Qu'est-ce que le fraisage en bout ? Types de fraises, utilisations et avantages

fraisage CNC est un procédé d'usinage polyvalent connu pour la précision et les pièces complexes. Il implique différentes techniques/opérations et peut s'adapter à divers outils ; fraisage en bout en fait partie. En fait, il s'agit de la deuxième technique d'usinage la plus populaire après le tournage CNC. 

Différentes options d'outillage, un taux d'enlèvement de matière élevé, une finition précise et d'autres facteurs rendent ce processus largement utilisé dans tous les secteurs. 

Cet article explique ce qu'est le fraisage en bout, les fraises compatibles, les applications, les avantages, les défis potentiels et les considérations d'usinage. 

Qu'est-ce que le fraisage en bout ?

Comme tout autre procédé de fabrication soustractif, le fraisage en bout implique l'utilisation de fraises rotatives à bords multiples pour enlever de la matière jusqu'à ce que les formes et les caractéristiques souhaitées soient formées. Il permet de créer des caractéristiques complexes et élaborées sur les métaux, les alliages, les plastiques, les composites et d'autres matériaux techniques.

Ce qui différencie les fraises des autres outils est la conception hélicoïdale des arêtes de coupe. La tige de forme cylindrique contient des dents aux deux extrémités et sur les côtés, ce qui permet de couper les pièces dans plusieurs directions. 

De plus, une variété de fraises CNC (carrées, à bout sphérique, à rayon d'angle, etc.) vous permettent de travailler avec des formes 3D à multiples fonctions. Avec les fraises adaptées, vous pouvez réaliser des contours complexes, des trous profonds, des poches, des fentes, des profils plats, des évidements, etc. 

Anatomie et terminologies 

Avant de passer à une discussion plus approfondie, examinons son anatomie et ses terminologies clés ; 

• Jarret: La partie cylindrique du moulin qui est serrée dans la broche ou le porte-outil de la machine.
• Cou: La section de diamètre réduit entre la tige et la partie coupante pour une portée et un dégagement plus profonds.
• Flûte: Les rainures hélicoïdales le long du corps de la fraise, qui forment un tranchant lors de l'usinage.
• Diamètre de coupe: Diamètre au point le plus large des bords.
• Balayage du coupeur : L'arc ou le chemin formé par le tranchant pendant la rotation.
• La longueur de coupe: La longueur axiale sur laquelle les bords de la dent de coupe s'engagent dans l'enlèvement de matière pendant le fraisage.
• Angle d'hélice : L'angle entre la cannelure hélicoïdale de la fraise et son axe central.

Comment fonctionnent les fraises ?

Une fraiseuse spécialisée ou une machine CNC classique peut accueillir des outils de fraisage adaptés dans sa broche (ou d'autres composants rotatifs). Ensuite, elle contrôle le mouvement avec précision sur la pièce à usiner dans un parcours d'outil prédéterminé. 

La taille de la coupe, la profondeur, la vitesse, le temps de cycle et toutes les autres variables dépendent des entrées CNC, de la géométrie et des tailles des fraises.

Les étapes détaillées pour savoir comment fonctionne la fraise ?

Conception et programmation de pièces 

Une conception détaillée de la pièce à fraiser est d'abord créée, décrivant toutes les caractéristiques, dimensions et directions d'usinage. Lors de la création de la conception, il est essentiel de prendre en compte les capacités des fraises à queue ; quel type de formes peuvent-elles usiner ? 

Configuration de la machine 

La fraise est fixée dans la pince de serrage ou le porte-outil de la broche, tandis que l'étau, les brides ou le dispositif de serrage maintiennent la pièce à usiner. La position des pièces à usiner est ainsi parallèle à la table ou à l'axe de la broche. La valeur du paramètre d'entrée dépend du matériau à usiner et du revêtement de l'outil. L'opérateur définit le point de référence (décalage de la pièce) après avoir réglé l'outil et la pièce.

Processus de fraisage 

Une fois le programme exécuté, la broche fait tourner la fraise, puis les arêtes de coupe interagissent avec le matériau et forment les copeaux par cisaillement. Les arêtes à l'extrémité effectuent une coupe axiale et les arêtes latérales effectuent une coupe radiale, tandis que la conception des goujures hélicoïdales facilite l'évacuation des copeaux. 

