Comment choisir la bonne fraise pour un proiet CNC

Choisir la bonne fraise avant de démarrer votre fraiseuse numérique peut être une tâche assez complexe. De nombreuses variables entrent en jeu, telles que la longueur de la fraise, la géométrie, le type de profil, le matériau, tandis que plusieurs compromis doivent être envisagés : performances, coût, état de surface, durée de vie de l'outil,...

"Qu'est-ce qu'une fraise en fait, est-ce que c'est comme un forêt ?"

C'est une question habituelle qui se pose puisque les terminologies sont souvent confondues, mais la réponse est non.

Un foret est conçu pour plonger directement dans le matériau et créer des trous uniquement, tandis qu'une fraise peut couper latéralement dans le matériau et créer des fentes ou des profils. En outre, la plupart des fraises sont conçues pour être à "coupe au centre", ce qui signifie qu'elles peuvent également plonger dans le matériau et ce qui les rend beaucoup plus polyvalentes que les forêts.

Cet article a pour but d'expliquer les bases de la science des fraises en bout tout en répondant à la question que vous devez probablement vous poser : quelle fraise utiliser sur ma fraiseuse numérique ?

Trois facteurs principaux vont influencer votre choix :

• Quel type de formes et de profils voulez-vous découper (contour 2D, formes complexes 3D, trous, rainures...) ?
• Quel matériau voulez-vous fraiser ?
• Quels sont vos objectifs en termes de performance et de finition, tout en gardant un coût acceptable pour votre budget et en restant dans les limites de capacité de votre machine ?

Les réponses à ces questions vous aideront à déterminer la géométrie de l'outil à utiliser, en fonction de votre type de projet, du matériau à découper et de la finition de surface souhaitée. Intéressons-nous d'abord à la théorie et répondons ensuite à ces questions à l'aide d'exemples réels.

Les principales caractéristiques utilisées pour décrire une fraise sont illustrées sur l'image ci-dessous (en anglais). 

En plus de ces caractéristiques géométriques, les fraises sont caractérisées par leur type, le nombre de dents, le matériau (et le revêtement). Ainsi, dans un catalogue classique, le fraisage en bout ci-dessus serait décrit comme :

• Type : tête plate (flat end)
• Nombre de dents : 4
• Matériau : carbure (solid carbide)
• Diamètre de queue : 6mm
• Diamètre de coupe : 6mm
• Longueur totale : 50mm
• Longueur de coupe: 22mm
• Angle d'hélice : 45°

Chacune de ces caractéristiques a une influence directe sur le comportement de la fraise lors d'une ​opération d'usinage et sur les possibilités de découpe en termes de performances et de formes.

▶  Quelle taille de fraise choisir ?

Imaginez que vous vouliez fraiser une poche très profonde à l'intérieur d'une pièce très haute. Vous aurez besoin d'un long outil pour pouvoir usiner le fond sans que le mandrin de votre fraiseuse n'entre en collision avec le matériau. En d'autres termes, la longueur de votre fraise sera déterminée par la profondeur à laquelle elle doit pénétrer dans le matériau. Le concept associé à cette observation est appelé “stickout”. Il est défini par la distance entre l'extrémité du porte-outil et la pointe de la fraise.

Gardez également à l'esprit que la profondeur de coupe ne doit jamais dépasser la longueur des dents de votre fraise. Si la profondeur de coupe dépasse la longueur des dents, les copeaux ne s'évacueront pas correctement, la chaleur s'accumulera et vous risquerez d'endommager votre outil.

À ce stade, il peut sembler judicieux d'acheter des moulins finaux aussi longs que possible pour avoir la flexibilité de les utiliser dans plus de situations, n'est-ce pas ? En fait, ce n'est pas le cas, parce que plus le "stickout" est grand, moins l'outil est rigide. S'il dépasse trop et que vous l'utilisez de manière trop exigeante, les forces de coupe le feront fléchir, c'est ce que l'on appelle la “déflection d'outil.”

La déflection d'un outil peut être très problématique puisqu'elle induit :

En bref, les fraises plus courtes sont moins chères et plus rigides. Gardez donc les extra-longues pour les opérations où elles sont vraiment nécessaires.

▶  Diamètre de coupe et de queue

Le diamètre de votre outil aura une incidence directe sur les profils que vous pourrez couper. Supposons que vous vouliez fabriquer une boîte et l'assembler à l'aide de joints à 90°.

Comme votre outil est un cylindre avec un certain rayon, il ne sera pas possible de le faire tel quel. En effet, l'outil laissera un profil circulaire dans chaque coin interne, avec un rayon égal à la moitié de son diamètre. Plus le diamètre de votre fraise est grand, plus le rayon de ce profil circulaire est grand. Pour surmonter ce problème, les opérateurs de la CNC utilisent ce qu'on appelle des "dog bones”. Les dog bones décrivent la forme d'un angle qui se prolonge en dehors de la zone de coupe pour créer un angle parfait à 90º.

