CHOIX DES MÉTHODES, DES TRAJECTOIRES D'OUTILS, DES OUTILS DE FRAISAGE

Dans ce chapitre nous allons parler des stratégies d'usinage et des techniques de programmation. Dans de nombreux cas, le poids des habitudes en matière de programmation se fait lourdement sentir. La façon traditionnelle et la plus simple de programmer des trajectoires d'outils pour usiner une pièce est d'utiliser la technique du copiage qui induit de nombreuses entrées et sorties dans la matière. Elle est associée aux anciens types de fraiseuses à copier comportant un palpeur qui suit le modèle.

Ceci signifie souvent qu'on utilise de façon très limitée les logiciels, les machines et les outils de coupe dont on dispose aujourd'hui.

Les systèmes de CAO/FAO modernes peuvent être utilisés de façon beaucoup plus rationnelle si l’on fait table rase des anciennes méthodes de production, des outillages traditionnels et des vieilles habitudes de travail. L’adoption d’une approche moderne permettra au final des économies et des gains substantiels.

Si on utilise une technique de programmation permettant d’enlever de la matière avec une valeur Z constante en utilisant des trajectoires d’outils de contournage en combinaison avec du fraisage en avalant, le résultat sera le suivant :

Temps d’usinage considérablement réduit
Meilleure utilisation de la machine et des outils
Meilleure qualité géométrique de la matrice ou du moule
Réduction du polissage manuel et du temps de dressage

En appliquant ce concept et en le combinant avec des attachements et des outils de coupe modernes, l'expérience a prouvé que l’on pouvait réduire les coûts de production de moitié.

Au départ, la mise en oeuvre d’une nouvelle programmation plus détaillée prend plus de temps et est plus difficile. Il convienttoutefois de se poser la question suivante :

A quel endroit le coût horaire est-il le plus élevé ? Au département planification, à la programmation ou sur la machine ?

La réponse est claire puisque le coût horaire machine est souvent 2 à 3 fois supérieur au coût de programmation.

Une fois qu'on est habitué à cette nouvelle façon de travailler, le travail de programmation devient également plus routinier et plus rapide. En admettant qu'il reste plus long que pour la programmation de trajectoires d'outils de copiage, cet écart sera largement compensé par la réduction du temps d'usinage. L'expérience a prouvé qu'à long terme cette nouvelle méthode de programmation peut être plus rapide qu'une programmation conventionnelle.

COMPARAISON DE DEUX MÉTHODES DE PROGRAMMATION

La première gamme d'usinage présenté est une gamme issue des méthodes d'usinage "traditionnelle". Avec une approche s'approchant plus du copiage que de la programmation évoluée.

Gamme traditionnelle

N° OP	Parcours	Outil	Surep	Tolérance	Pas
1	Bi tangent	Ø50 z2	0.5	0.03	*
2	Plan // à 45°	Ø50 z2	0.6	0.03	4
3	Bi tangent	Ø32 z2	0.4	0.03	*
4	Bi tangent passes //	Ø20 z2	0.2	0.03	*
5	Plan // à 45°	Ø20 z2	0.3	0.03	0.89
6	Plan // à 45°	Ø16 z2	0	0.03	0.57

À partir des paramètres de coupe programmés, un temps théorique de réalisation peut être estimé. Ce temps ne prend pas en compte les paramètres machine comme l'accélération, ni les réactions de l'opérateur avec la régulation des avances au potentiomètre,

Les parcours outils étant soit en coupe continue (bi tangent) soit en coupe continue alternative (plan // en zig zag), les parcours en avance rapide sont très courts et les temps résultants considérés comme nuls.

N° OP	Long. travail	Long. rapid	Vf travail	Tps travail	Tps rapid	Tps total
1	2614	817	810	3	0	3
2	101154	80	810	125	0	125
3	2561	1428	985	3	0	3
4	203784	50	1799	113	0	113
5	39596	506	1799	22	0	22
6	813859	352	3396	240	0	240
						506

Le temps total de réalisation est donc de 8 heures 26 minutes. Ce temps ne prend pas en compte le découpage des programmes par les opérateurs notamment au niveau des parcours bi tangents qui peuvent être répétés plusieurs fois de suite.

