Le fraisage trochoidal et le fraisage dynamique sont deux procédés d’usinage par enlèvement de matière (EM) adaptés à des outils rotatifs, qui s’appuient sur un principe commun : la trajectoire de l’outil est une combinaison d’un mouvement de rotation propre (autour de son axe) et d’un mouvement de translation courbe, plutôt que la trajectoire linéaire du fraisage conventionnel.
Pour comprendre leur intérêt, il faut d’abord définir les deux propriétés qui structurent leur fonctionnement :
Ces deux propriétés permettent de résoudre un problème majeur de l’usinage : le compromis entre le taux d’enlèvement de matière (TEM, volume de matière enlevé par minute, exprimé en cm³/min) et la durée de vie de l’outil. Le fraisage conventionnel impose de réduire la vitesse d’avance ou la profondeur de coupe pour limiter l’usure de l’outil, ce qui diminue le TEM. Les procédés trochoidal et dynamique permettent d’augmenter le TEM sans dégrader la durée de vie de l’outil, voire de l’améliorer.
Il existe une distinction subtile entre les deux procédés :
Pour maîtriser ces procédés, il faut comprendre leur comportement lors de la coupe, qui diffère significativement du fraisage conventionnel.
Dans le fraisage conventionnel, les forces de coupe augmentent proportionnellement à l’engagement radial : plus l’outil est en contact avec la pièce, plus les forces sont élevées. Dans les procédés trochoidal et dynamique, l’engagement radial est réduit et constant, ce qui permet de réduire les forces de coupe globales de 30 à 50 % par rapport au fraisage conventionnel, pour un TEM équivalent.
Cependant, ces forces sont plus concentrées sur une portion plus petite de l’outil. Il est donc important de choisir une machine suffisamment rigide pour éviter les vibrations. Par exemple, les centres d’usinage verticaux (CUV) GA-MV856 ou GA-UHD500, avec des broches mécaniques à couple élevé et une structure rigide, sont adaptés à des usinages de matériaux durs.
La chaleur générée lors de la coupe est un facteur clé de l’usure de l’outil. Dans le fraisage conventionnel, une grande partie de la chaleur est évacuée par le copeau, mais une portion importante reste dans l’outil et la pièce. Dans les procédés trochoidal et dynamique, la réduction de l’engagement radial permet de réduire le temps de contact entre l’outil et la pièce, ce qui diminue la quantité de chaleur transférée à l’outil.
De plus, la charge de copeau constante permet d’optimiser la formation du copeau : un copeau épais est plus efficace pour évacuer la chaleur qu’un copeau fin. En effet, le copeau a une plus grande surface de contact avec l’outil et la pièce, ce qui permet de transférer plus de chaleur vers lui.
La formation des copeaux est un processus complexe qui dépend de la vitesse de coupe, de la charge de copeau et des propriétés du matériau. Dans les procédés trochoidal et dynamique, la charge de copeau constante permet de former des copeaux uniformes, ce qui évite les problèmes de bouchage des canaux de l’outil.
Cependant, pour des matériaux ductiles (comme l’aluminium ou le cuivre), il est important de choisir une vitesse de coupe suffisamment élevée pour éviter la formation de copeaux longs et enchevêtrés. Pour des matériaux fragiles (comme la fonte ou les carbures), il faut éviter les vitesses trop élevées qui peuvent causer des éclats de copeaux.
Les mécanismes d’usure de l’outil sont les mêmes que dans le fraisage conventionnel : usure par abrasion, usure par adhésion, usure par diffusion et usure par fatigue. Cependant, les procédés trochoidal et dynamique permettent de réduire l’usure de l’outil de 2 à 5 fois par rapport au fraisage conventionnel, pour un TEM équivalent.
Cette amélioration s’explique par plusieurs facteurs :
Cependant, il faut noter que l’usure de l’outil est plus concentrée sur une portion plus petite de l’outil. Il est donc important de choisir un outil avec une géométrie adaptée à ces procédés.
Les paramètres de coupe pour les procédés trochoidal et dynamique dépendent du matériau de la pièce, de l’outil et de la machine. Voici des plages de paramètres courantes, avec les compromis associés.