L'angle d'entrée et le chemin de coupe dépendent du programme CNC. Les mêmes codes de programme dictent à la broche de déplacer la fraise sur les axes (X, Y, Z). 

Types de fraises en bout et leurs applications

En fonction de la géométrie des bords d'usinage et des préférences d'application, il existe différents types de fraises pour le processus de fraisage en bout. La forme de la pointe (extrémité) et les caractéristiques de la cannelure les distinguent les unes des autres. 

Discutons brièvement de quelques fraises CNC courantes ; 

Fraises en bout d'ébauche

Ces fraises enlèvent une grande quantité de matière tout en laissant une finition de surface relativement plus rugueuse. Les bords rugueux ou ondulés et le diamètre du noyau plus grand permettent des coupes lourdes avec un minimum de vibrations. 

Application: Usinage intensif de l'acier, de l'aluminium, du fer et d'autres métaux. Par exemple, moules, construction navale, préfinition de pièces automobiles, etc. 

Fraises à billes 

Une fraise à bout sphérique est caractérisée par une pointe hémisphérique (nez) avec une conception à deux ou quatre cannelures. Ces fraises peuvent couper les pièces selon un chemin continu, créant des contours 3D complexes, des courbes et des profils concaves. Vous pouvez utiliser les fraises à bout sphérique pour le surfaçage, le façonnage, le profilage, le filetage, etc. 

Applications : Usinage de contours 3D pour moules et matrices, sculpture de pièces automobiles et aérospatiales, ajout de congés sur des conceptions complexes, etc.  

Fraises en bout d'arrondi de coin

Un type de fraise à arrondir les angles implique un rayon sur les bords des dents, ce qui enlève le matériau de la pièce pour obtenir un angle arrondi ou un rayon spécifique. Vous pouvez choisir la taille du rayon de ces fraises en fonction de vos besoins.

Applications : Ébavurage, filetage (ou rayons sur arêtes vives), finition esthétique et courbes de transition entre contours dans des pièces complexes. 

Fraises carrées

Comme leur nom l'indique, ces fraises comportent une pointe plate et carrée perpendiculaire à l'axe de rotation de l'outil. Cette géométrie permet de créer des bords, des coins et des fonds plats parfaits à 90 degrés sur la pièce. Ainsi, les fraises carrées sont populaires pour des tâches d'usinage générales. 

Applications : Rainures de clavette, fentes, contours extérieurs, coupe verticale, trous à fond plat et lissage de surfaces planes. 

Fraises à queue d'aronde

Les fraises à queue d'aronde ou à queue de poisson sont définies par des bords inclinés pour la coupe (correspondant au profil de queue d'aronde souhaité) qui sont disponibles dans des angles standard tels que 45°, 60° et 90°. Vous pouvez les choisir pour créer des rainures ou des profils en forme de queue d'aronde.

Applications : Fentes et fixations coulissantes, assemblages à queue d'aronde, rainures, encoches, éléments de contre-dépouille, etc. 

Fraises de finition

Il s'agit d'une fraise affûtée et affinée, conçue pour obtenir des tolérances dimensionnelles plus strictes et des qualités de surface lisses. La conception de la fraise comprend un nombre plus élevé de cannelures (2 à 6) et des angles d'hélice plus grands pour obtenir des niveaux de rugosité inférieurs, jusqu'à Ra 0.4 µm. 

Applications : Différents articles industriels nécessitant une finition lisse pour leurs performances, tels que des pièces d'appareils médicaux, des dissipateurs thermiques, des instruments de mesure, des pièces de moteurs de véhicules, etc. 

Fraises à embout en V

Il s'agit de fraises à pointe en V formées de bords de dents à 30, 60 ou 90 degrés. Les pointes coniques acérées des fraises en V les rendent adaptées au chanfreinage, à la gravure et à la sculpture 3D. 

Applications : Les embouts V gravent des signes, des logos, des symboles, des chiffres et des lettres sur la surface de travail. Par conséquent, ils sont également applicables pour le chanfreinage et les coupes étroites. 