Gamme UGV

La gamme utilisée pour la réalisation de la pièce est la suivante :

N° OP	Parcours	Outil	Surep	Tolérance	Pas
1	Ébauche en z	Ø63 R6 z5	0.5	0.03	2
2	Reprise eb Z et //	Ø20 z2	0.2	0.03	2
3	Reprise fond	Ø63 R6 z5	0.2	0.03	20
4	Reprise rayons	Ø16 z2	0.2	0.03	1.5
5	Finition Z Constant et //	Ø16 z2	0	0.03	0.57
6	Finition fond	Ø63 R6 Z5	0	0.03	15

Les parcours outils étant soit en coupe continue (usinages en z ou // 3D), les parcours en avance rapide sont très courts et les temps résultants considérés comme nuls.

N° OP	Long. travail	Long. rapid	Vf travail	Tps travail	Tps rapid	Tps total
1	67358	300	2274	30	0	30
2	93922	2127	2387	39	0	39
3	2820	195	2274	1	0	1
4	6482	2062	3482	2	0	2
5	329943	4224	4775	69	0	69
6	2616	197	1263	2	0	2
						143

Le temps total de réalisation est donc de 2 heures 23 minutes. Ce temps n'implique aucune manipulation de la part de l'opérateur au pied de la machine pour découper le programme en différents niveaux en z.

Au total, cela représente un gain de 6 heures d'usinage sur la machine (soit un gain de 72 % en temps d'usinage).

OUTILS DE COUPE HAUTES -PERFORMANCES POUR L'ÉBAUCHE À LA FINITION

Au préalable :

Etudier avec soin la géométrie de la matrice ou du moule.
Définir les rayons minimum et les profondeurs de poches maximum.
Estimer grossièrement la surépaisseur d'usinage.Il est important de comprendre que l'ébauche et la semi-finition d'un moule ou d'une matrice de grandes dimensions sont réalisées de façon beaucoup plus rentable et productive avec des méthodes et un outillage conventionnels alors que la finition est nettement plus performante en utilisant l'Usinage Grande Vitesse (UGV).Ceci s'explique par le fait que le débit copeaux est beaucoup plus faible en UGV qu'en usinage conventionnel à l'exception de l'usinage de l'aluminium et des matériaux non ferreux.

La préparation et la fixation de l'ébauche sont de la plus haute importance car toujours sources de vibrations. Ceci est tout particulièrement vrai en UGV. Dans le cas de l'usinage 5 axes, il est souvent nécessaire d'avoir recours à ces dispositifs de fixation avec un serrage par en dessous. Les plaques et l'ébauche doivent être positionnées avec des goupilles ou des centreurs.Si l’on décide de réaliser l’ébauche et la finition sur des machines distinctes, l’emploi d’un support transférable d’une machine à l’autre peut s’avérer être une bonne solution. De cette façon, le moule ou la matrice est fixé en toute fiabilité.

Le processus d’usinage doit être divisé au moins en trois opérations : ébauche, semifinition et finition, voire parfois super-finition (la plupart du temps réalisée en UGV). Les opérations de reprise sont bien évidemment incluses dans la semi-finition et la finition.

Chacune de ces opérations doit être réalisée avec des outils de coupe spécifiques et optimisés en fonction de l’opération.
En usinage de moules et matrices conventionnel, ceci signifie généralement :

Ebauche Fraises à plaquettes rondes, fraises à rainurer à grands rayons

Semi-finition Fraises à plaquettes rondes, fraises toroïdales, fraises à bout sphérique
Finition Fraises à plaquettes rondes (si possible), fraises toroïdales, fraises à bout
sphérique (principalement) Reprise Fraises à bout sphérique, fraises à rainurer, fraises toroïdales et fraises à plaquettes rondes.
En UGV, le schéma peut être le même, en particulier si les moules et matrices sont de grandes dimensions.

Pour les plus petites tailles, maximum 400 x 400 x 100 et dans l’acier à outil traité, les fraises à bout sphérique (principalement en carbure) sont habituellement le choix prioritaire pour toutes les opérations. Il est toutefois possible d’améliorer la productivité en utilisant des fraises à plaquettes indexables aux propriétés spécifiques telles que les fraises à plaquettes rondes, les fraises toroïdales et les fraises à bout sphérique. Chaque cas mérite d’être analysé…

Pour obtenir une productivité optimale, il est également important d’adapter la taille de la fraise et des plaquettes à la taille du moule ou de la matrice et de l’opération à réaliser. L’objectif principal est d’avoir une surépaisseur d’usinage constante pourchaque outil et chaque opération. Cela veut dire qu’il est souvent préférable d’avoir recours à différents diamètres de fraises, en partant du plus grand vers le plus petit, et ce plus particulièrement en ébauche et en semi-finition, plutôt que d’utiliser un seul diamètre de fraise pour chaque opération. On doit toujours avoir pour ambition de s’approcher aussi près que possible de la forme définitive du moule ou de la matrice à chaque opération réalisée.

