Comparaison des outils à bout plat (End mill) et à bout sphérique

L’usinage des métaux est une technique de mise en forme par enlèvement de matière très développée et très répandue, La coupe des métaux fait intervenir de très nombreux phénomènes mécaniques, thermiques et métallurgiques d’une très grande violence .

La coupe est caractérisée par une grande déformation du matériau entre son état de matériau de base et son état de copeau. Cette déformation se fait à l’état plastique pour tous les métaux ductiles; seuls les matériaux fragiles conduisent à une rupture interne du copeau qui provoque une fragmentation en fines particules. Ce phénomène est essentiellement mécanique, il se produit sous des efforts exercés par l’outil sur le copeau.

L’écoulement de copeau sur la face d’attaque de l’outil provoque un glissement sous forte pression résultant des actions mécaniques décrites ci-dessus. Entre la face interne de coupe et l’outil, le phénomène de frottement qui résulte du mouvement relatif provoqué par la coupe à deux conséquences :
– Les efforts aux contacts du copeau et de l’outil résultent des propriétés frottantes des deux matériaux.
– Le glissement avec frottement provoque une usure de l’ outil.

Les phénomènes thermiques sont la conséquence des précédents, le glissement interne de la matière s’accompagne d’un fort échauffement dans la masse du copeau et le glissement avec frottement du copeau sur la face de l’outil provoque un échauffement du copeau et de l ‘outil. Ces phénomènes ont des conséquences sur : le frottement outil copeau, les propriétés mécaniques du matériau de l’ outil et les propriétés mécaniques, chimiques et métallurgiques du matériau à usiner.

Les phénomènes métallurgiques affectant la surface usinée sont la conséquence des phénomènes thermiques, mécaniques et tribologiques. Parmi ces phénomènes on retrouve l’écrouissage superficiel, le changement de la microstructure des différentes couches superficielles de l’élément usiné, la création des tensions résiduelles, etc.

Conditions de coupe 

Lors de l’usinage, plusieurs paramètres sont tenus en compte. L’application des paramètres appropriés améliore la qualité de la pièce finie. Pour cette raison, une étude approfondie de ces conditions de coupe doit être considérée.

Stratégies de coup

L’étude des stratégies de fraisage est un aspect important pour le choix de la stratégie adéquate à chaque géométrie usinée. Elles ont une influence significative sur la qualité de la surface, sur le temps de cycle et elles peuvent réduire le coût d’usinage de 30% .

Les recherches suivantes se sont concentrées sur l’étude des stratégies de coupe et particulièrement lors de l’usinage de surfaces complexes, tout en essayant d’optimiser le processus de coupe.

En fraisage à grande vitesse le processus de planification et de choix de machine-outil est altéré par l’anomalie entre le temps de cycle idéal et réel. Monreal et Rodriguez [ 4] ont établi une méthodologie pour prédire le temps de cycle durant une opération de fraisage à grande vitesse en mode Zigzag et ils se sont intéressés à l’influence de l’orientation de cette trajectoire sur ce temps de cycle.

A.Ramos, Relvas et Simoes [5] ont analysé les stratégies radiale, raster et 3D offset lors de l’usinage d’une hélice. Cette étude démontre l’importance des stratégies d’usinage pour mesurer la rugosité (Ra) de la surface. Pour les différentes stratégies étudiées, le temps d’usinage était presque le même. Il a été conclu que la stratégie 3D offset est la meilleure parmi ces stratégies, elle a permis d’avoir le meilleur fini de surface, la meilleure texture et le meilleur contrôle dimensionnel. La rugosité mesurée pour la stratégie Radial et Raster était de 11 à 25% plus grande que celle mesurée en 3D offset.

Orientation de l’outil 

Il est possible de produire des pièces précises en utilisant un fraisage triaxial conventionnel mais un fraisage en 5-axes permet d’améliorer cette précision. Pour cette raison il a été utilisé par H.K Tonshoff [2] pour produire des moules et des matrices et par Tae-soon Lim [8] pour produire un éventail de lame de turbine.

Au cours de ces dernières années, l’effet de l’orientation de l’outil sur la rugosité de surface a été étudié par divers chercheurs. Baptista et An tune Simoes [ 6] ont conclu qu’une orientation vers le bas de l’outil et un angle de la pièce entre 10° et 20° produisent la plus grande vie d’outil et la meilleure rugosité. Ils démontrent que la rugosité de la surface est améliorée avec une inclinaison dans la direction de l’avance. Eduardo Diniz, Caldeiran Filhoa [7] ont conclu que pour une orientation horizontale de l’outil vers le bas on aura la meilleure vie d’outil. La longueur coupée sera de 50% plus élevée que pour toute autre direction. Les expériences de Lim, Lee et kim [8] réalisées avec des angles d’engagement et d’inclinaison de la surface à usiner et les différentes directions d’avance. La flexion de la pièce, la rugosité de la surface et son usinabilité sont les réponses mesurées et le meilleur résultat obtenu réfère à une direction horizontale à l’intérieur et un angle d’inclinaison. Tonshoff et Camacho [2] recommandent un angle d’inclinaison optimal de 15° lors du fraisage avec outil à bout arrondi. Schulz et Rock [9] ont noté que pendant l’usinage avec outil à bout arrondi, des états défavorables de coupe peuvent être évités en employant un angle d’inclinaison. Ils ont présenté un modèle géométrique pour décrire le processus de coupe de cet outil avec un angle d’inclinaison. Ils ont conclu que la charge à laquelle est soumise l’arête tranchante est principalement déterminée par la trajectoire de coupe, la profondeur de passe et la distribution de la vitesse de coupe le long du tranchant. L’optimum angle d’inclinaison d’outil est compris entre 10° et 20° pour un fraisage à grande vitesse lors de l’usinage de moules et de matrices.

Comparaison des outils à bout plat (End mill) et à bout sphérique (Ball nose) 

Pour mieux comparer ces deux outils il faut analyser leurs performances sur différents types de surfaces : horizontale, inclinée, convexe et concave tous en les inclinant dans la direction d’avance et avec différentes directions ( 0°, 45°,90° ).

Des expériences ont été faites en 3 et en 5 axes avec les deux outils selon un angle d’engagement de 15° pour le hall nose Mill et de 4°pour le End mill. D’après K.Tonshoff, et Hemandez-camacho [2] ces angles sont les angles recommandé pour un meilleur état de surface.

R.Batista et F.Antune Simoes [6] ont conclu que pour chaque surface horizontale plane, le fraisage de bout 3 axes procure une meilleure rugosité que pour les opérations de fraisage à bout sphérique 3 et 5 axes. La rugosité maximale s’obtient en direction perpendiculaire au mouvement de l’outil quelle que soit la forme de la surface à usiner, tandis qu’en fraise de bout 5 axes, la rugosité maximale s’obtient dans la direction de mouvement de l’outil et les meilleurs résultats de rugosité sont obtenus avec fraise de bout 5 axes sauf exception pour le cas d’un plan horizontal.