Les vitesses d'avance et de rotation en CNC

Comprendre les vitesses d'avance et de rotation est essentiel si vous souhaitez améliorer vos compétences en usinage. Cela vous permettra d'optimiser vos vitesses d'usinage, d'obtenir de meilleurs états de surface et surtout de prolonger la durée de vie de vos outils.

Si vous utilisez des fraises achetées chez Mekanika, vous pouvez accéder aux avances et vitesses pré-paramétrées pour Autodesk Fusion 360 ici.

• Le terme “Speeds” se réfère à la vitesse de rotation de votre broche, exprimée en tr/min (tour par minute) ou rpm. Déterminer la bonne vitesse de rotation, c'est surtout déterminer à quelle vitesse vous pouvez faire tourner votre outil sans le surchauffer pendant la coupe.
  
• Le terme “Feeds” se réfère à la vitesse d'avance, qui représente la vitesse linéaire de la machine, souvent exprimée en mm/min. L'optimisation de votre vitesse d'avance consiste à maximiser la quantité de matière que vous fraiser par unité de temps, le plus vite sera le mieux en général.
  

Par conséquent, pour obtenir des avances et des vitesses correctes, il “suffit” de trouver le point idéal où votre outil tourne à la vitesse parfaite par rapport à sa vitesse de déplacement à l'intérieur du matériau.

Ce point idéal peut avoir différentes significations selon votre objectif : obtenir la meilleure finition, usiner vos pièces le plus rapidement possible ou maximiser la durée de vie de votre outil.

Ces concepts peuvent être résumés visuellement sur un graphique, où la vitesse d'avance est tracée en fonction de la vitesse de rotation de la broche, et qui nous aide à identifier 6 zones différentes.

Comme illustré ci-dessus, il y a principalement deux zones problématiques à éviter. La première se produit lorsque vous réduisez trop la vitesse de votre broche par rapport à l'avance. Ce faisant, vous forcez les dents de votre fraise à couper trop de matière, ce qui peut entraîner des vibrations indésirables ou pire, un outil cassé.

De l'autre côté du graphique, si vous réduisez trop la vitesse d'avance par rapport à la vitesse de rotation de la broche, les dents de votre fraise se mettront à frotter la matière au lieu de couper de beaux copeaux.

Cette action fera surchauffer votre outil et il va donc le ramollir. Ses arêtes vives deviendront émoussées et si vous continuez à couper avec des arêtes émoussées, vous commencerez à déterriorer la surface de votre matériau.

Une règle de bonne pratique est de toujours se rappeler qu'il faut faire des copeaux, pas de la poussière.

La question qui se pose maintenant est la suivante : comment trouver les meilleurs paramètres de fraisage pour un matériau donné ?

Le paramètre qui relie ces concepts et qui est largement utilisé comme métrique pour déterminer les vitesses optimales est appelé l'épaisseur de copeau (chip load).

L'épaisseur de copeau, aussi appelé “avance par dent”, est l'épaisseur de matériau qui est coupée par chaque dent au fur et à mesure que l'outil se déplace dans la pièce.

La charge de copeaux est exprimée en  mm/dent et peut être trouvée à l'aide de l'équation suivante : 

Vitesse d'avance =  N  x  Epaisseur de copeau x  Rpm

où N est le nombre de dents de la fraise et Rpm est la vitesse de rotation de la broche.

Illustrons ce concept et imaginons que vous vouliez découper du contreplaqué avec une fraise de 6 mm à 2 dents. Dans notre cas, l'épaisseur de copeau recommandée pour le contreplaqué est d'environ  0,1mm/dent (cf. le tableau Epaisseur de copeaux - Avancé situé à la fin de cet article)

Fixons arbitrairement la vitesse d’avance à 2 000 mm/min. En utilisant la première équation, nous constatons que la broche doit tourner à 10 000 tr/min pour obtenir l'épaisseur de copeau appropriée :

2 000 = 2  x  0,1  x  10 000

Sur la base de cette relation mathématique, nous observons que si nous voulons augmenter la vitesse d'avance pour couper notre contreplaqué plus rapidement, nous devrons également augmenter la vitesse de rotation de la broche pour garder une épaisseur de copeau constante :

4 000 = 2  x  0,1  x  20 000​

Imaginons maintenant que notre broche ne puisse pas tourner à plus de 5000 tours/minute. Nous pouvons toujours augmenter la vitesse d'avance en utilisant une fraise à 3 dents afin de garder l'épaisseur de copeau constante :

3 000 = 3  x  0,1  x  10 000

Sur la base de ces connaissances, nous pouvons maintenant utiliser des tableaux qui nous permettront de calculer nos vitesses d'avance afin d'obtenir une épaisseur de copeau optimale pour tout matériau.

Avant de plonger dans les chiffres et les valeurs, gardez en têt que les variables suivantes influencent fortement la qualité de vos coupes et l'épaisseur de copeaux atteignable sur une même machine.

