Procedes de Fraisage

Institut Supérieur

des Etudes Technologiques de Radès

DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE

Production 1 Enseignants Mme Ghozlane Mehdia Mr Hajri Helmi

Chapitre 3

Procédés de Fraisage

Classes L1-GMi

Sommaire I.

INTRODUCTION ................................................................................................................................................. 3

II.

MACHINES DE FRAISAGE ................................................................................................................................... 4

A.

CINEMATIQUE ........................................................................................................................................................... 4

B.

CLASSIFICATION ........................................................................................................................................................ 4 1.

Fraiseuses d’outillage ...................................................................................................................................... 4

2.

Les fraiseuses de production ....................................................................................................... ..................... 4

3.

Les fraiseuses spéciales ............................................................ .......................................................................................................................... ........................................................................ .......... 5

C.

LES AXES D’UNE FRAISEUSE .......................................................................................................................................... 5

III.

GENERATION DE SURFACES EN FRAISAGE ......................................................................................................... 6

IV.

TYPES ET MODES DE TRAVAIL ............................................................................................................................ 7

A.

FRAISAGE EN ROULANT ............................................................................................................................................... 7 1.

En avalant (concordance) ................................................................................................................................ 7

2.

En opposition ................................................................................................................................................... 9

B.

FRAISAGE EN BOUT .................................................................................................................................................... 9

C.

FRAISAGE COMBINE ................................................................................................................................................. 10

V.

LES OUTILS........................................................................................................................................................11

A.

MATERIAUX ........................................................................................................................................................... 11

B.

ELEMENTS CONSTITUTIFS .......................................................................................................................................... 11

C.

PRINCIPAUX ELEMENTS D ’IDENTIFICATION .................................................................................................................... 12

D.

LES OUTILS LES PLUS COURAMMENT UTILISES ................................................................................................................ 13 1.

Outils monobloc (en ARS) .............................................................................................................................. 13

2.

Outils en carbure........................................................... ............................................................................................................................ ................................................................................. ................ 14

E.

PORTES OUTILS ....................................................................................................................................................... 15 1.

Mandrin porte fraise ................................................................................................................... ................... 15

2.

Pince porte fraise ........................................................................................................................................... 15


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3. VI.


Mandrin de perçage....................................................................................................................................... 16

MISE EN POSITION DES DES PIECES.........................................................................................................................17

A.

VII.

PORTES PIECES ........................................................................................................................................................ 17 1.

Etau ......................................................... .......................................................................................................................... ....................................................................................................... ...................................... 17

2.

Eléments modulaire ....................................................................................................................................... 17

3.

Bridage ............................................................... ................................................................................................................................ ............................................................................................ ........................... 18

4.

Plateau diviseur ............................................................................................................................................. 19

5.

Plateau circulaire ........................................................................................................................................... 19

CONDITIONS ET PARAMETRES DE COUPE .........................................................................................................20

A.

PARAMETRES THEORIQUES ........................................................................................................................................ 20

B.

PARAMETRES UTILES AU REGLAGE DE LA MACHINE .......................................................................................................... 20

C.

EFFORT DE COUPE.................................................................................................................................................... 20

D.

DETERMINATION DE LA COURSE MINIMALE ................................................................................................................... 21

VIII. ANALYSE DUN PROCESSUS OPERATOIRE EN FRAISAGE ....................................................................................21


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I.


Introduction

Le fraisage est un procédé de mise en forme par enlèvement de matière, sous forme de copeaux, sur une machine outil appelée fraiseuse.

Figure 1: Machine de Fraisage

En fraisage, l’enlèvement de la matière résulte de la combinaison de deux mouvements :

Rotation de l’outil (appelé fraise) et il s’agit du mouvement de coupe noté Mc ; Avance de la pièce à usiner et il s’agit du mouvement d’avance noté M f .

Figure 2 : Mouvement de coupe et Mouvement d'avance en fraisage


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II.


Machines de fraisage A.

Cinématique

Figure 3 : Cinématique d'une fraiseuse

B.

Classification

La classification des fraiseuses peut être comme suit : 1.

Fraiseuses d’outillage

Généralement se sont les fraiseuses universelles (FU). Elles tirent leur nom de la position variable que peut prendre l'axe de la broche porte-outil et de la variété des surfaces qu'elles sont susceptibles d'usiner (surfaces planes, cylindriques, hélicoïdales, de forme, etc.) Les fraiseuses universelles peuvent travailler avec l'axe fraise horizontal, par fixation d'une tête universelle l'axe broche peut prendre une position verticale ou oblique.

