Choisir la Bonne Fraise pour votre Usinage CNC

Quand on choisi la fraise à utiliser, les objectifs sont les suivants:

• Obtenir une finition conforme à nos attentes (absence d’éclats, propreté des champs)

• Ne pas perdre les détails de notre découpe (si la fraise est trop grosse, certains détails seront impossible à réaliser car trop fins).

• Ne pas risquer la casse de la fraise. Si on essaie de couper trop vite, on met trop d’efforts sur la fraise qui pourra casser.

• Faire du copeau, pas de la poussière. Si vous faites de la poussière, c’est que les dents de la fraise n’engagent pas suffisamment vite la matière. La vitesse de coupe est insuffisante et/ou la fraise tourne trop vite. Du coup la matière est pulvérisée et transformée en poussière. La poussière est nocive à respirer, et est beaucoup moins efficace que les copeaux pour dissiper la chaleur, ce qui peut entraîner une surchauffe de l’outil. il faut donc éviter ce scénario et chercher à faire du copeau en choisissant des paramètres adaptés, notamment: avance par dent, vitesse de rotation (outil), profondeur de coupe (par passe).

• Et optimiser le temps de coupe, c’est à dire réaliser une découpe propre en un minimum de temps.

 Le choix du bon type de fraise est la première étape. Puis il faudra optimiser la vitesse d’usinage (“feedrate”) avec un calcul relativement simple (voir tutoriel sur la vitesse de coupe).

Voici les principaux types de fraises, en terme de géométrie.

• Fraises droites :

Les fraises droites, à 1 ou 2 dents, sont utilisées pour réaliser une découpe propre de MDF (medium) ou bois souples. Ce sont elles qui apportent, d’assez loin, la meilleur finition de la face “dressée” (surface de dressage) de votre découpe, c’est à dire le champ de vos découpes, ou si vous préférez la surface parallèle à la fraise.

Les fraises droites sont l’arme ultime pour la découpe du MDF, un des matériaux favoris des hobbyistes, qui peut être, selon la qualité des panneaux, plus ou moins dense et hydrofuge (le MDF de base absorbe vraiment l’humidité, mais des versions hydrofuges existent).

• Fraises Hélicoïdales (à bout plat ou “Fishtail”) - “Spiral Cutter” en anglais :

Ces fraises, comme les autres, existent avec de nombreuses variantes dont le diamètre de coupe, le nombre de dents, upcut ou downcut, le type d’acier, la présence ou non de revêtement qui les rend plus résistantes à l’usure et la forme du bout de la fraise.

Les bouts “Fishtail” sont un peu en V inversé. Imaginez un poisson debout sur sa queue...le bout d’une fraise “Fishtail” a un peu la même forme que la queue du poisson. Les bouts plats entraînent un contact de la fraise avec le matériau sur toute la largeur de la fraise, ils sont utilisés pour le retrait de matière (“pocket clearing”).

L’évacuation des copeaux est un facteur très important dans la découpe de plastiques, pour le PMMA (acrylique) et le HDPE car si les copeaux ne sont pas bien évacués, ils fondent sur la fraise et font fondre la matière au niveau de la découpe, donnant au final une très mauvaise finition. C’est la raison pour laquelle les fraises 1 dent hélicoïdales upcut sont les fraises idéales pour la découpe de nombreux plastiques, du PMMA et du HDPE. Elles évacuent très vite et en grande quantité les copeaux.

L’avantage des fraises upcut est qu’elles évacuent bien les copeaux hors de la découpe et produisent des découpes plus propres sur la face supérieure. En revanche, une fraise upcut produit un effort vertical sur la matière élevé, qui nécessite un placage fort de la pièce sur la dalle (clamps, table de vide). Il existe aussi des fraises dites “Up Down” ou “Compression EndMill” qui sont dessinées pour avoir une partie “Upcut” en haut de la partie coupante de la fraise et une partie “Downcut” sur le bas de la Fraise. Ces fraises “Up Down” produisent une belle finition sur les 2 faces.

Les fraises hélicoïdales sont utilisées pour découper en 2D ou 2.5D (à plat mais sur plusieurs niveaux), notamment les bois, bois durs et aluminium, et pour retirer la matière sur une première passe (“Pocket Clearing”) d’usinage 3D, de sorte à ne laisser que peu de matière à retirer pour la passe de finition à l’aide d’une fraise à bout hémisphérique.

• Fraises à bout Hémisphérique (BallNose endmill) :

Ces fraises, au bout rond, sont idéales pour le “contouring” ou usinage 3D, par exemple pour usiner un aileron de planche de surf. Ces fraises peuvent être utilisées pour obtenir des détails plus ou moins fins sur des usinages 3D. Le niveau de détail atteignable dépend principalement du diamètre de la fraise et du paramétrage du détail dans le logiciel de CAM (nous utilisons Fusion 360).

