Usinage trochoïdal : principes, paramètres et meilleurs cas d'utilisation

L'usinage trochoïdal est une stratégie d'usinage haute performance qui a révolutionné la façon dont les matériaux difficiles à usiner sont traités et dont les rainures profondes sont créées. Contrairement à l'usinage conventionnel, où l'outil engage une grande partie de la pièce selon un trajet linéaire, l'usinage trochoïdal utilise une série de mouvements circulaires ou hélicoïdaux combinés à une progression vers l'avant. Ce trajet d'outil unique assure un engagement radial constamment faible, ce qui entraîne des avantages significatifs en termes de durée de vie de l'outil, de taux d'enlèvement de matière et de qualité de surface.

Principes de l'usinage trochoïdal

Le principe de base de l'usinage trochoïdal réside dans la gestion de l'« arc d'engagement » entre l'outil de coupe et la pièce. Dans le rainurage traditionnel ou les coupes pleine largeur, l'outil de coupe engage 180 degrés ou plus du matériau, ce qui entraîne des forces de coupe élevées, une génération de chaleur accrue et une usure rapide de l'outil, en particulier dans les matériaux durs ou les coupes profondes. L'usinage trochoïdal, cependant, manipule le trajet de l'outil pour maintenir l'engagement radial (Ae) constamment faible, généralement entre 5 % et 20 % du diamètre de l'outil.Ceci est réalisé en déplaçant l'outil en une série de « trochoïdes » – des trajets ressemblant à une cycloïde. Imaginez un point sur la circonférence d'un cercle lorsque ce cercle roule le long d'une ligne droite ; c'est essentiellement une trochoïde. En fraisage, l'outil effectue un petit mouvement circulaire tout en avançant simultanément le long du trajet de coupe souhaité. Cet engagement et ce désengagement continus des arêtes de coupe signifient que chaque dent entre et sort de la coupe en douceur, réduisant les chocs et empêchant une accumulation de chaleur excessive.Les avantages de cet engagement contrôlé sont multiples. Premièrement, l'engagement radial réduit permet une « profondeur de coupe axiale (Ap) » beaucoup plus élevée. Cela signifie que vous pouvez couper plus profondément dans le matériau en une seule passe, ce qui améliore considérablement les taux d'enlèvement de matière. Deuxièmement, les faibles forces de coupe et la charge de copeaux plus uniforme prolongent considérablement la « durée de vie de l'outil ». La chaleur générée est répartie plus uniformément sur les arêtes de coupe, et le risque d'écaillage ou d'usure prématurée est minimisé. Troisièmement, l'épaisseur constante des copeaux et l'amélioration de l'évacuation des copeaux inhérentes à l'usinage trochoïdal contribuent à une meilleure « finition de surface » et à une réduction de l'écrouissage, ce qui est particulièrement important pour les matériaux comme l'acier inoxydable et les superalliages.

Paramètres clés de l'usinage trochoïdal

L'optimisation de l'usinage trochoïdal nécessite une considération attentive de plusieurs paramètres interconnectés :Engagement radial (Ae) :Comme nous l'avons vu, il s'agit du paramètre le plus critique. Il est généralement maintenu bas, souvent entre 0,05D et 0,20D (où D est le diamètre de l'outil). Un Ae plus petit conduit à des forces de coupe plus faibles et à une durée de vie de l'outil plus longue, mais peut nécessiter plus de passes trochoïdales.Profondeur de coupe axiale (Ap) :Celle-ci peut être considérablement plus élevée dans l'usinage trochoïdal par rapport aux méthodes conventionnelles. Il est souvent recommandé d'utiliser la pleine longueur de la flûte de la fraise en bout, en maximisant l'engagement des arêtes de coupe et en répartissant l'usure uniformément. Ap peut aller de 1D à 5D, voire plus, selon l'outil et le matériau.Vitesse d'avance (Fz / Vf) :En raison du faible engagement radial et des conditions de coupe stables, l'usinage trochoïdal permet des vitesses d'avance par dent (Fz) beaucoup plus élevées et, par conséquent, des vitesses d'avance de table (Vf) plus élevées. Il est courant de voir des vitesses d'avance 2 à 5 fois supérieures à celles utilisées en fraisage conventionnel pour le même matériau.