Figure 4 : Fraiseuse universelle

2.

Les fraiseuses de production

Destinées au travail en méthode série. On peut trouver t rouver dans cette catégorie : Les fraiseuses horizontales (FH): l’axe de la broche est parallèle à la surface de la table : Procédés de Fraisage

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Les fraiseuses verticales (FV): l’axe de la broche est perpendiculaire à la surface de la table. Les fraiseuses raboteuses : destinées au fraisage de face des pièces lourdes et encombrantes. Ce sont des machines à têtes multiples dont chacune à sa commande individuelle du mouvement de coupe. Dans cette catégorie on peut trouver également les fraiseuses à cycle, à programme, à commande numérique, centre d’usinage. 3.

Les fraiseuses spéciales

À reproduire, à banc fixe,…

C.

Les axes d’une fraiseuse

Afin de décrire la trajectoire suivie par l’outil pour usiner l a pièce, un système d’axe est normalisé.

Ces axes sont notamment utilisés pour écrire des programmes de commande numérique. On doit toujours savoir reconnaître la broche d’une machine afin d e placer correctement les axes qui sont comme suit : L’axe Z correspond à l‘axe de broche qui est l’axe de rotation de la fraise, L’axe X correspond à l’axe perpendiculaire à Z et qui permet le plus grand déplacement de la table

de la fraiseuse, L’axe Y correspond à l’axe perpendiculaire à Z et X et déterminé en utilisant la règle du trois doigts.

Le sens positif est donné suivant cette règle : la pièce étant la référence, l’outil s’éloignant de la pièce est en mouvement suivant le sens positif des axes. Les axes Z, X et Y définissent une base en 3 dimensions.

Figure 5 : Les axes d’une fraiseuse


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III.


Génération de surfaces en fraisage Opération

Surfaçage

Schéma de la pièce usinée

Exemples d’outils

Fraise rouleau ; Fraise cloche

Epaulement

Fraise 2 tailles

Rainurage

Fraise 3 tailles à dentures alternées (rainure droite); Fraise 3 tailles à dentures droites (rainure droite) ; Fraise à 2 lèvres (coupe au centre)

Rainurage en T

Fraise pour rainure en T

Perçage

Foret

Queue d’aronde

Fraise conique type A

Poche

Fraise à 2 lèvres (coupe au centre)


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IV.


Types et modes de travail

On distingue trois types de travail : Fraisage en roulant dit aussi de profil ou de forme ; Fraisage en bout dit aussi de face ou d’enveloppe ; Fraisage combiné avec prédominance en bout ou en roulant.

A.

Fraisage en roulant

On appelle fraisage en roulant lorsque l’axe de la fraise est parallèle à la surface de la table.

Figure 6 : Fraisage en roulant

La surface usinée est le résultat d’une translation d’une génératrice linéaire G selon la droite Δ. La qualité

géométrique dépend : De la rectitude de la trajectoire M f ; De la rectitude des génératrices de la fraise. L’épaisseur maximale du fraisage en roulant est de 0.05 mm.

Pour le fraisage en roulant, la surface usinée présente une série d’ondulations laissées par les dents de la fraise : celles-ci dépendent de l’avance et du diamètre de l’outil.

Figure 7 : Surface usinée e n fraisage en roulant

1.

En avalant (concordance)

On dit un fraisage en roulant en concordance, lorsque le mouvement d’avance et le mouvement de coupe

sont dans le même sens.


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Figure 8 : Fraisage en roulant en avalant 



Les efforts F 1 et F 2 tendent à pousser la pièce vers ses appuis ; La fraise ne glisse pas au début sur la surface de coupe ; La dent pénètre dans la pièce en détachant détachant une épaisseur de coupe maximale ; Le jeu axial de fonctionnement vis-écrou est constamment rattrapé. Solution favorable pour l’obtention d’une bonne rugosité ;

La rugosité Ra = 1.6 à 3.2 ; Le fraisage en concordance nécessite des machines munies d’un dispositif de rattrapage de jeu dans le

système vis-écrou. Lorsque la vis commandant l’avance tourne, le contact a lieu sur les flans a’b’. La poussée due à la coupe tend à assurer le contact sur les flancs ab.