Matériaux utilisés dans le fraisage final

Vous pouvez choisir différents plastiques, métaux, alliages et composites à usiner avec des procédés de fraisage. Le choix du matériau est directement lié à l'outillage et aux conditions d'usinage ; le revêtement de l'outil approprié et les variables de fraisage sont différents d'un type de matériau à l'autre. 

Le tableau ci-dessous décrit les matériaux courants et la fraise adaptée à chacun d'eux ;

Applications du fraisage en bout dans diverses industries

Il est possible de créer avec une fraise CNC diverses caractéristiques d'usinage de précision, des surfaces planes, des profils complexes, des canaux, des trous, etc. Ainsi, ses utilisations sont diverses ; des articles de consommation générale aux industries nécessitant une précision extrême. 

Voici quelques principaux secteurs d’application :

Industrie aérospaciale 

Les opérations de fraisage en bout sont utiles dans la production de composants complexes tels que les supports de moteur et les boîtiers de support dans l'aéronautique. Ces composants sont généralement fabriqués en aluminium et ont des exigences très élevées en matière de précision et de qualité. D'autres exemples sont 

Ailes d'avion, cartouches de turbine et ébauche de surface de nombreux autres composants. 

Composants automobiles 

Les fraises à commande numérique par ordinateur permettent de réaliser des pièces automobiles à la fois rugueuses et lisses. Le niveau de précision, les détails fins et la qualité de surface les rendent plus favorables à la fabrication de véhicules. Vous pouvez fabriquer des pièces de moteur, des sièges de soupape, des carters de transmission, des canaux d'huile, des moyeux de roue, etc. 

De plus, cette approche de fraisage répond également aux exigences croissantes des véhicules électriques, comme les éléments du moteur, les caractéristiques du boîtier de batterie et les composants de la transmission. 

Pièces de précision pour l'électronique

La miniaturisation et la précision sont des exigences clés pour les pièces électroniques ; les outils à extrémité en carbure sont utilisés pour fabriquer des circuits imprimés (PCB). Par exemple, les trous lisses et les rainures de clavette facilitent une connexion fluide. D'autres utilisations incluent les boîtiers pour appareils électroniques, les composants de montage, les éléments de gestion thermique, etc. 

Pour les dispositifs médicaux

Des dimensions et une finition précises sont essentielles dans la fabrication de dispositifs médicaux, car elles ont un impact direct sur l'efficacité et la sécurité du traitement. Le fraisage en bout permet de traiter du titane de qualité médicale, des alliages d'acier inoxydable et certains plastiques pour créer des dispositifs de diagnostic, des implants et des outils chirurgicaux. De plus, il permet également de personnaliser les implants en fonction des besoins des patients. 

Prototypage et fabrication de pièces sur mesure

Les ingénieurs et les fabricants utilisent des fraiseuses CNC multi-axes pour tester et affiner les conceptions. Elles peuvent produire des conceptions complexes en métaux, plastiques et composites. Par exemple, des outils de moulage, des gabarits, des montages, des pièces personnalisées, etc. 

Avantages du fraisage en bout

• Une fraise effectue de multiples opérations telles que la coupe, le tréfilage, l'engraissement, le profilage, le contournage, etc. 
• Il offre une précision et une exactitude d'usinage élevées, jusqu'à ± 0.05 mm en standard et ± 0.002 mm en fraisage de précision.
•  Il s'agit de couper dans ou à travers les quatre axes d'une broche, ce qui permet de créer une variété de formes et de surfaces complexes. 
• La précision de l'opération minimise le nombre de processus de finition supplémentaires. Une plage typique du niveau de rugosité après usinage est 6.3 à 0.8 µm. 
• La conception et le revêtement multi-cannelures permettent des coupes plus profondes.

Défis courants dans le fraisage en bout et comment les surmonter ?

Comme tout autre processus CNC, il présente ses propres difficultés et limites. Comprendre ces défis et les stratégies pour les atténuer permet d'éviter les problèmes d'usinage et d'obtenir le résultat souhaité. 

Le broutage, l'usure excessive des outils, la mauvaise finition et l'accumulation de chaleur sont des problèmes courants. Examinons plus brièvement ces défis et comment vous pouvez les surmonter ;

Gérer les bavardages et les vibrations

Les vibrations et les broutages lors de l'usinage sont principalement liés à la stabilité de la machine et à la rigidité de l'outil. Des outils longs en porte-à-faux, un serrage lâche de la pièce et des angles de coupe incorrects provoquent ces vibrations périodiquement auto-excitées. 