Vitesse de broche (RPM) :

Comme pour les vitesses d'avance, des vitesses de broche plus élevées sont souvent utilisées pour maintenir une vitesse de surface adéquate au niveau de l'arête de coupe et assurer une formation efficace des copeaux.

• Pas trochoïdal (STR) :Cela fait référence à la distance que le centre du trajet trochoïdal avance à chaque cycle trochoïdal complet. Il influence directement la quantité de matière enlevée par passe et doit être soigneusement équilibré avec l'engagement radial pour assurer un usinage efficace sans surcharger l'outil.

• Rayon trochoïdal (R) :Il s'agit du rayon du trajet circulaire que l'outil effectue dans chaque trochoïde. Il est directement lié à l'engagement radial et au diamètre de l'outil. Un rayon trochoïdal plus grand correspond généralement à une rainure plus large ou à un enlèvement de matière plus important par passe, mais toujours dans le cadre des principes de faible Ae.

• L'interaction entre ces paramètres est cruciale. Par exemple, l'augmentation de la profondeur de coupe axiale nécessite une gestion attentive de l'engagement radial et des vitesses d'avance pour éviter la surcharge de l'outil. Les logiciels de FAO modernes jouent un rôle essentiel dans le calcul et l'optimisation de ces trajets d'outils complexes, assurant un fonctionnement efficace et sûr.Meilleurs cas d'utilisation de l'usinage trochoïdal

• L'usinage trochoïdal excelle dans des applications spécifiques où l'usinage conventionnel est difficile. Ses avantages en font la stratégie privilégiée pour :Rainurage et pocheage profonds :

• C'est sans doute l'application principale de l'usinage trochoïdal. La création de rainures ou de poches profondes, en particulier dans les matériaux durs, est notoirement difficile avec les méthodes traditionnelles en raison des problèmes d'évacuation des copeaux, des forces de coupe élevées et de l'usure rapide de l'outil. Le faible engagement radial de l'usinage trochoïdal permet des coupes en pleine profondeur, ce qui réduit considérablement le temps d'usinage et améliore la durée de vie de l'outil. L'action de dégagement continu du trajet de l'outil facilite également l'évacuation des copeaux.Matériaux difficiles à usiner :

• Les matériaux comme les aciers inoxydables, les alliages de titane, l'Inconel et autres superalliages sont réputés pour leur haute résistance, leur ténacité et leur tendance à l'écrouissage. La capacité de l'usinage trochoïdal à maintenir une charge de copeaux constante et légère et à répartir la chaleur uniformément est très bénéfique pour ces matériaux. Il réduit le risque d'écrouissage et prolonge la durée de vie des outils en carbure coûteux.Opérations d'ébauche :

Pour les applications nécessitant des taux d'enlèvement de matière élevés en ébauche, l'usinage trochoïdal est exceptionnellement efficace. Il peut dégager de grands volumes de matière rapidement et efficacement, préparant la pièce pour les passes de finition ultérieures.

Pièces à parois minces :

Lors de l'usinage de pièces à parois minces, le fraisage traditionnel peut induire une déformation importante, entraînant des imprécisions dimensionnelles ou des vibrations. Les forces de coupe plus faibles et l'engagement constant de l'usinage trochoïdal réduisent ces problèmes, permettant un usinage plus stable des caractéristiques délicates.

• Réduction des vibrations :En maintenant les forces de coupe faibles et constantes, l'usinage trochoïdal réduit considérablement les vibrations pendant l'usinage. Ceci est bénéfique à la fois pour la durée de vie de l'outil et pour la longévité de la broche de la machine, et contribue à une meilleure finition de surface.

• Durée de vie de l'outil améliorée :Dans toutes les applications, l'avantage le plus constant de l'usinage trochoïdal est l'amélioration spectaculaire de la durée de vie de l'outil. En empêchant une accumulation de chaleur excessive et en répartissant l'usure uniformément, les fraises en bout durent beaucoup plus longtemps, ce qui réduit les coûts d'outillage et les temps d'arrêt de la machine pour les changements d'outils.

• Essentiellement, l'usinage trochoïdal représente un changement de paradigme dans les stratégies d'usinage, passant d'un enlèvement de matière par la force brute à une approche plus intelligente et contrôlée. En comprenant ses principes et en optimisant ses paramètres, les fabricants peuvent débloquer des améliorations significatives de la productivité, de la longévité des outils et de la qualité des pièces, en particulier lorsqu'ils traitent des matériaux et des géométries difficiles.