Figure 9 : Système de rattrapage de jeu

Si la poussée due à la coupe était constante le contact se ferait en permanence sur les flancs a b, mais comme il y a des irrégularités dans la coupe, c'est la vis qui devient l'élément moteur et les contacts s'effectuent en a'b’ d'où les à -coups et les vibrations préjudiciables à la vie de l'outil. Règle : Le fraisage en concordance nécessite des machines munies d'un dispositif de rattrapage de jeu dans le système vis et écrou de commande des déplacements de table.


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2.


En opposition

On dit un fraisage en roulant en opposition, lorsque le mouvement d’avance s’oppose au mouvement de

coupe.

Figure 10 : Fraisage en roulant en opposition 



Les efforts F 1 et F 2 tendent à soulever la pièce de sa fixation ; La fraise glisse au début sur la surface de coupe sans l’usiner ; L’épaisseur du copeau est nulle au début de l’attaque (en A) et maximal à la sortie de la dent, il s’en suit que le métal est écroui jusqu’à ce que l’épaisseur devienne égale à l’épaisseur du copeau taillé

minimal ; Provocation des à-coups si la dent suivante n’attaque pas avant que la précédente quitte le métal ; Le jeu axial de fonctionnement vis-écrou n’est pas rattrapé. L’outil travaille dans de moins bonnes conditions ;

La rugosité Ra = 3.2 à 6.4 ; Ce mode de travail peut être employé sur n’importe quelle machine.

B.

Fraisage en bout

On appelle fraisage en bout lorsque lo rsque l’axe de la fraise est perpend iculaire à la surface de la table.

Figure 11 : Fraisage en bout

L’aspect d’une surface usinée en fraisage en bout est caractérisé par une série de courbes sécantes

appelées cycloïdes correspondant à la trace laissé par les dents de la fraise sur la pièce.


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Figure 12 : Surface usinée en fraisage en bout

Suivant la position de la fraise par rapport à la pièce (déport) (déport) le mode de travail est en opposition ou en concordance. En opposition

En concordance

Schéma

Zone AB

deux dents en prise simultanément

une seule dent en prise

Zone BC

une seule dent en prise

deux dents en prise simultanément

Sur une machine non munie de dispositif de rattrapage de jeu dans le système vis et écrou, il faut obligatoirement que l'outil travaille en opposition. En travail de face, le déport doit entraîner une prédominance du fraisage en opposition. Conclusion

Précision en travail de finition : Qualité 7 et 8 sur les dimensions ; Rugosité Ra = 1.6 (plus rarement 0.8) Planéité : dépend de la précision du réglage et du diamètre de la fraise.

C.

Fraisage combiné

er

1 cas : Fraisage combiné prédominance en bout : La surface F1 est fraisée en bout et la surface F2 est fraisée en roulant. 2ième cas : Fraisage combiné prédominance en roulant : La surface F1 est fraisée en roulant et la surface F2 est fraisée en bout.


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Figure 13 : Fraisage combiné

V.

Les outils A.

Matériaux

Les outils existent en : Acier rapide (ARS (AR S : Acier Rapide Supérieur) : sont utilisées pour des petites séries. Leur utilisation est rentable pour les usinages engendrant des vibrations ou des chocs relativement importants à l’outil. Ils conviennent bien aux matériaux à copeaux longs : aluminium, laiton, plastique… En plaquettes carbure métallique : les parties actives sont des mises rapportées en carbure à savoir : Les plaquettes brasées ;  

B.

Les plaquettes amovibles à jeter dont les principales principales formes et dimensions dimensions sont normalisées ;

Eléments constitutifs

Les outils utilisés en fraisage sont des outils à tranchant multiples constitués d’un corps et d’une partie active : Le corps est le solide de révolution assurant la liaison avec le mandrin porte-outil et supportant la denture (taillée ou rapportée) ; La partie active est liée au corps cor ps constituée de l’ensemble de la denture taillée sur la périphérie du solide de révolution.


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Figure 14 : Eléments Eléments constitutifs d’une fraise

Sur la partie active figure les faces de coupe et de dépouille ainsi que les arêtes de coupe et le bec de l’outil .

Figure 15 : Faces et arêtes de l’outil

C.

Principaux éléments d’identification

Nombre de tailles

Type de denture

1 taille ;

Droite ;

2 tailles ;

Hélicoïdale ;

3 tailles.

Alternée


Types de fixation

A queue cylindrique ; Conique (CM) ; À alésage ; À taraudage.

Sens de l’hélice

A droite ; A gauche ;

Le type d’usinage

Finition, Ebauche.