Fixation de la pièce

Serrez toujours votre pièce de la meilleure façon possible. Une pièce mal fixée vibrera pendant la découpe et provoquera un mauvais état de surface.

Si vous n'êtes pas sûr de votre serrage, utilisez des vis à bois pour fixer votre pièce en de nombreux points sur le martyr. Ce n’est peut-être pas la façon la plus élégante pour maintenir votre pièce en place, mais au moins c’est efficace.

Dureté du matériau

Au plus le matériau que vous souhaitez usiner sera dur, au plus ce dernier causera de déflection sur votre outil.

Pour des matériaux durs (Aluminium, Corian, bois exotique, etc…) il faudra donc être patient et utiliser de plus petites profondeurs de passe ou réduire la vitesse d'avance.

Affûtage de l'outil

Une fraise est un outil tranchant. Ça peut sembler logique, mais au plus vous allez l’utiliser, au plus elle va s’émousser et donc moins elle coupera.

Par conséquent, nous vous conseillons de réduire vos vitesses d’avances pour des fraises déjà usées si vous souhaitez garder un état de surface correct. Une autre solution est de la remplacer ou de la faire affûter (si possible).

Profondeur de passe

Suivant la profondeur de passe que vous souhaitez imposer à l’outil, il vous faudra également adapter la vitesse d’avance. 

Une règle générale consiste à effectuer des passes d'environ la moitié du diamètre de la fraise. Mais n'oubliez pas, comme indiqué ci-dessus, que certains matériaux plus complexes ou plus durs nécessitent une profondeur de coupe plus faible (les exemples typiques sont l'aluminium et le plexiglas...).

But for most of the materials:

Profondeur <  ½  x Diamètre de l'outil

Engagement de l'outil

Certains usinages engagent la fraise sur plus d’ ¼ de sa circonférence. Bien qu'efficaces pour retirer de la matière, ces usinages ne permettent pas à l’outil de se refroidir correctement. Par conséquent, ce dernier peut surchauffer et s’émousser plus rapidement.

Vous m’aurez vu venir, pour ce genre d’opération, réduisez votre vitesse d’avance ou votre profondeur de passe pour laisser plus de temps à votre outil pour refroidir.

Faible taux d'engagement	Haut taux d'engagement

Épaisseur de copeaux pour débutants

Les vitesses d’avance sont calculées grâce à la formule donnée plus haut. Si vous le désirez, le calculateur de charge de copeaux de Fusion360 est très pratique et vous donne l'épaisseur de copeau pour une vitesse d'avance et de rotation données.

Cet outil nous permet ainsi de tester différentes valeurs d’avance et de vitesse de rotation, tout en gardant un œil sur notre épaisseur de copeau.

Si vous êtes novice, nous vous conseillons de commencer par utiliser des valeurs d’épaisseur de copeaux plus faibles et de les augmenter avec l’expérience. Dans le tableau suivant, les  valeurs sont volontairement faibles afin de vous permettre de vous familiariser avec votre CNC et de “pardonner” les erreurs de débutant (profondeur de passe trop importante, mauvais paramétrage des opérations, etc…) 

Pour vous faciliter le travail, nous vous avons déjà traduit ces valeurs en vitesse d'avance, pour une vitesse de broche de 20,000 rpm et une fraise 3 dents.

 

Ces valeurs sont un bon point de départ pour découvrir la CNC. Une fois que vous gagnerez en assurance, augmentez doucement les épaisseurs de copeaux en vous basant sur le tableau 
“Epaisseur de copeaux - Avancé".”

Epaisseur de copeaux - Avancé

Un facteur important à prendre en compte lors de la lecture de ces tableaux est le diamètre de l'outil. En effet, une fraise plus large sera capable d'usiner un copeau plus important.

Voici un tableau d'épaisseur de copeaux que vous pourrez utiliser quand vous aurez pris plus de confiance et que vous serez prêts à optimiser vos vitesses d'usinages.

 

Nous vous recommandons de commencer par régler la vitesse d'avance de votre machine en dessous de la valeur indiquée par le tableau et de l'augmenter progressivement. En général, vous constaterez que vos vitesses d'avance optimales seront déterminées par expérience et tâtonnements. Par exemple, pour la plupart des matériaux, vous pourrez généralement régler la vitesse de la broche entre 15000-24000 tr/min et ajuster votre vitesse d'avance pour obtenir de bons états de surface.

De même, nous vous suggérons d'augmenter progressivement la profondeur de vos passes tout en faisant des tests régulièrement. En effet, une profondeur de passe excessive engendrera une déflexion de votre outil (voir cet article pour comprendre en quoi cela peut être problématique).

La plupart des utilisateurs de CNC utilisent leur expérience pour déterminer la valeur de la profondeur de passe pour une situation particulière.