Elles ne sont pas souvent utilisées pour retirer de la matière en quantité car leur bout rond entraîne une faible surface de contact au contact de la matière (le diamètre de la pointe est inférieur au diamètre de la queue). C’est pourquoi la plupart des usinages 3D se feront avec une succession de 2 passes. Une fraise hélicoïdale à bout plat pour retirer le gros de la matière, et une fraise à bout hémisphérique (ballnose) pour la finition.

• Fraises en V pour la gravure :

Les fraises en V sont les outils typiquement utilisés pour la réalisation d’enseignes, la gravure de lettres, et parfois pour réaliser des fraisage (ex: intégrer des vis à têtes fraisées flush sur un panneau). Elles sont disponibles en plusieurs diamètres et une large variété d’angles. Les plus courantes sont les 30°, 45°, 60°, 90° et 120°.

Pour les PCB, on utilise des fraises en V très fines pour une gravure sur faible profondeur que les anglo-saxons appellent “engraving bits” et qu’on appelle pointe Javelot.

• Fraises à Surfacer, parce qu'on a pas tous une dégauchisseuse à la maison :

La fraise à surfacer est utilisée pour niveler la surface d’un panneau. L’idée est de retirer une très fine couche de matière (juste ce qu'il faut pour retrouver une surface parfaitement plane) avec un outil de grand diamètre, sur tout le panneau, pour lui donner une surface lisse, plane et bien finie. Par exemple, il est fréquent de re-surfacer le plateau qui nous sert de dalle d’usinage (Wasteboard), pour effacer les traces des usinages précédents et refaire une belle surface, plane, sur laquelle il est facile de plaquer des panneaux par le vide (nécessite une pompe à vide)...

• HSS: “High Speed Steel” ou acier rapide: C’est de l’acier avec jusqu’à 20% de carbure pour l’usinage à haute vitesse. L’avantage est un prix faible et un outil robuste difficile à casser (dû à sa relative souplesse), l’inconvénient est qu’il faut réduire la vitesse d’usinage par rapport aux fraises en carbure qui sont plus dures. Par ailleurs, les fraises HSS s’usent plus vite que les fraises en Carbure.

• Carbure ou Carbure de Tungstène ("carbide"): C’est un matériau beaucoup plus dur que l’acier HSS, qui conserve de bonne propriétés de dureté jusqu’à 700°C. Généralement un mix de carbure de Tungstène et de carbure de titane. En revanche sa dureté le rend aussi plus cassant. L’avantage est qu’on peut usiner jusqu’à 4 fois plus vite qu’avec une fraise HSS et on peut usiner des matériaux plus durs.

Certaines fraises sont revêtues d’une couche fine de protection comme du Nitrure de Titane (TiN) ou du Nitrure de Titane Aluminium (TiAIN), encore plus durs que la matière de la fraise. Ils sont coûteux mais offrent de nombreux avantages:

• Ils rendent la fraise moins adhérente, ce qui améliore l’évacuation des copeaux, notamment pour les matériaux “collants” comme l’aluminium
• Ils protègent le coeur de la fraise de températures extrêmes en offrant une barrière de protection et en améliorant la dissipation (par l’évacuation plus facile des copeaux).
• Ils augmentent la durée de vie des fraises

Les revêtement TiAIN ont souvent une couleur violette ou brune, et les revêtement TiN ont plus une couleur jaune doré.

Les fraises revêtues sont recommandées pour l’Aluminium et indispensables pour la découpe de matériaux plus durs (acier, etc.).

Les fraises les plus communes sont les 1 dent, 2 dents et 4 dents. Même s’il y a quelques subtilités en fonction de la géométrie, on peut globalement considérer que:

• Moins une fraise a de dents, plus elle peut évacuer de copeau en 1 tour. Les fraises 1 dent offrent l’avantage de peu chauffer car elles dissipent la chaleur grâce à la grande quantité de copeaux évacuée. C’est pour cela qu’elles sont favorisées pour les plastiques et le PMMA, pour lesquels il est critique d’éviter les amas de matières sur la fraise et garder une température de fraise basse pour éviter de faire fondre les champs découpés de la matière.

• Plus une fraise a de dents, plus lisse sera la surface usinée et plus, à vitesse d’avancée égale, il faudra que la fraise tourne vite pour évacuer le même volume de copeaux. Les fraises de 4 à 6 dents sont ainsi souvent utilisées pour l’usinage de matériaux (très) durs.

Pour pouvoir réaliser une variété de jobs (découpe 2D, 2.5D et 3D) sur une variété de matériaux, il faut idéalement commencer avec 5 à 10 fraises.

