Pourquoi les fraises à segment de cercle améliorent l'efficacité et la qualité de surface en fraisage

Les fraises hémisphériques n'ont pas encore disparu comme les dinosaures, mais une chose est sûre : l'astéroïde vient de frapper, et un tsunami en forme de tonneau arrive. Préparez-vous à rencontrer les fraises à segment de cercle.

Lors du fraisage d'une surface de moule 3D avec une fraise hémisphérique, les programmeurs et opérateurs CNC savent que plus l'outil est grand, plus le pas (stepover) est important, meilleure est la finition de surface et plus court est le temps de cycle. Par exemple, un outil de 0,125 pouce de diamètre utiliserait un pas de 0,022 pouce pour obtenir une hauteur de copeau de 0,001 pouce. En comparaison, une fraise hémisphérique de 0,50 pouce permettrait un pas de 0,045 pouce, plus du double de son homologue plus petit.

Imaginez maintenant pouvoir insérer un outil avec un rayon de 1 pied (30 cm) dans cette cavité de moule. Si cet exploit surnaturel était possible, le pas pourrait être augmenté à 0,31 pouce, soit une augmentation de débit presque septuple.

Il s'avère que ce scénario d'usinage improbable est tout à fait réalisable. Les fraises à segment de cercle, également appelées fraises tonneau (barrel mills), deviennent rapidement un outil de prédilection pour les opérations de surfacage complexe employées dans la fabrication de moules, le travail d'implants orthopédiques, et l'usinage de pales de turbines à gaz et autres surfaces libres dans les industries aérospatiale et énergétique.

Comme leur nom l'indique, les fraises à segment de cercle ne contiennent qu'un petit segment du rayon que l'on trouve sur une fraise hémisphérique de même taille.

C'est l'énorme segment d'arc qui donne aux fraises à segment de cercle la capacité d'augmenter drastiquement les pas sans sacrifier la qualité de la pièce. Comme l'attestent les tests internes et les témoignages clients des fournisseurs d'outils à segment de cercle, certains utilisateurs ont vu leurs temps de cycle passer d'heures à minutes et la durée de vie de leurs outils augmenter après l'implémentation d'une stratégie de coupe tonneau.

EMUGE Corp. est peut-être le principal responsable de la popularité croissante de l'outil à segment de cercle, ayant travaillé en étroite collaboration avec le fournisseur de FAO Open Mind et le créateur de logiciel CNC Mastercam pour développer les trajectoires d'outils spéciales nécessaires à l'usinage par segment de cercle.

Types de fraises à segment de cercle

Quatre formes de fraises à segment de cercle sont disponibles : tonneau (barrel), ovale, lentille (lens) et conique (taper). Chacune nécessite une machine-outil CNC 5 axes et des méthodes de programmation spéciales. Voici un aperçu rapide :

Style tonneau : La forme de tonneau de whisky ou de fût de bière était l'un des designs originaux de fraise à segment de cercle. Son utilisation est limitée à l'usinage de contre-dépouilles douces sur parois verticales, de manière similaire à une fraise en forme de sucette (lollipop cutter), mais beaucoup plus rapidement.

Forme ovale : Vue de côté, la fraise ovale ressemble à une ogive, avec un petit nez hémisphérique se transformant en un rayon plus grand le long des côtés. Cette forme compacte lui permet de s'insérer dans des espaces restreints, ce qui en fait une bonne option pour la finition de parois coniques et de fonds adjacents sur une variété de formes de pièces.

Style lentille : L'outil en forme de lentille ressemble beaucoup à une fraise à queue carrée classique mais avec une courbe douce couvrant son extrémité active. Il est bien adapté aux opérations de semi-finition et de finition sur des surfaces courbes relativement peu profondes telles que les cavités de moules d'injection plastique.

Forme conique : Comme leur nom l'indique, les fraises coniques contiennent une longue section conique comme celle que l'on trouve au bout d'un crayon affûté, coiffée d'un petit bout arrondi. Ce cône est en réalité un segment d'arc très large, ce qui fait de cette fraise à segment de cercle la plus agressive en termes de pas. Pour savoir si une machine-outil est capable de l'usinage par segment de cercle, les utilisateurs potentiels sont fortement conseillés de demander l'aide d'experts.

Ce que disent les experts

« Notre centre de support technique au Royaume-Uni a été le fer de lance de nos efforts dans ce domaine et possède une vaste expérience dans les applications aérospatiales et médicales, bien que la fabrication de moules soit certainement aussi un candidat », déclare Jacob Rak, ingénieur d'application chez KYOCERA SGS Precision Tools Inc. « D'après ce que nous voyons sur ce marché actuellement, la forme conique est la plus populaire. C'est pourquoi nous avons lancé nos fraises tonneau MultiCarb pour aciers et alliages haute température et la série S-Carb APF-B pour matériaux non ferreux, toutes deux de forme conique et ayant permis des réductions de temps de cycle de 90 % ou plus par rapport aux fraises hémisphériques. »

Pour soutenir ces efforts, KYOCERA SGS a récemment commandé un centre d'usinage 5 axes DMG Mori pour compléter les autres équipements CNC de son centre technique à Munroe Falls, Ohio, qui sera utilisé pour des tests supplémentaires et le support d'applications clients. « Je pense qu'il y aura toujours une utilité pour les fraises hémisphériques, mais en même temps », dit Rak, « ces outils à segment de cercle ouvrent vraiment beaucoup de nouvelles opportunités. »

Dan Doiron ne pourrait pas être plus d'accord. Responsable produit fraisage chez EMUGE à West Boylston, Massachusetts, il cherche toujours des clients prêts à s'engager avec les outils à segment de cercle. « Les chances sont bonnes que la plupart des pièces avec de grandes surfaces balayées comme on en voit sur les moules de pneus ou les blisks de turbines soient des candidates », dit-il. « La plus grande barrière, cependant, est d'amener les ateliers à expérimenter avec une technologie d'outil de coupe relativement nouvelle. Cela prend admettons du temps pour les tests et la programmation, mais ceux qui l'ont fait ne reviendront pas en arrière. »

Evan Duncanson, spécialiste application fraisage chez EMUGE, avertit que toutes les machines-outils ne sont pas adaptées aux fraises à segment de cercle. « Selon les mélanges de surfaces et les tolérances, les machines plus anciennes ou de qualité inférieure pourraient hésiter dans les coins serrés et finir par laisser des marques de témoin », dit-il. « Mais les avantages de la coupe par segment de cercle sont tout simplement trop importants pour être ignorés. »

Utilisez-vous des outils à segment de cercle dans votre atelier, ou prévoyez-vous de le faire ? Faites-le nous savoir dans les commentaires ci-dessous.