Basé sur l’application de la technologie d’usinage CNC NX dans l’étape d’usinage grossier des ébauches, cet article analyse et compare les stratégies « Adaptive Milling » récemment introduites et les stratégies classiques de « Cavity Milling ». En combinant ces méthodes avec le processus de production de pièces typiques, les avantages de la programmation sont pleinement utilisés pour optimiser les méthodes d’ébauche, éliminer rapidement la majorité de l’excès de matériau et améliorer l’efficacité de l’usinage.
La programmation CNC est la tâche fondamentale de l’usinage CNC. La détermination des étapes d’usinage et le choix des méthodes appropriées sont des étapes critiques dans la planification des processus avant la programmation. Différents environnements d’usinage et différentes surépaisseurs de matériau nécessitent des stratégies d’usinage sur mesure. Cette étude se concentre sur les différentes approches d’ébauche du « fraisage adaptatif » de NX 12.0.2 et des stratégies classiques de « fraisage à cavité ». En examinant leur application dans la production d’une pièce représentative, les trajectoires d’outils et les efficacités d’usinage sont comparées pour résumer leurs impacts distincts sur le processus de coupe.
2. Stratégies d’usinage
2.1 Fraisage de cavité
Le « fraisage à cavité » permet d’ébaucher l’ébauche en enlevant de la matière à partir de couches perpendiculaires à un axe d’outil fixe pour façonner le contour de la pièce. Il s’agit d’un module d’ébauche classique de la série NX, avec les caractéristiques suivantes :
- Pour les pièces avec des surfaces 3D complexes et plusieurs îlots ou composants de moule, le fraisage en cavité peut rapidement effectuer l’ébauche primaire et secondaire, jouant un rôle clé dans l’enlèvement rapide de matière.
- En règle générale, une fraise en bout de diamètre spécifique (indexable) est utilisée, suivant soit les contours de la pièce, soit les limites environnantes. En réglant la profondeur de la couche de coupe et l’espacement horizontal, la matière est enlevée de manière « petite profondeur de coupe, grand enjambement ». C’est-à-dire que la coupe radiale (ae) est grande, la coupe axiale (ap) est petite et l’épaisseur moyenne des copeaux (hm) n’est pas uniforme.
2.2 Fraisage adaptatif
La nouvelle commande NX 12.0.2 « Adaptive Milling » est conçue pour l’ébauche à grande vitesse et la coupe lourde. Il enlève de la matière des couches perpendiculairement à un axe fixe à l’aide d’une stratégie de parcours d’outil adaptative, avec les principales caractéristiques suivantes :
- Mieux adapté aux pièces avec des variations significatives de la tolérance de matériau des parois latérales, aux îlots de paroi droits profonds et aux cavités à fond plat, effectuant un dégrossissage couche par couche le long des parois latérales.
- En règle générale, une fraise en bout de taille appropriée est sélectionnée en fonction du matériau. À l’aide d’une approche « petit enjambement, grande profondeur de coupe », la matière est enlevée tout en maintenant une direction d’avance d’outil constante et un fraisage ascendant conventionnel. C’est-à-dire que la coupe radiale (ae) est petite, la coupe axiale (ap) est grande et l’épaisseur moyenne des copeaux (hm) reste constante.
Ainsi, pour les pièces où les deux stratégies sont applicables, deux programmes CNC distincts peuvent être créés pour l’ébauche, chacun reflétant des philosophies d’usinage fondamentalement différentes. Le fraisage adaptatif maximise l’engagement de l’outil le long de l’arête de coupe pour augmenter la profondeur et l’efficacité de la coupe, tandis que le fraisage en cavité repose sur un pourcentage du diamètre de l’outil. Pour évaluer l’amélioration de l’efficacité de la production apportée par le fraisage adaptatif, un exemple d’usinage comparatif est présenté.
