Comprendre les angles d'hélice :choisir le bon pour un usinage optimal

De nombreux facteurs ont un impact sur la qualité et les performances d'une application d'usinage. Souvent, l’angle d’hélice est négligé. Il s'agit d'une caractéristique géométrique simple dans les fraises hélicoïdales et autres outils de coupe. Ce facteur peut influencer le contrôle des copeaux, les vibrations, les besoins en énergie, etc.

Dans cet article, nous discuterons de ce qu'est une hélice dans le contexte de l'usinage, de ses avantages et inconvénients, et des solutions d'angle d'hélice idéales pour vos applications.

En termes simples, une hélice est une courbe 3D lisse qui tourne autour d’un axe linéaire. Une façon simple de le comprendre est d'imaginer un ressort hélicoïdal, dont les spires représentent une courbe en hélice.

Principales caractéristiques géométriques d'une hélice

Quatre caractéristiques principales d'une hélice définissent pleinement sa forme :

Axe central :Comme expliqué ci-dessus, une hélice est toujours centrée sur un axe. Il fournit une référence pour localiser et orienter l'hélice dans un espace 3D.

Angle d'hélice :Comme le montre la figure, les spires du ressort forment un angle par rapport à l'axe, appelé angle de l'hélice.

Présentation :La distance entre deux tours successifs de l'hélice est son pas. Un pas plus grand signifie une hélice « plus longue ». Il s'agit d'une valeur importante lors de la conception de différents types de filetages, reliant leur mouvement linéaire au mouvement de rotation.

Nombre de tours :C'est un paramètre important pour définir la longueur totale d'une courbe hélicoïdale. Plus les tours sont nombreux, plus l'hélice est longue.

Qu'est-ce que l'angle d'hélice dans les outils de coupe ?

Plusieurs outils de coupe ont des cannelures hélicoïdales (arêtes coupantes), les plus courantes étant les fraises hélicoïdales et les forets hélicoïdaux. L'image ci-dessous montre l'hélice sur un outil de coupe. La même logique que celle expliquée ci-dessus s'applique ici :l'angle des arêtes de coupe correspond à l'angle d'hélice de l'outil.

L'angle de l'hélice des fraises en bout varie entre 12° et 60°, selon l'application. Cependant, un angle de 30° à 40° est généralement recommandé pour la plupart des travaux. Cette gamme offre un bon équilibre entre tous les facteurs impliqués.

De petites variations de cet angle peuvent modifier les performances d’un outil de coupe. Par conséquent, les ingénieurs et opérateurs de fabrication doivent connaître ses différents effets. Examinons en détail la façon dont les différents angles d'hélice affectent les performances d'usinage.

Outil de coupe à angles d'hélice élevés et à angles d'hélice faibles :quelles sont les différences ?

L'angle d'hélice peut être rapide (élevé) ou lent (faible). Généralement, les experts considèrent que le passage de l'hélice basse à l'hélice haute se situe aux alentours de 40°. Cela affecte des facteurs importants tels que les forces de coupe, le taux d'enlèvement de matière, l'état de surface et l'évacuation des copeaux.

Outils à angle d'hélice élevé

Une fraise avec un angle d'hélice élevé est idéale pour l'usinage à grande avance, la finition de surface et les performances thermiques.

Ses dents très inclinées pénètrent progressivement dans la coupe. En conséquence, les forces exercées sur l’outil augmentent également progressivement, prolongeant ainsi sa durée de vie. De plus, en raison de leur inclinaison, plusieurs cannelures sont simultanément dans la coupe, ce qui réduit encore la charge sur les flûtes individuelles.

L'hélice détourne une partie de la force radiale vers le haut de l'axe z de la machine CNC. Étant donné que l'outil est maintenu rigidement dans cette direction par le porte-outil et la broche, cela a un effet positif sur la durée de vie de l'outil et sur la tolérance d'usinage. Grâce à cette force radiale réduite, l'outil peut usiner à des vitesses d'avance plus élevées. La faible force radiale diminue également les déflexions de l'outil et améliore la finition de surface.

En termes d'évacuation des copeaux, un outil à haute hélice est plutôt performant. La force exercée sur l'axe z (force axiale) pousse les copeaux hors de la zone de coupe, un peu comme un foret ou un taraudage. Ceci est bon pour l’évacuation de la chaleur et réduit l’accumulation de matériaux. Cependant, la même force peut aussi parfois tirer la pièce vers le haut et perturber par conséquent son montage. Ceci est cependant évitable avec un montage approprié.

Outils à faible angle d'hélice

Les fraises hélicoïdales avec de faibles angles d'hélice présentent leurs propres avantages. Ils ont un noyau et des bords tranchants solides, ce qui leur confère la capacité de résister à des contraintes plus élevées. Si l’objectif est un taux d’enlèvement de matière élevé, ces outils sont préférables car ils éliminent des copeaux continus plus gros. Ils conviennent également mieux aux matériaux durs.

Cependant, l'inconvénient d'un tel outillage est que l'utilisateur doit compromettre la qualité de la surface avec des fraises à faible hélice.

Comment choisir l'angle d'hélice pour votre application ?