Prévention: L'utilisation d'amortisseurs ou d'absorbeurs de vibrations est la méthode utilisée en cours de fabrication pour atténuer les vibrations. Lors de la configuration, assurez la stabilité, optimisez les variables de coupe et fixez solidement la pièce. 

Risque de bris d'outil

Bien que ce soit un phénomène rare, la rupture d'outil peut se produire en cas de force de coupe excessive, de broutage, de pièce dure, de géométrie d'outil incompatible, de tassement de copeaux ou de contrainte thermique. Au fil du temps, une fraise CNC s'émousse et les ailes de son angle se déchirent. De plus, la rupture d'outil entraîne non seulement une défaillance de la pièce, mais pose également un problème de sécurité critique. 

Prévention: 

• Optimiser le parcours de l'outil
• Utilisez la bonne avance et la bonne vitesse
• Surveiller le processus en continu,
• Choisissez une fraise avec un revêtement adapté (par exemple TiAlN, DLC) pour les matériaux durs. 

Nécessite une configuration spécialisée

Vous aurez peut-être besoin de dispositifs personnalisés et d'outils d'étalonnage pour des alignements parfaits lors de la configuration. Cette opération est plus complexe que le fraisage standard et nécessite un niveau d'expertise élevé. De plus, elle peut prendre du temps pour les petits lots et les prototypes.

Prévention: 

• Utilisez des luminaires modulaires et réglables pour réduire la complexité de l'installation
• Effectuez une simulation FAO pour analyser la configuration et le parcours de l'outil avant l'usinage réel.

Production de chaleur

Pendant l'opération, les bords tranchants se déplacent contre les pièces ou entrent périodiquement en contact les uns avec les autres, ce qui entraîne des frottements. Lorsqu'un déséquilibre se produit lors de l'usinage, le frottement augmente, ce qui déforme les bords et convertit l'énergie mécanique en chaleur. 

La prévention:

• Utiliser un type et un débit de liquide de refroidissement appropriés 
• N'imposez pas des vitesses et des avances supplémentaires, équilibrez-les avec la productivité
• Maintenez l'angle de coupe positif
• Surveillez le frottement de l'outil et prenez immédiatement les mesures appropriées
• Souvent, le fraisage en montée transfère efficacement la chaleur dans la puce.

Plus expansif

La fabrication de pièces par fraisage en bout est plus coûteuse que les opérations de fraisage conventionnelles ou standard. Les raisons sont simples : outillage coûteux, demande d'opérateurs expérimentés, configuration de machine complexe, etc. Pour maintenir le coût du fraisage en bout à un niveau équilibré, vous pouvez utiliser des outils de haute qualité, tirer parti de l'automatisation et choisir des trajectoires d'outils efficaces.

Considérations clés sur l'utilisation des fraises

Sélectionnez le bon matériau d'outil

L'acier rapide (HSS) et le carbure sont les deux principaux matériaux utilisés pour les fraises. Les outils HSS sont abordables et fonctionnent mieux avec les plastiques et les métaux tendres comme l'aluminium. En revanche, le carbure est plus dur que le HSS et convient à l'usinage à grande vitesse et aux matériaux durs comme le titane et l'acier à outils. Pour plus de robustesse, vous pouvez choisir ces outils avec un revêtement dur, comme le TiN, le TiAlN ou le DLC. 

Utilisez le nombre correct de flûtes 

Bien que des outils avec différents nombres de cannelures soient utilisés, les fraises à 2 et 4 cannelures sont généralement populaires dans les ateliers d'usinage. La principale différence entre les fraises à 2 et 4 cannelures est la vitesse de coupe et la qualité de finition. Plus le nombre de cannelures augmente, plus les matériaux sont durs et plus le niveau de finition s'améliore. En revanche, un faible nombre de cannelures permet une vitesse de coupe plus rapide. Choisissez donc le bon nombre en conséquence. 