La vitesse de coupe est la vitesse linéaire de la dent de l’outil par rapport à la pièce, exprimée en mètres par minute (m/min). Elle dépend du matériau de la pièce et du revêtement de l’outil.
| Matériau | Plage de Vc (m/min) | Compromis |
|---|---|---|
| Aluminium (non traité) | 1500-3000 | Vitesse élevée = bon évacuation de la chaleur, mais risque de vibrations |
| Acier doux (A36) | 150-300 | Vitesse moyenne = équilibre entre TEM et durée de vie de l’outil |
| Acier dur (HRC 45-55) | 80-150 | Vitesse faible = réduit l’usure de l’outil, mais diminue le TEM |
| Fonte grise | 200-400 | Vitesse élevée = bon TEM, mais risque d’éclats de copeaux |
Pour atteindre ces vitesses, il faut choisir une machine avec une broche adaptée. Par exemple, les CUV GA-DV750 ou les centres de perçage et taraudage GA-VT540, avec des broches électriques à 20000-30000 tr/min, sont adaptés à des vitesses de coupe élevées pour l’aluminium. Les CUV GA-MV856 ou GA-UHD500, avec des broches mécaniques à couple élevé, sont adaptés à des vitesses plus faibles pour l’acier dur.
L’avance par dent est la distance parcourue par l’outil pendant la rotation d’une dent, exprimée en millimètres par dent (mm/dent). Elle détermine la charge de copeau.
| Matériau | Plage de fz (mm/dent) | Compromis |
|---|---|---|
| Aluminium (non traité) | 0.1-0.3 | Avance élevée = bon TEM, mais risque de vibrations |
| Acier doux (A36) | 0.05-0.15 | Avance moyenne = équilibre entre TEM et durée de vie de l’outil |
| Acier dur (HRC 45-55) | 0.03-0.08 | Avance faible = réduit l’usure de l’outil, mais diminue le TEM |
| Fonte grise | 0.1-0.2 | Avance élevée = bon TEM, mais risque d’éclats de copeaux |
L’engagement radial est la portion du diamètre de l’outil qui est en contact avec la pièce, exprimée en pourcentage du diamètre de l’outil (%). Il est généralement compris entre 5 et 30 % pour les procédés trochoidal et dynamique.
| Plage de ae (%) | Compromis |
|---|---|
| 5-15 | Engagement faible = réduit les forces et la chaleur, mais diminue le TEM |
| 15-30 | Engagement moyen = équilibre entre TEM et durée de vie de l’outil |
| >30 | Engagement élevé = bon TEM, mais augmente les forces et la chaleur |
La profondeur de coupe axiale est la profondeur de l’outil dans la pièce, exprimée en millimètres (mm). Contrairement au fraisage conventionnel, où la profondeur de coupe axiale est limitée par l’engagement radial, les procédés trochoidal et dynamique permettent d’augmenter la profondeur de coupe axiale jusqu’à 2-3 fois le diamètre de l’outil.
| Plage de ap (mm) | Compromis |
|---|---|
| 0.5-1×D | Profondeur faible = réduit les forces, mais diminue le TEM |
| 1-2×D | Profondeur moyenne = équilibre entre TEM et durée de vie de l’outil |
| 2-3×D | Profondeur élevée = bon TEM, mais augmente les forces et la vibration |
La géométrie de l’outil est un facteur clé pour les procédés trochoidal et dynamique. Il faut choisir un outil avec :
Les procédés trochoidal et dynamique sont plus complexes à mettre en œuvre que le fraisage conventionnel. Voici les modes de défaillance les plus courants, comment les reconnaître et les résoudre.
La vibration est le problème le plus courant. Elle se reconnaît par un bruit anormal, une surface de la pièce rugueuse ou une usure excessive de l’outil.
Causes et solutions :
L’usure excessive de l’outil se reconnaît par une réduction de la qualité de la surface de la pièce ou une rupture de l’outil.
Causes et solutions :
La rupture de l’outil est un problème grave qui peut endommager la pièce et la machine. Elle se reconnaît par un arrêt soudain de la machine ou un bruit violent.
Causes et solutions :
Le bouchage des canaux de l’outil se reconnaît par une augmentation de la force de coupe ou une usure excessive de l’outil.
Causes et solutions :
Les procédés trochoidal et dynamique offrent de nombreux avantages, mais ils ne sont pas adaptés à toutes les applications. Voici les cas où il est préférable de ne pas les utiliser.
Pour des matériaux avec une dureté supérieure à HRC 60 ou très fragiles (comme la céramique ou le verre), les procédés trochoidal et dynamique peuvent causer des éclats de copeaux ou une rupture de l’outil. Dans ces cas, le fraisage conventionnel avec une vitesse de coupe très faible et une charge de copeau très faible est préféré.
Pour des géométries très simples (comme une rainure droite ou une surface plane), le fraisage conventionnel est plus rapide et plus facile à mettre en œuvre. Les trajectoires trochoidales ou dynamiques sont plus complexes à programmer et nécessitent un logiciel de FAO (fabrication assistée par ordinateur) adapté.