Une surépaisseur d’usinage répartie uniformément garantit également une productivité élevée et fiable. La vitesse de coupe et l’avance pourront être maintenues à un haut niveau et la profondeur de coupe sera constante. Il en résultera une baisse des variations mécaniques et de la charge sur l’arête de coupe qui à leur tour entraîneront une diminution de la chaleur et de la fatigue ainsi qu’une augmentation de la durée de vie d’outils.

Outre l’augmentation de la vitesse de coupe et de l’avance, une surépaisseur d’usinage constante permettra de fiabiliserle processus de production. Ainsi, certaines opérations de semi-finition et la quasi totalité des opérations de finition pourront être entièrement automatisées.

Une surépaisseur d’usinage constante est également une des conditions préalables à l’UGV.

Un autre avantage d’une surépaisseur d’usinage constante est un impact moins
négatif sur les guides, les vis à billes et les paliers de broche de la machine-outil. Il est aussi d’une grande importance de toujours adapter la taille et le type de fraise à la taille de la machine-outil.

CHOIX DES FORMES D'OUTIL

Si le fraisage ébauche d’une cavité est réalisé avec une fraise 2 tailles, l’opération de semi-finition pour enlever la de l’outil qui, à son tour entraînera une matière restante, en forme de marches d’escalier, sera importante. Il en résultera des forces de coupe variables et une flexionsurface inégale en finition, ce qui risque d’influer sur la précision géométrique du moule et de la matrice.

Par contre, on utilise des plaquettes rondes pouvant travailler dans toutes les matières et dans toutes les directions, les transitions entre les passes se feront en douceur et la surépaisseur d’usinage subsistant pour la semi-finition sera moins importante et répartie plus uniformément. Il en résulte une meilleure qualité du moule ou de la matrice.

Une des caractéristiques des plaquettes rondes est qu’elles engendrent une épaisseur de copeaux variable. Ceci permetd’augmenter l’avance par rapport à la plupart des autres formes de plaquettes. Par ailleurs, les plaquettes rondes engendrentune coupe sans à coup car l’angle d’attaque passe successivement d’une valeur proche de zéro (passes très peuprofondes) à 90°. Avec une profondeur de coupe maximale, l’angle d’attaque est de 45° et en copiage extérieur, cet angle peut atteindre 90°. Ceci explique également la résistance des plaquettes rondes – la charge sur l’arête de coupe est progressive.

Les plaquettes rondes doivent toujours être considérées comme un choix prioritaire pour l’ébauche et la semi-finition. Elles sont particulièrement adaptées à l’usinage sur machines 5 axes.

Avec une bonne programmation, les fraises à plaquettes rondes et les fraises toriques peuvent remplacer dans une large mesure les fraises hémisphériques. La productivité peut être quintuplée voire décuplée (comparée aux fraises à bout sphérique).

Les fraises à plaquettes rondes présentant un faible saut axial peuvent, en combinaison avec des géométries de coupe légères, positives, rectifiées, être utilisées pour la semi-finition et certaines opérations de finition.

Par contre, les fraises boules sont indispensables pour réaliser la semi-finition et de la finition de formes 3D complexes . Notamment car elles permettent d’assurer un meilleur enlèvement de matière dans toutes les zones de la pièce.

STRATÉGIE D'USINAGE

Chaque logiciel propose ses stratégies d'usinage. Il est donc difficile de dégager une généralité applicable à tout les systèmes. Dans la suite de cette page nous nous contenterons de présenter plus ce qui devrait être utilisé pour l'usinage UGV. Nous rappelons que la stratégie d’usinage est le choix des mouvements de l’outil nécessaires à la réalisation de la forme attendue. Très simple, quand il s’agit d’une opération de surfaçage en usinage conventionnel, la stratégie d’usinage peut être plus compliquée dans le cas de l’usinage d’une poche ou d’une pièce 3D en UGV. Principalement, l’attention se focalise sur le mouvement de l’outil en contact avec la pièce, pour réaliser la forme attendue, et sur les modes d’entrée et de sortie de la matière.

ENTREES ET SORTIES EN UGV

Il est important en usinage grande vitesse de garantir le plus souvent possible une continuité de l’usinage pour assurer une continuité des sollicitations mécaniques appliquées à l’outil.

DECOMPOSITION DE LA GAMME D'USINAGE

Comme nous l'avons déjà mentionné, la charge sur l'outil doit être aussi constante que possible. Les opérations d'usinages vont donc se décomposer en 4 phases distinctes visant à respecter ces prescritions.