A coupe positive ou négative.

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D.

Les outils les plus couramment utilisés 1.

Outil


Outils monobloc (en ARS)

Désignation

Opérations

Outil

Désignation

Opérations

Fraise rouleau

Surfaçage en roulant

surfaçage : Fraise cylindrique 2T à trou lisse

*en bout ; *en roulant ; *Combiné à prédominance en bout

Fraise cylindrique 2T à queue lisse

Rainurage de profil

Fraise à rainurer à 2 dents coupe au centre

* Rainurage

Fraise 3T à denture alternée

Rainurage (qualité usuelle

Fraise pour rainure en T à queue filetée

Rainurage en T

Fraise 3T expansible à denture alternée

Rainurage (qualité usuelle obtenue : 7-8)

Fraise conique type A à queue lisse


obtenue ≥ 9)

Queue d’aronde

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2. Visualisation


Outils en carbure Identification

réalisées

Fraise à surfacer

Surfaçage en bout

Fraise à surfacer et à dresser

Surfaçages combinés à prédominance en bout

Fraise à rainurer

Fraise 3 tailles à dentures alternées


Types d’opérations

Schéma d’usinage

Rainurage de profil

Rainurage en bout

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E.


Portes outils 1.

Mandrin porte fraise

2.

Pince porte fraise


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3.



Mandrin de perçage

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VI.


Mise en position des des pièces A.

Portes pièces 1.

Etau

L’étau convient essentiellement pour la liaison de pièces aux formes simples et régulières. La mise en

position répétitive des pièces est, dans certains cas, assez peu précise, ce qui limite son utilisation en fabrication sérielle. En revanche il est très employé en fabrication unitaire.

2.

Eléments modulaire

Des palettes comportant des appuis plan ligne ponctuels….permettent de préparer la mise en position de la

pièce en dehors de la machine et de positionner l’ensemble a 0.01mm prés .


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3.


Bridage a)

Bridage par bride à vis

Les points de positionnement réalisant l’isostatisme seront placés de manière a s’opposer aux efforts de

coupe, le système de bridage évitant à la l a pièce de glisser dans l’autre sens tout en ne la l a déformant pas. Pour un bridage efficace a>b (effort de la vie appliqués sur la pièce) et h1>h pour que la bride appuie en pleine pièce et n'affaisse pas le coin.


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b)


Bridage par clame

Les plaques entièrement usinées sur le dessus sont serrées latéralement par des clames.

c)

Bridage par aspiration

Une dépression est effectuée sous l’appui plan et plaque la pièce (Pour petits efforts ou grande surface).

d)

Bridage par plateau magnétique

Un plateau magnétique lie par aimantation la pièce à la machine. 4.

Plateau diviseur

Un diviseur est un appareil qui se fixe sur la table de la fraiseuse et permet la création de pignons, engrenages... La pièce à travailler est insérée entre le diviseur et une contre poupée. La manivelle alidade du diviseur et un disque comportant un certain nombre de trous permet la taille du nombre de dents désiré de la pièce. Depuis l'apparition des 5 axes à commandes numériques et surtout des machines spécialisées dans les tailles d'engrenage, ces dispositifs sont en voie de disparition.

5.

Plateau circulaire

Le plateau circulaire permet d’obtenir : Des surfaces de révolution cylindrique et conique, en fraisage de profil, généralement inférieures à 360° ; Des positions angulaires pour des opérations de perçage, et d ’alésage ; Des polygones réguliers ou irréguliers.


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VII.


Conditions et paramètres de coupe

Les conditions de coupe sont établies à partir des hypothèses suivantes : Rigidité de la pièce et de l’outil ; Nuance et géométrie de la partie coupante de l’outil adaptées à la matière à usiner ; Lubrification correcte de l’arête de coupe ;

Durée de vie des fraises en acier rapide : 90 minutes ; Durée de vie des fraises en carbure métallique : 45 minutes ; L’épaisseur minimale en fraisage en roulant est de 0.05 mm ; Un décalage de 0.05. D de l’axe de la fraise par rapport à l’axe de la pièce.

A.

Paramètres théoriques

Diamètre de la fraise : D (mm) Profondeur de passe : p (mm) Largeur fraisée : e (mm) tel que e

2 

3

. D

Nombre de dents : Z Vitesse de coupe : V c (m/min) Avance par tour et par dent : f z (mm/tr.dent) Avance par tour : f (mm/tr) tel f



Z . f Z

Rayon du bec de l’outil r : 

Géométrie de l’outil

B.