3. Exemple d’application
3.1 Caractéristiques de la pièce
La figure 1 montre un type de composant de support pour un assemblage aérospatial (les zones semi-transparentes indiquent l’ébauche). Matériau : alliage d’aluminium 7075, avec des exigences de rugosité de surface de Ra = 3,2 μm et de rugosité de surface locale de Ra = 1,6 μm. Les dimensions minimales de délimitation de la pièce sont de 100 mm × 94,828 mm × 70 mm, usinée à partir de pièces découpées cylindriques de φ120 mm × 76 mm. Le premier lot d’essai était composé de 30 pièces symétriques.
Graphique 1. Partie support
L’alliage d’aluminium 7075 est solide, ductile et mécaniquement fiable, ce qui le rend courant dans les composants aérospatiaux. Les simulations NX 12.0 montrent que le rapport de volume entre l’ébauche et la pièce finie est d’environ 7:1, l’ébauche consommant la majorité du temps de coupe total. Les zones d’ébauche ont des profondeurs et des largeurs de coupe importantes, ce qui les rend adaptées à la fois au fraisage adaptatif et au fraisage à cavité.
3.2 Plan d’usinage
La production utilise un centre d’usinage vertical à cinq axes Aumate GS1000/5-T, qui permet de multiples opérations sans changer de montage. La machine est dotée d’une petite structure à portique, d’une table de type berceau, d’axes linéaires X, Y, Z, d’axes rotatifs A et C, d’une vitesse de broche maximale de 18 000 tr/min et d’une puissance d’entraînement de 40 kW.
Pour l’ébauche, une fraiseuse à bout plat en alliage d’aluminium à trois cannelures (16 mm de diamètre, 95 mm de longueur totale, 40 mm de longueur de coupe, angle d’hélice de 40°) est utilisée par une pince ER32 (JT40) d’une longueur de serrage ≤ 40 mm. La pièce est serrée à l’aide d’un mandrin auto-centreur et usinée en deux étapes, chacune divisée en trois étapes : ébauche → ébauche secondaire (nettoyage local des coins) → finition et usinage des trous.
3.3 Processus d’usinage
Étape 1 :Usinage du corps principal, des cavités circulaires et de divers trous, profondeur maximale 57 mm.
Le parcours d’ébauche du fraisage à cavité (Figure 2) utilise principalement la pointe de l’outil, avec un grand enjambement radial et une faible profondeur de coupe axiale. La couverture des parcours d’outil est large, avec de longs chemins, plusieurs couches axiales et des rétractions fréquentes.
Graphique 2. Analyse de la trajectoire d’outil de fraisage de cavité
a) Parcours d’outil b) Simulation 3D
La trajectoire d’outil d’ébauche du fraisage adaptatif (Figure 3) utilise les arêtes de coupe latérales avec un petit pas radial et une grande profondeur de coupe axiale. La profondeur de coupe peut atteindre environ deux fois le diamètre de l’outil, principalement en utilisant le fraisage ascendant continu le long des bords latéraux. Moins de couches axiales sont nécessaires, ce qui améliore la stabilité de l’usinage, la durée de vie de l’outil et la capacité à grande vitesse.
Graphique 3. Analyse adaptative de la trajectoire d’outil de fraisage
a) Parcours d’outil b) Simulation 3D
Étape 2 :Pièce retournée, usinage des bossages supérieurs, des pentes, des cavités et des trous, profondeur d’ébauche maximale de 20 mm. La comparaison des parcours d’outils (Figure 4) montre :
Graphique 4. Comparaison des parcours d’outils de deux modules d’ébauche
a) Fraisage à cavité b) Fraisage adaptatif
L’analyse montre des pentes effilées entre les couches. Le fraisage de cavité continue la coupe de couche de haut en bas, en suivant les contours de la pièce pour obtenir une surépaisseur de semi-finition uniforme. Le fraisage adaptatif permet une coupe « ascendante », en ajoutant des trajectoires d’outil entre les couches avec de petits changements de profondeur, réduisant ainsi les restes de matériau à une distribution minimale et uniforme, ce qui est bénéfique pour une semi-finition stable. La stratégie usine directement les surfaces inférieures, puis les pentes, assurant un chemin plus propre et plus efficace.