Ebauche : dans cette étape on va chercher un maximum de matière en un minimum de temps, tout en assurant une charge constante sur L'outil.
Semi Finition cette étape est certainement la plus délicate du processus. Car elle doit permettre d'amener les parties usinées à une sur-épaisseur la plus constante de matière. Ceci afn d'assurer un usinage de la finition réalisé dans les meilleurs conditions possibles. Les difficultés de ces opérations résident dans le faite que les opératiosn d'ébauches et de reprise d'ébauches ont laissé une quantité de matière non constante sur la pièce.
Finition : étape de finition permettant d'amener les surfaces usinées à la côte nominale.
Reprise : étape permettant principalement avec des outils de type boule de petits diamètre d'enlever les dernières parties résiduelles de matière.

METHODES D'USINAGE DES ANGLES

La méthode traditionnelle d'usinage des coins consiste à utiliser des mouvements linéaires (G1) avec des transitions discontinues dans les angles. En d'autres termes, la fraise doit être ralentie en arrivant au niveau des angles du fait des limites dynamiques des axes linéaires. Il y aura même un arrêt très court avant que les moteurs puissent modifier la direction d'avance.

Comme la vitesse de rotation de la broche reste constante, cela entraîne des frottements et une chaleur excessive. Si on usine de l'aluminium ou un autre alliage léger par exemple, il peut y avoir des marques de brûlure ou le métal peut même commencer à brûler du fait de cette chaleur. L'état de surface peut être détérioré non seulement au plan optique mais aussi au plan structurel pour certains matériaux, et être hors tolérances.

En usinage traditionnel d'angles, le rayon de l'outil est identique au rayon de la pièce, ce qui engendre une longueur de contact et une flexion maximum.

Il en résulte souvent des vibrations qui sont proportionnelles à la longueur de l'outil.

Les efforts de coupe résultant de ces vibrations engendrent également souvent une contre dépouille au niveau de l'angle. Il existe évidemment un risque d'écaillage des arêtes de coupe ou de rupture de l'outil.

Il existe des solutions à ce problème, entre autres :

Utiliser une fraise avec un plus petit rayon pour produire le rayon voulu sur le moule ou la matrice.
Utiliser l'interpolation circulaire (G2, G3, CIP) pour produire le rayon. Ce type de mouvement n'engendre auncun arrêt entre les blocs et permet des transitions en douceur diminuant les risques de vibration.
Une autre solution consiste a produire un rayon d'angle plus important que celui indiqué sur le plan, toujours par interpolation circulaire. Ceci peut être favorable dans certains cas lorsqu'on utilise un grand diamètre de fraise en ébauche pour conserver une productivité optimale.
La surépaisseur d'usinage dans les angles peut ensuite être usinée par reprise en interpolation circulaire avec un plus petit rayon de fraise. La reprise des angles peut également être réalisée en fraisage axial. Il est important d'employer une bonne technique de programmation avec entrée et sortie de pièce en douceur. Il est important de réaliser cette reprise comme une opération de semi-finition, ce qui donnera une surépaisseur régulière et une bonne productivité en finition. Si la cavité est profonde (long porte-à-faux), la profondeur de coupe ap/ae devra être maintenue assez faible pour éviter flexion de l'outil et vibrations (ap/ae de 0,1-0,2 mm environ pour les applications d'UGV dans de l'acier à outils traité).

Si on utilise une technique de programmation basée sur l'interpolation circulaire (ou interpolation NURBS) donnant à la fois des trajectoires d'outils ainsi que des avances et des vitesses continues, il est alors possible de faire tourner la machine avec des vitesses, des accélérations et des décélérations beaucoup plus élevées. Ceci peut se traduire par des gains de productivité de l'ordre de 20 à 50 % !

FRAISAGE EN PENTE ET INTERPOLATION CIRCULAIRE

La capacité de plongée est un avantage pour de nombreuses opérations. Alésages, cavités ainsi que contours peuvent être usinés efficacement. Les fraises à surfacer à plaquettes rondes sont robustes et offrent une dépouille importante sur le corps de fraise. Ceci les amènent à réaliser diverses opérations de fraisage/perçage. Leur capacité de fraisage en pente avec avances élevées ainsi que leur possibilité de descendre profondément font des fraises à plaquettes rondes l'outil idéal pour les formes compliquées, le fraisage de profils sur machines cinq axes et l'ébauche sur machines trois axes par exemple.