Contrôler la profondeur de coupe

Les coupes très profondes génèrent de la chaleur et les coupes peu profondes réduisent la vitesse. Il est donc essentiel de contrôler la profondeur de coupe. Il existe deux règles générales pour la profondeur maximale : soit la moitié du diamètre de la fraise, soit moins que la longueur de la goujure. Pour des finitions lisses, vous devrez peut-être contrôler la profondeur jusqu'à 10-20 % du diamètre de l'outil. 

Optimiser le taux d'alimentation et la vitesse

Réglez l'avance et la vitesse appropriées en tenant compte des facteurs, des propriétés du matériau, de la rigidité de l'outil, de la géométrie de l'outil et des capacités des machines CNC. La meilleure suggestion est de suivre les directives du fabricant (tableaux) et les ajustements incrémentiels pour un réglage précis. De plus, vous pouvez également utiliser Calculateur de vitesses et d'avances de fraisage en ligne pour connaître la vitesse et l'avance optimales. 

Utiliser du liquide de refroidissement ou de la lubrification

Comme indiqué précédemment, la chaleur est l'un des problèmes courants et vous devez utiliser un liquide de refroidissement ou une lubrification appropriée pour l'éviter. La lubrification réduit la friction et le liquide de refroidissement stabilise la température de la zone d'usinage. Il existe différentes options pour les liquides de refroidissement, à base d'huile, à base d'eau, synthétiques, etc. De plus, vous pouvez les appliquer soit par liquide de refroidissement par inondation, soit par la méthode MQL. 

Maintenir un bon équilibre du porte-outil

Un équilibrage correct du porte-outil est essentiel pour réduire les vibrations et obtenir des performances de fraisage optimales avec une usure minimale de l'outil. Il existe deux méthodes d'équilibrage : statique et dynamique.  

L'approche statique consiste à mesurer le déséquilibre pendant que le porte-outil est stationnaire, tandis que l'approche dynamique (ou à grande vitesse) implique la rotation du porte-outil à des vitesses opérationnelles pour détecter et corriger les déséquilibres. 

Inspectez régulièrement l'outil

Vous pouvez intégrer des systèmes de surveillance en temps réel pour inspecter l'usure, les rayures, les déchirures et l'émoussement de l'outil. Planifiez une inspection périodique et utilisez une liste de contrôle pour vous assurer de l'état de l'outil. De plus, suivez en permanence les résultats de l'inspection et les performances au fil du temps pour décider quand changer votre outil.

Différence entre le fraisage en bout et le fraisage en surface

Le fraisage en bout est une opération plus spécialisée qui se concentre sur les pièces plates, en retirant de grandes quantités de matière pour obtenir une surface plane. Souvent, les fraises à bout sont utilisées dans les étapes préparatoires avant d'effectuer des tâches d'usinage complexes. Contrairement à une fraise à queue, un outil de fraisage en bout comporte une face large et plate avec des bords autour de sa périphérie. 

Le fraise à surfacer ou fraise en bout le tableau ci-dessous décrit leurs principales différences ; 

Comment RapidDirect répond à vos besoins en matière d’exploitation de fraisage ?

Il est essentiel de prendre en compte les exigences finales et de choisir le bon type de fraise pour tout projet de fraisage, ce que nous comprenons parfaitement chez RapidDirect. Nos ingénieurs travaillent en étroite collaboration avec vous jusqu'à la livraison de vos pièces, y compris l'assistance à l'optimisation de la conception, la sélection des matériaux et les recommandations de finition.

De plus, notre usine interne dispose de fraiseuses avec la dernière intégration CNC qui s'attaque aux conceptions personnalisées et complexes avec une grande précision. 

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Que vous soyez une petite startup ou une marque établie, notre Services de fraisage CNC peut fournir des pièces de haute qualité dans tous les secteurs, en stricte conformité avec votre conception.  

Conclusion 

Dans l'ensemble, le processus de fraisage en bout permet de créer des caractéristiques et des profils complexes sur différents types de pièces. L'utilisation du bon type de fraise, de la bonne variable de fraisage et du bon réglage est essentielle pour fabriquer des pièces à haute complexité géométrique. De plus, la compréhension des défis possibles avant le démarrage de la machine permet d'éviter les défauts et les risques de défaillance. 

Ce procédé contribue à l'innovation de structures mécaniques complexes pour les industries et repousse continuellement les limites de la précision et de l'efficacité de la fabrication.

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