D'autre part, l'augmentation du diamètre de votre outil offre deux avantages principaux.

Tout d'abord, il rend votre outil plus rigide, ce qui vous permettra d'effectuer des coupes plus profondes tout en minimisant la déviation de l'outil. Beaucoup plus rigide d'ailleurs, puisqu'une augmentation du diamètre d'un facteur 2x augmentera sa rigidité d'un facteur 16x.

Ensuite, il améliore votre taux d'enlèvement de matière, puisque la fraise peut enlever plus de matière par unité de temps lorsqu'elle se déplace à l'intérieur du matériau, ce qui vous permet d'optimiser certaines opérations et de faire le même travail plus rapidement.

▶  Combien de dents ma fraise doit-elle avoir ?

Les dents sont les côtés saillants en spirale qui permettent la formation et l'évacuation des copeaux. Elles sont la partie de l'anatomie de la fraise qui crée ces arêtes tranchantes.

Le nombre de dents est un paramètre crucial pour la sélection de votre fraise - la réponse dépend principalement du type de matériau que vous voulez usiner, ainsi que des capacités de votre machine. En pratique, ce facteur aura un impact sur :

• la vitesse d'avance de votre machine,
• l'état de surface de votre pièce usinée, et
• la capacité de l'outil à évacuer les copeaux.

La vitesse d'avance est en effet directement liée au nombre de dents de votre fraise : si vous ajoutez des dents, vous devrez augmenter la vitesse d'avance, ou diminuer la vitesse de rotation de votre broche, pour maintenir une épaisseur de copeaux constante. Ainsi, en fonction des capacités de vitesse de votre fraiseuse numérique et de votre broche, vous devrez peut-être choisir une fraise avec moins ou plus de dents.

Si vous n'êtes pas familier avec ces concepts, nous vous recommandons de consulter notre article sur les vitesses d'avance.

De plus, le fait d'avoir plus de dents sur un outil crée des coupes plus douces (ayant donc un meilleur état de surface), mais laisse également moins d'espace pour l'évacuation des copeaux. Cela peut être négligé si vous coupez des matériaux souples, mais pas du tout si vous coupez de l'aluminium par exemple. La raison en est que l'aluminium produit de très gros copeaux par rapport à d'autres matériaux. Ainsi, lorsque la fraise est en train d'usiner un trou ou une fente, ses dents constituent un chemin crucial pour que les copeaux puissent s'échapper.

Cela explique pourquoi il est recommandé d'utiliser des fraises à 1 ou 2 dents dans l'aluminium, car elles offrent un meilleur dégagement pour les copeaux qu'une fraise à 4 dents par exemple, où les copeaux se bloqueront progressivement, chevauchant les arêtes coupantes de votre outil et le pouvant à terme le casser.

En résumé, moins de dents pour une meilleure évacuation des copeaux, et plus de dents pour obtenir une meilleure finition.

▶ Quel angle d'hélice pour ma fraise CNC ?

Les fraises génériques ont généralement un angle d'hélice d'environ 30°. L'augmentation de l'angle d'hélice permet de réduire les forces de coupe et la quantité de chaleur et de vibrations générées pendant le processus de fraisage. Par conséquent, les fraises à angle d'hélice plus élevé ont tendance à produire une meilleure finition sur la pièce à usiner.

Malheureusement, il y a un compromis à faire. La fraise sera plus faible et ne pourra pas supporter de grandes profondeurs de coupe avec des vitesses d'avance élevées. Les fraises à angle d'hélice inférieur sont donc plus résistantes, mais elles donnent un fini de surface moins lisse.

Il existe autant de types de fraises que d'opérations de coupe possibles : profilage, contournage, rainurage, contre-alésage, perçage,... Voici un bref aperçu des principales.

• Les fraises à bout carré sont les plus courantes et peuvent être utilisées pour de nombreuses applications de fraisage, notamment le rainurage, le profilage et l.
• Les fraises à rayon d'angle ont des coins légèrement arrondis qui aident à répartir les forces de coupe de manière uniforme pour éviter d'endommager la fraise et prolonger sa durée de vie. Elles peuvent créer des rainures à fond plat avec des coins intérieurs légèrement arrondis.
• Les fraises de dégrossissage/d'ébauche sont utilisés pour enlever rapidement de grandes quantités de matériaux lors d'opérations plus exigeantes. Leur forme spéciale réduit fortement vibrations mais laisse une finition plus rugueuse.
• Les fraises à queue conique sont des outils à coupe centrale qui peuvent être utilisés en plongeant dans la matière, et sont conçues pour usiner des fentes en angle. Elles sont généralement utilisées dans l'usinage de moules.
• Les fraises hémisphériques ont des extrémités arrondies et sont utilisées pour fraiser des formes 3D ou des rainures arrondies.
• Les fraises à rainure en T peuvent facilement découper des rainures de clavettes et des rainures en T précises pour créer des tables de travail ou d'autres applications similaires.
• Les fraises droites ont une hélice de zéro degré.  Elles fonctionnent bien pour les matériaux où l'effet de soulèvement de dents en spirale (avec un angle) pourrait provoquer des résultats indésirables, comme avec le bois, les plastiques et les composites.