En fraisage en pente, l'opération démarre du centre de la pièce vers l'extérieur de la cavité pour faciliter l'évacuation des copeaux et la dépouille. Etant donné que les fraises sont limitées en matière de profondeur de coupe axiale, l'angle de pente doit être vérifié en fonction du diamètre des fraises.

L'angle de pente dépend du diamètre de la fraise utilisée, de la taille des plaquettes et de la profondeur de coupe. Une fraise de 32 mm avec plaquettes de 12 mm et profondeur de coupe de 6 mm, peut fraiser une pente de 13° tandis qu'une fraise de 80 mm pourra fraiser un pente de 3,5° dans les mêmes conditions.

L'importance de la dépouille dépend également du diamètre de fraise.

Une autre méthode utilisée principalement en usinage de moules et matrices consiste à réaliser une interpolation hélicoïdale. Cette méthode offre de nombreux avantages lors de l'usinage de trous de grand diamètre. Tout d'abord, un grand diamètre peut ainsi être usiné avec un seul et même outil ;
ensuite le fractionnement et l'évacuation des copeaux ne posent généralement pas de problème avec cette méthode, principalement grâce au petit diamètre de l'outil comparé au diamètre de l'alésage à usiner, et enfin les risques de vibrations sont réduits. Dans l'idéal, le diamètre de l'alésage à usiner doit être le double de celui de l'outil.
Ne pas oublier non plus de vérifier l'angle de pente maximum autorisé pour la fraise lorsque vous faites de l'interpolation hélicoïdale.

Ces méthodes conviennent tout particulièrement pour les machines à broche instable et en cas de longs porte à faux car les efforts de coupe se font principalement dans le sens axial.

METHODES D'USINAGE D'UNE POCHE

Les poches sont généralement usinées par niveaux. C'est à dire que l'outil va atteindre une côte en Z et ensuite d'usiner la surface de la poche . le nombre de passe en Z dépendra de la profondeur de la poche.

A. Pré-perçage au départ. Les coins peuvent être pré-percés également. Cette méthode n'est pas recommandée car elle nécessite un outil supplémentaire, ce qui entraîne des temps de changements d'outils et d'indexation improductifs supplémentaires.

Cet outil supplémentaire mobilise également une position supplémentaire dans le magasin outil. Du point de vue de l'usinage, les variations des forces de coupe et de la température lorsque la fraise traverse ces avant-trous dans les angles sont négatives. De même, le recyclage des copeaux augmente lorsqu'on utilise la technique des avant-trous.

B. Si on utilise une fraise à bout sphérique, à plaquettes ou en carbure monobloc, il est courant de faire un cycle de perçage avec débourrage pour atteindre une profondeur de coupe axiale maximale et ensuite de fraiser la première couche de la cavité. Cette opération est ensuite répétée jusqu'à ce que la cavité soit finie. L'inconvénient de cette méthode au démarrage est l'évacuation des copeaux au centre de la fraise en bout. Plutôt que le perçage avec débourrage, il est recommandé d'atteindre la pleine profondeur de coupe axiale en faisant de l'interpolation hélicoïdale. Il est alors également important d'aider à l'évacuation des copeaux.

C. Une des meilleures méthodes consiste à faire du fraisage en pente linéaire en X/Y et Z pour atteindre la pleine profondeur de coupe axiale. A noter que si l'on choisit le bon point de départ, il ne sera pas nécessaire d'usiner la pente ultérieurement.

L'opération de fraisage en pente peut se faire de l'intérieur vers l'extérieur ou de l'extérieur vers l'intérieur en fonction de la pièce à usiner. Le critère de choix principal sera comment se débarrasser au mieux des copeaux. Le fraisage en avalant doit être pratiqué en continu. Lorsqu'on prend un nouvel engagement radial, il est important de réaliser une légère interpolation circulaire. Pour les applications d'UGV, ceci est un point très important.

D. Si on utilise des fraises à plaquettes rondes ou des fraises à rainurer avec capacité de fraisage en pente, une autre méthode consiste à ouvrir la poche en interpolation hélicoïdale et à continuer en suivant les conseils donnés au point C. Cependant si le logiciel de programmation le permet il est préférable de garder la solution C. En effet cette interpolation hélicoïdale génère un allesage qui va donner par la suite lors de l'usinage des plans une zone déjà évidée; donc une variation de la quantité de la charge sur l'outil donc une situation d'usinage plus défavorable.

Merci d'envoyer vos commentaires à : usinage5axes@free.fr

page principale | lisez moi !