4. Effets globaux
4.1 Résultats expérimentaux
Les paramètres de coupe et les durées d’usinage pour les deux stratégies sont résumés dans le tableau 1.
Tableau des paramètres d’usinage
| Vitesse de la broche | Vitesse d’avance | Étape 1 : Découpe | Coupe en étapes | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Stratégie d’usinage | Spécifications de la fraise | nf (r/min) | Vf (mm/min) | Paramètres de l’étape de coupe | Temps/min | Temps/min |
| ET | $m a,) | « Imm, GIA (a) = | ||||
| BEE Nom | ms | 3500 | 85 % du rayon de l’outil | = | . | |
| : Talon sur m, TK | HH (a,) + SVRITHERER 100 %, | |||||
| Fraisage adaptatif (mm) | ae | 5000 | fer (a,) : TERRI IIB |
Tableau 1. Paramètres de coupe et durée
Les paramètres d’ébauche optimisés visent une productivité maximale tout en respectant les contraintes de puissance de la machine. Le fraisage adaptatif et le fraisage à cavité diffèrent en raison de différences philosophiques.
Le taux d’enlèvement de matière (Qmax) est calculé via Q = apaevf / 1000. Ici, le fraisage à cavité Qmax = 47,6 cm³/min, le fraisage adaptatif Qmax = 153,6 cm³/min : le fraisage adaptatif atteint un taux d’enlèvement de matière environ trois fois supérieur. Temps total d’ébauche pour 2 étapes : Fraisage de cavité 33 min, Fraisage adaptatif 11 min, économie de 22 min par pièce. L’analyse de l’usure des outils montre que les outils de fraisage à cavité présentent un émoussement de la pointe après 30 pièces, tandis que les outils de fraisage adaptatif restent tranchants en raison d’une meilleure stabilité.
4.2 Analyse comparative
Graphique 5. Pièce usinée
a) Pendant l’usinage b) Après l’usinage
Fraisage de cavité :
- Une petite coupe axiale et une grande coupe radiale entraînent une usure répétée de la pointe. Les copeaux absorbent une chaleur limitée, ce qui entraîne une température de pointe élevée et une usure accélérée.
- L’épaisseur variable des copeaux et le grand engagement radial produisent un enlèvement de matière inégal, des forces de coupe élevées et un usinage instable, inadapté à la coupe à grande vitesse.
Fraisage adaptatif :
- La grande coupe axiale et la petite coupe radiale maximisent l’utilisation du bord de l’outil, réduisent l’usure de la pointe et répartissent uniformément les forces de coupe. Les copeaux fins et longs évacuent plus de 90 % de la chaleur, ce qui permet de maintenir des températures basses et de réduire la déformation des pièces.
- L’épaisseur constante des copeaux et la direction d’avance constante permettent un fraisage ascendant lisse et contrôlé couche par couche, avec de petits angles d’engagement et un enlèvement de matière uniforme. La coupe à grande vitesse est possible avec une stabilité accrue et un taux d’enlèvement de matière plus élevé.
En résumé, la stratégie de fraisage adaptatif de NX 12.0.2 améliore à la fois la stabilité et l’efficacité de la production.
Le fraisage à cavité est largement utilisé pour l’ébauche de pièces avec des parois non droites ou des fonds de cavité plats/courbes, ainsi que pour la finition de parois peu profondes. Le fraisage adaptatif est plus adapté aux pièces avec de grandes variations de surépaisseur de flanc, des îlots de paroi droite profonds et des cavités à fond plat.
Alors que le fraisage de cavité NX 12.0 est complet, le fraisage adaptatif NX 12.0.2 offre des options supplémentaires et optimisées pour l’ébauche dans des conditions spécifiques, améliorant à la fois la fiabilité et l’efficacité. Une sélection appropriée du fraisage adaptatif peut permettre d’obtenir une productivité nettement plus élevée, ce qui le rend très applicable dans l’usinage CNC de divers composants aérospatiaux.
