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Modélisme/CNC/Recettes/Vitesses de coupe et d'avance

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Introduction

Cet article n'est qu'une ébauche. Vu la difficulté de trouver des informations pour un usage de hobbyiste, tous les tests sont encore à faire.

Vaste débat pour soirée lubrifiée ... euh arrosée, mais qui ne mène généralement guère plus loin que les certitudes individuelles de chacun. La documentation qu'on trouve sur internet ne concerne que du matériel professionnel, avec des fraises standardisées et pour des matériaux standardisés, bref, rien d'utile pour couper du bois, du plastique ou de l'alu avec du matériel chinois.

J'ai entendu, de trop nombreuses fois, que la meilleure solution est de tourner au maximum de la vitesse et d'avancer lentement - résultat garanti. Et pourtant, la réponse à de telles affirmations est FAUX et FAUX ! Ca n'a pas plus de sens que de faire hurler son moteur de voiture en 1ère, au lieu de passer la 4ème.

D'autres prétendent que le bon indice est la vitesse de coupe. Là encore: FAUX. La vitesse de coupe par dent serait déjà plus correcte, et une scie circulaire de 30cm de diamètre, diamantée, n'a pas le même refroidissement qu'une fraise de 2mm. La vitesse de coupe est très variable selon l'outil et la façon dont on s'en sert (ex. profondeur de coupe). Toutes les tabelles proviennent d'observations pour un usage bien précis, et ne peuvent pas être appliqués aveuglément à un autre usage.

Il y a 3 phénomènes distincts à comprendre

vitesse de coupe trop lente vitesse de coupe trop rapide résonance
  • l'outil tape (s'entend facilement)
  • les copeaux sont grossiers et mal détachés de la matière
  • l'outil casse s'il ne peut plus évacuer les copeaux
  • la surface usinée affiche des escaliers
  • le bruit peut être correct à strident
  • les copeaux deviennent très poussiéreux - bloquent le parcours de l'outil
  • l'outil chauffe et peut laisser des marques de brûlure
  • selon le matériau, on peut sentir une odeur particulière
  • les fils (tranchant) de l'outil s'usent prématurément
  • l'outil change de couleur (gris anthracite) - devient très cassant
  • la surface usinée n'est pas propre (laisse des fils)
  • sifflement strident
  • phénomène lié à l'outil (diamètre, texture), sa vitesse de rotation et le matériau
  • laisse des marques radiales à chaque passe
  • fragilise l'outil
  • détruit les fils (tranchant) de l'outil
  • peut apparaître même si la vitesse de coupe est correcte

Pour rester simple, le principe de base est de chercher la vitesse de coupe la plus lente, afin d'éviter de faire chauffer l'outil. Pour cela, il faut préalablement fixer une vitesse d'avance, puis affiner la vitesse de rotation. Voici quelques vitesses d'avance que j'utilise pour commencer:

  • pcb, MDF (fraise de 1mm): 150 mm/min
  • bois dur (fraise > 1mm): 300 mm/min
  • bois tendre, contreplaqué (fraise > 2mm): 800 mm/min

Ensuite, faire des tests avec des passes dont la profondeur = diamètre de la fraise (pour du bois).

  • commencer vers 15'000 RPM
  • puis descendre par tranche de 1'000 RPM jusqu'à ce qu'on commence à entendre la fraise taper - ça se voit aussi assez bien
  • finalement, remonter progressivement la vitesse de rotation jusqu'à obtenir un bruit et un fini acceptable
  • plus l'outil est gros, plus la plage de vitesse de rotation doit être précise
  • ne pas oublier que la plupart des matériaux ont une densité très variable

Le temps perdu pour cette opération est très nettement inférieur au temps qu'on perd ensuite à poncer les bavures.

Il en ressort finalement 2 indices importants:

  • le CL (chip load): la charge en copeaux que l'outil peut absorber
  • le hm: la taille moyenne des copeaux

C'est finalement assez logique. Si les copeaux sont trop gros, ils bourrent la fraise, qui se met à sauter (escaliers). Si les copeaux sont trop fins (poussière), donc mal évacués, la fraise se met à chauffer. On doit trouver la bonne taille de copeau et la bonne quantité que la fraise puisse dégager.

Il paraît que ... (non vérifié)

  • si la profondeur est de 2x le diamètre de la fraise, diviser l'avance par 1.5
  • si la profondeur est de 3x ou plus le diamètre de la fraise, diviser l'avance par 2
  • pour un outil en carbure, on peut appliquer un CL de 1.2 ~ 1.3 fois celui du HSS
  • pour un outil en TiN (et autres variantes), on peut appliquer un CL de 1.5 ~ 2.0 fois celui du HSS

Recettes

matériau outil type Ø [mm] avance [mm/min] profondeur / passe [mm] RPM chip load hm [mm]
contreplaqué de bouleau carbure tungstène hélicoïdale 2 flutes 3.175 800 1~1.5 x d (3.175 ~ 5) 14'000 0.090 (0.085 ~ 0.010) 0.029 (0.027 ~ 0.039)

Exemples

Essais dans du contreplaqué de bouleau. Vieux morceau bien humide. Le dessin n'est pas prévu pour faire une jolie pièce, mais uniquement pour évaluer les bordures. La poche n'était pas assez grande pour dégager la coupe.

Sous-plats en hêtre embouti-collé de 19mm. Ce bois est d'une densité très variable, surtout sur les collages. Très difficile de trouver la bonne vitesse.

  • je ne m'étais pas encore intéressé aux calculs de vitesse, et le CL est encore trop élevé (0.016 - recommandé 0.005)
  • fraise extra-longue de 2.5 / 22 mm
  • la friction est telle sur les collages que je doute qu'on puisse en déduire une règle générale
  • 10'000 RPM (bas), pour éviter de brûler sur la colle
  • passes à 2mm - encore trop importantes (trop de deflection, d'où les marques blanches / noires)

La théorie

d [mm] diamètre de l'outil tool diameter
Z nombre de dents number of teeth
ae [mm] profondeur de coupe radiale (latéral) radial depth
ap [mm] profondeur de coupe axiale (profondeur) axial depth
Vc [m/min] vitesse de coupe cutting speed
Vf [mm/min] vitesse d'avance feed speed
f [mm] avance par tour de l'outil feed per rev
fz [mm] avance par tour / dent feed per tooth
n [t/min] fréquence de rotation spindle speed
Q [cm3/min] débit de copeaux material removal rate
CL charge en copeaux chip load
hm [mm] taille moyenne des copeaux average chip thickness

Références