adapté	Voir quelques recommandations matériaux
Polymère dense	Polymères	Moyen	Carbure 2 ou 3 dents adapté	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

Decoupe => 2/3 longueur utile

Rainurage court (=1 diamètre) en une fois Rainurage long => 0.6 * Diamètre

Fraisage 2D => 1.5 x Diamètre Fraisage 3D => 0.5 x Diamètre

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.