Un ingénieur/machiniste expert sait quels outils sont les meilleurs pour leurs applications spécifiques. L'angle de l'hélice doit être une considération importante lors du choix d'un outil pour un travail.

Nous mettrons en évidence quelques situations où la connaissance de l'angle d'hélice peut aider à la prise de décision.

1. Exigences de productivité

Les effets de l'hélice sur le taux d'enlèvement de matière ont déjà été discutés. Un angle d'hélice plus faible est préférable si une grande quantité de matière doit être retirée rapidement.

Ceci peut être couplé à des mesures compensatoires pour réduire les effets négatifs d’une faible hélice. Par exemple, un outil à hélice élevée peut être utilisé pour la passe de finition et un outil à hélice faible pour les coupes grossières.

2. Poche

Lors du fraisage de poches, une gestion efficace des copeaux est très importante. Les copeaux qui restent dans la zone de coupe peuvent être très préjudiciables à la qualité de l'outil et de la pièce. Une hélice haute améliore l'évacuation des copeaux et convient donc aux travaux de type poche/rainurage.

3. Parois/sols minces

Les structures à parois minces et les sols minces se déforment très facilement sous l’effet des forces de coupe. Pour les murs, les forces radiales provoquent une déformation, et pour les sols, la force axiale est importante.

Étant donné que l’angle de l’hélice affecte directement ces deux composantes de force, les machinistes peuvent prendre une décision éclairée concernant une solution d’outillage appropriée. Par exemple, lors de l'usinage d'une paroi mince, ils peuvent envisager de passer à une fraise à hélice élevée pour minimiser les forces radiales et obtenir une finition soignée.

4. Durée de vie de l'outil

L’un des inconvénients des cannelures à hélice élevée est que l’épaisseur du centre (noyau) de la fraise est réduite. Cela détériore la résistance centrale de l'outil, et donc sa durée de vie.

Cependant, une faible hélice n’est pas non plus la meilleure solution pour la durée de vie de l’outil. Cela provoque des problèmes sous forme d’accumulation de chaleur et de charges d’impact dues à des coupes interrompues. Une accumulation de matière sur les arêtes de coupe est également possible en raison d'une mauvaise évacuation des copeaux.

Différents angles d'hélice pour couper divers matériaux

Différents matériaux nécessitent différents angles d'hélice. Par exemple, les métaux durs nécessitent des angles d’hélice faibles pour obtenir des résultats satisfaisants, tandis que des angles d’hélice élevés conviennent mieux aux métaux mous. Par conséquent, le type de matériau à fraiser doit être pris en considération lors de la sélection de l'angle d'hélice approprié.

Les outils à faible angle d'hélice sont bien adaptés aux copeaux courts et aux matériaux métalliques durs. Il s'agit notamment de l'acier, des fontes et de l'acier inoxydable facile à usiner. De plus, les types de matériaux synthétiques tels que les synthétiques à base d'époxy, les feuilles de fibre de verre et les plastiques abrasifs sont également mieux usinés avec un outillage à faible hélice.

Cependant, les fraises avec un angle d'hélice élevé conviennent aux matériaux plus tendres comme l'aluminium, le cuivre, les plastiques, etc.

De plus, une fraise à angle d'hélice variable est le choix idéal pour un usinage haute performance. Il convient aux matériaux difficiles à usiner comme l’acier inoxydable et les superalliages réfractaires. Leurs performances de coupe supérieures et leur durée de vie prolongée en font le choix idéal, même pour les applications d'usinage les plus difficiles.

Conclusion

Nous espérons que cet article a été intéressant pour nos lecteurs. Il existe de nombreuses variables dans l'usinage et l'angle d'hélice n'est pas suffisamment discuté par rapport à son importance. Un expert connaît tous les aspects de son métier et optimise ses performances grâce à ces connaissances et cette expérience.

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FAQ

Quelle est la différence entre un angle d'attaque et un angle d'hélice ?

Les angles d'attaque et d'hélice sont complémentaires (leur somme est de 90 degrés). Ils partagent une ligne de référence, qui est tangente à l'hélice du filetage ou de l'engrenage. L’autre ligne de référence est cependant différente. Pour l'angle d'hélice, c'est l'axe de l'hélice considérée. Pour l'angle d'attaque, la deuxième ligne de référence est la ligne perpendiculaire à l'axe central de l'hélice.

À quoi servent les fraises à hélice variable pour l'angle d'hélice ?

Les fraises à hélice variable sont des fraises spéciales avec des angles d'hélice différents pour chaque flûte. Ils ont une stabilité dynamique élevée car ils sont capables d'amortir les vibrations aux fréquences de résonance de l'outil. En conséquence, ces outils subissent moins de vibrations et produisent une finition de surface plus fine.

Pourquoi les angles d'hélice sont importants dans l'usinage ?

L'angle d'hélice est un paramètre géométrique essentiel de l'usinage des fraises. C'est important car cela affecte le taux d'enlèvement de matière, la vitesse d'avance, l'état de surface, la répartition de la force de coupe, la résistance de l'outil et la durée de vie de l'outil.