Paramètres utiles au réglage de la machine Vitesse de rotation ou fréquence de rotation N (tr/min) tel que N Vitesse d’avance : V f (mm/min) tel que V f

C.



N . f



N . f z . Z





1000.V c

D

 .

1000.V c . Z . f z

D

 .

Effort de coupe

La direction de la résultante r ésultante des forces est variable en intensité est en orientation puisque l es dents de la fraise tournent. On peut approximer le point d'application de cette force a la moitie du segment d'enlèvement de copeau Les forces varient suivant l’épaisseur du copeau, le choc d’engagement, la

pression spécifique de coupe etc. et génèrent des vibrations Cependant l’étude des efforts permet de réaliser un bridage efficace.


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D.


Détermination de la course minimale

: Position initiale

C = L + MN 2

: Position finale C : la course (mm) ;

Avec OM =

L : longueur de la pièce (mm) ; p : profondeur de passe (mm) ; D : diamètre de la fraise (mm).

2

2

Or ON + MN = OM

Donc MN =

D

et ON = X =

2

1 2

.

D 2

Et par suite C = L +



1 2

Et finalement C = L +

.

4 X

D

D

2

- p

2

2 

4 X

2

p  D p  

VIII. ANALYSE DUN PROCESSUS P ROCESSUS OPERATOIRE EN FRAISAGE Réalisation d’un épaulement droit dans un prisme en XC 38, largueur 150 mm .

Les données du problème Ra =3.2 impose un travail de face ; les intervalles de tolérances dimensionnelles et la tolérance de forme,

nous autorisent à réaliser l’usinage en une seule passe sur une fraiseuse universelle.


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Choix Choix de l’outil fraise et réglage 

L’acier XC 38 (Rm= 650 N/m) est usinable avec une fraise 2 tailles en acier rapide nuance 6-5-2.

Diamètre de la fraise : il est conseillé de choisir un diamètre de fraise > 25 compris entre 1,2 X l et 1,6 X 1 (1 : largueur de la surface à usiner) : Ø = 40 X 1,5 = 60 mm On choisit une fraise Ø = 63 mm à alésage lisse, nombre de de dents : Z = 8, 



Régler la fraise dans le porte fraise et la monter dans la broche de la fraiseuse après vérification de la, perpendicularité de la broche avec la table 0

Choix du porte-pièce

La pièce a utorise un serrage en étau ou un ablocage sur table. L’ablocage sur table se prête ; mieux à l’obtention du parallélisme. 

Les brides ne doivent pas gêner la l a trajectoire de l’outil.



Mettre la pièce en appui sur 2 cales d’alignement logées dans une rainure d e la table

Recherche des conditions de coupe Matériaux

Acier R≤800N/mm

e s i a r F Ø

Fonte grise HB ≤190

Alliages légers sans silicium

Alliages cuivreux 60
32

0.05 à0.1

0.07 à 0.1

0.05 à 0.12

0.06 à 0.1

40

0.06 à0.12

0.07 à 0.12

0.05 à 0.14

0.07 à0.12

50

0.06 à 0.14

0.07 à 0.14

0.05 à 0.16

0.07 à 0.12

63

0.07 à 0.16

0.08 à 0.16

0.06 à 0.18

0.08 à 0.14

80

0.08 à 0.2

0.01 à 0.2

0.08 à 0.22

0.09 à 0.20

Avance

1. Par dent fz : elle varie suivant le diamètre de la fraise et la rugosité souhaitée, le tableau donne les valeurs de fz pour un usinage avec une fraise à surfacer en acier rapide. On choisit : fz=0,1 mm/tr/dent 2. Avance par tour : f = fz X Z = 0,1 X 8 = 0,8 mm/tr


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3. La profondeur de passe p=1mesurée - 26

4. La vitesse de coupe Pour un travail lubrifié :

V C C = 30 m/min

5. La fréquence de rotation de la broche N



1000.V C

D

 .

6. L’avance en millimètre par minute Compte tenu du nombre de tours disponibles sur la broche ( Nd =160 tr/min) : V f



f .N d = 0,8 X 160 =128 mm/min

On choisit la valeur va leur égale ou immédiatement inférieure. Régler Nd et V f sur la machine. Régler la position de la fraise par rapport à la pièce en faisant la tangente et en repérant les positions sur les tambours gradués.


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