Lorsque votre fraiseuse numérique fait tourner la fraise dans le sens des aiguilles d'une montre, le sens de l'hélice des dents détermine si les copeaux sont éjectés vers le haut ou vers le bas de la pièce. 

Les fraises à coupe ascendante sont les plus conventionnelles, elles éjectent les copeaux de la matière, ce qui est une caractéristique très importante pour la plupart des opérations de fraisage sur de nombreux matériaux différents. Elle présente un inconvénient si vous voulez couper des matériaux stratifiés, car elle laisse un fini de surface moins bon sur le dessus de la pièce.

Une fraise à coupe descendante a l'avantage de pousser les copeaux vers le bas, laissant une coupe plus propre sur le dessus.

Combinez une coupe ascendante et descendante et vous obtenez une fraise à compression, où les dents sont ascendantes pour la partie inférieure de la longueur de la fraise et descendante pour la partie supérieure.  Cette caractéristique en fait un très bon candidat pour couper le contreplaqué, les composites et les stratifiés. Essayez d'en utiliser une pour couper une plaque de contreplaqué en un seul passage, et vous devriez obtenir des bords plus nets des deux côtés.

Cette section pourrait mériter un article entier, alors restons concis et parlons des deux principaux matériaux utilisés lors la fabrication des outils de coupe : le HSS et le carbure.

• Le "High-Speed Steel" (HSS) pour "Acier Rapide" (AR opu ARS) est le moins cher des deux, il offre une bonne résistance à l'usure et peut être utilisé pour fraiser de nombreux matériaux, tels que le bois, les métaux...
• Les fraises en carbure de tungstène : plus chères que les fraises en HSS, mais elles offrent une meilleure rigidité et peuvent être utilisées 2 à 3 fois plus rapidement que les fraises en HSS. Elles sont également extrêmement résistantes à la chaleur, ce qui les rend parfaitement adaptées au fraisage de matériaux plus durs.

Les fraises en carbure valent-elles leur prix supérieur alors ? Oui, sans aucun doute !

Comme elles peuvent fonctionner bien plus vite qu'avec le HSS, elles augmenteront considérablement la productivité de votre machine. Elles sont aussi plus durables et ont une durée de vie d'outil plus longue.

Un autre moyen facile d'augmenter les performances de vos broyeurs finaux est d'ajouter un bon revêtement. Le plus courant, le TiAlN (nitrure d'aluminium et de titane), vous permettra de couper 25 % plus vite en moyenne sans dépenser trop d'argent.

Si vous ne vous souciez pas trop des performances, prenez dans tous les cas des fraises en carbure pour les diamètres de 8 mm ou moins, mais envisagez l'utilisation de HSS pour les grosses fraises afin de réaliser des économies, lorsque la rigidité de l'outil peut être compensée par son plus grand diamètre. De plus, si vous commencez avec le fraisage CNC, n'oubliez pas que vous pouvez faire des erreurs et casser quelques fraises avant d'obtenir le résultat souhaité, autant le faire avec des fraises HSS également.

Répondons à présent à nos questions d'introduction avec un exemple concret : je veux fraiser un petit plat à nourriture.

• Quelles formes allez-vous devoir fraiser pour obtenir cet objet ? Cet objet nécessitera de fraiser une poche et un contour.
• Quel type de matériau ? Je veux le faire en chêne.
• Quels sont vos objectifs en termes de performances et de finition, tout en restant dans les capacités de votre fraiseuse numérique ?
  Je veux faire un petit lot de 10 pièces, donc j'essaie d'optimiser le temps d'usinage dans des limites raisonnables.

D'après ces observations je sais qu'il me faut:

• Un type de fraise à tête plate pour obtenir une belle surface plane à l'intérieur de la poche.
• Je vais opter pour un diamètre de 8 mm, valeur assez grande parce que je ne veux pas perdre trop de temps à enlever toute cette matière et parce que les coins intérieurs sont déjà conçus pour être arrondis.
• Je vais utiliser une fraise carbure assez courte également, par exemple de 30 mm de long, car le chêne est un bois dur et j'aurai besoin de la rigidité nécessaire pour maintenir une vitesse d'avance élevée.
• Comme la poche est assez peu profonde et que les copeaux s'évacuent facilement, je choisirai une fraise à 3 dents avec un angle d'hélice de 45° pour obtenir la meilleure finition possible et passer peu de temps à finir à la main.

Le premier exemple est assez simple, mais il illustre comment la compréhension de quelques concepts clés peut guider vos décisions et vous aider à améliorer rapidement la qualité des pièces que vous usinez. Cela vous aidera également à prolonger la durée de vie de vos outils et à optimiser le rendement de votre machine lorsque les performances sont importantes.