Les procédés trochoidal et dynamique nécessitent des machines suffisamment rigides pour éviter les vibrations et suffisamment de couple pour maintenir la vitesse de coupe constante. Pour des machines peu rigides ou à faible couple (comme les petits centres de perçage et taraudage GA-VT445), le fraisage conventionnel est plus adapté.
Pour des usinages nécessitant une précision supérieure à 0.005 mm, les procédés trochoidal et dynamique peuvent être moins précis que le fraisage conventionnel. En effet, les trajectoires courbes peuvent causer des erreurs de positionnement, et les vibrations peuvent dégrader la précision.
| Catégorie | Paramètre/Problème | Plage/Symptôme | Solution |
|---|---|---|---|
| Paramètres de coupe | Vitesse de coupe (Vc) | Aluminium : 1500-3000 m/min ; Acier doux : 150-300 m/min ; Acier dur : 80-150 m/min | Adapter à la machine : GA-DV750 (30000 tr/min) pour l’aluminium ; GA-MV856 (12000 tr/min) pour l’acier |
| Paramètres de coupe | Avance par dent (fz) | Aluminium : 0.1-0.3 mm/dent ; Acier doux : 0.05-0.15 mm/dent ; Acier dur : 0.03-0.08 mm/dent | Équilibrer TEM et durée de vie de l’outil |
| Paramètres de coupe | Engagement radial (ae) | 5-30 % du diamètre de l’outil | Réduire si vibration ; augmenter si TEM insuffisant |
| Paramètres de coupe | Profondeur de coupe axiale (ap) | 0.5-3×D | Réduire si rupture d’outil ; augmenter si TEM insuffisant |
| Dépannage | Vibration | Bruit anormal, surface rugueuse | Réduire ae ou fz ; choisir une machine rigide (GA-MV856, GA-UHD500) |
| Dépannage | Usure excessive de l’outil | Réduction de la qualité de surface | Réduire Vc ; augmenter fz ; changer de revêtement |
| Dépannage | Rupture de l’outil | Arrêt soudain, bruit violent | Réduire ae ou ap ; réduire fz |
| Dépannage | Bouchage des canaux | Augmentation de la force de coupe | Augmenter Vc ou fz ; choisir un outil à canaux larges |
Avant de lancer un usinage par fraisage trochoidal ou dynamique, vérifiez les points suivants :
Quelle est la différence entre le fraisage trochoidal et le fraisage dynamique ? Le fraisage trochoidal utilise des trajectoires circulaires ou spirales pour maintenir un engagement radial constant, adapté à des géométries régulières comme les poches ou les rainures. Le fraisage dynamique utilise des trajectoires plus fluides (courbes de Bézier, splines) pour adapter l’engagement radial et la charge de copeau à la géométrie de la pièce, aux propriétés du matériau et aux limites de la machine, ce qui le rend plus flexible.
Quelle machine Gree CNC est la plus adaptée au fraisage trochoidal de l’acier dur ? Le GA-UHD500 est particulièrement adapté : c’est un centre d’usinage 5 axes de haute précision avec une broche électrique de 37 kW, un couple de 130 Nm et une structure rigide, qui permet de maintenir des paramètres de coupe stables pour l’acier dur (HRC 45-55). Le GA-MV856 est une alternative économique pour des usinages moins exigeants.
Puis-je utiliser le fraisage dynamique pour l’usinage de l’aluminium ? Oui, c’est même une application idéale. Le fraisage dynamique permet d’augmenter le TEM de l’aluminium de 2 à 3 fois par rapport au fraisage conventionnel, tout en améliorant la durée de vie de l’outil. Les machines comme le GA-DV750 ou le GA-VT540, avec des broches à 20000-30000 tr/min, sont parfaitement adaptées.
Quelle est la durée de vie de l’outil dans le fraisage trochoidal par rapport au fraisage conventionnel ? En général, la durée de vie de l’outil est 2 à 5 fois plus longue dans le fraisage trochoidal que dans le fraisage conventionnel, pour un TEM équivalent. Cette amélioration s’explique par la réduction des forces de coupe, de la chaleur transférée à l’outil et des pics de contrainte.
Les procédés trochoidal et dynamique nécessitent-ils un logiciel de FAO spécifique ? Oui, la plupart des logiciels de FAO modernes (comme Mastercam, Siemens NX ou SolidWorks CAM) proposent des modules dédiés au fraisage trochoidal et dynamique. Ces modules permettent de générer des trajectoires optimisées, de simuler l’usinage et de vérifier les paramètres de coupe. Il est important de vérifier que votre logiciel est compatible avec votre machine Gree CNC.
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