Voici ce que je vous conseil pour une découpe numérique (CNC) comme l’Aureus®3X:

• 1 fraise hélicoïdale 1 dent en carbure monobloc. Elle vous servira pour découper tous les plastiques et matériaux souples, et possiblement de l’aluminium à faible vitesse (l’aluminium est très collant et il est indispensable de bien évacuer les copeaux). Les fraises hélicoïdales 1 dent sont le meilleur outil pour les plastiques et le PMMA (Acrylique)

  • Ø Coupe : 3.175mm

  • Ø Queue : 3.175mm

  • Longueur Taillée: 17mm

• 2 fraises droites 2 dents en carbure monobloc. Les reines pour la découpe du MDF et des bois souples (à partir du contreplaqué et à fortiori pour les bois durs, on utilisera de préférence des fraises hélicoïdales, “Up”, “Down” ou “UpDown”)

  • Ø Coupe: 2mm et 4mm

  • Ø Queue: 3.175mm (⅛”) et 4mm

  • Longueur Taillée: 17mm et 22mm

• 1 fraise Hélicoïdale Upcut, 2 dents en carbure de Tungstène. La fraise se refroidira efficacement naturellement en évacuant les copeaux qui participent à dissiper la chaleur. Une fraise que vous pouvez utiliser pour la plupart de vos jobs. Pour les plastiques, l’acrylique et les bois, un  peu  une fraise à tout faire.

  • Diamètre de coupe: 3.175mm (¼”)

  • Ø Queue: 3.175mm

  • Longueur Taillée: 17mm

• 1 fraise Hélicoïdale "Compression (Up & Down cut) 2 dents en carbure de Tungstène. Cette fraise très polyvalente vous permettra de faire de belles découpes de bois durs ou contreplaqué, quand vous avez besoin d’une finition nickel sur les 2 faces.

  • Diamètre de coupe: 4mm

  • Ø Queue: 4mm

  • Longueur Taillée: 22mm

• 1 fraise Hélicoïdale Upcut 4 dents, revêtement TiAIN, pour faire des jobs sur aluminium, incluant des usinages non traversants. Les 4 dents entraînent une meilleure finition de la partie “surfacée” de l’usinage (c’est à dire la face perpendiculaire à la fraise). Le revêtement TiAIN protège et augmente la durabilité de votre fraise notamment en améliorant le transfert de la chaleur vers les copeaux et en réduisant la friction,améliorant ainsi la dissipation de la chaleur limitant la chauffe de l’outil. C’est une excellent fraise pour les découpe et usinage en 2.5D de l’aluminium.

  • Diamètre de coupe : 3mm
  • Ø Queue: 3mm
  • Longueur Taillée: 8mm

• 1 fraise à surfacer, Ø16mm, pour surfacer vos panneaux et resurfacer votre dalle martyre (“wasteboard”).  
  • Diamètre de coupe: 16mm
  • Ø Queue: 6mm

• 1 fraise à bout hémisphérique 2 dents, pour l’usinage 3D. Plus le diamètre est élevé et moins la finition est fine, mais plus l’usinage sera long. Il y a donc un compromis à trouver. Pour ma part, pour les projets d’usinage bois en 3D, j’utilise souvent un diamètre 3 mm ou 4mm.

  • Diamètre de coupe: 4mm

  • Ø Queue: 4mm

  • Longueur taillée: 17mm

• 1 ou plusieurs fraises en V pour la gravure si vous comptez faire de la gravure sur bois ou plastique.. 30°,60°,90° et 120° font un bon mix.

Si vous souhaitez usiner vos propres circuits, investissez dans les fraises et forets suivants

• 1 set de forets fins: Ø 0,3mm à Ø 1,2mm pour les perçages (Ø Queue: 3.175mm)

• 1 set de fraises fines coupe diamant pour l’usinage des circuits (Ø Queue: 3.175mm). Ces sont des coupes diamant qui sont aussi très adaptées à la découpe de matériaux composites.

• 1 Pointe Javelot pour la gravure des pistes.

  • Ø Queue 3.175mm

  • 30°

  • Pointe 0.2mm

Pour avoir une variété de diamètres de coupe et un bon choix, il vous faudra souvent panacher les diamètres de queues (shank diameter), et donc avoir quelques jeux d’écrous porte pinces et pinces. Pour la sélection ci-dessus, il faut par exemple les pinces suivantes:

• 1 pince pour queues de Ø 3.175mm (¼”)
• 1 pince pour queues de Ø 4mm
• 1 pince pour queues de Ø 6mm si vous prenez la fraise à surfacer

Nous recommandons l’utilisation d’une fraiseuse AMB FME-1050-P avec l’Aureus 3X. Celle-ci est livrée avec un écrou porte pinces (souvent appelé “collet”) ER-16 et une pince pour fraises de diamètre 8mm.

L’idéal est d’avoir 2 ou 3 écrous porte-pinces supplémentaires, chacun équipé d’une pince de diamètre différent.

Une fois que vous aurez votre premier jeu de fraises, il vous faudra définir, selon votre machine et votre fraiseuse (ou affleureuse) les paramètres de coupe pour chaque fraise, en fonction du matériau. Cela fait l'objet d'un autre tutoriel.

Bon usinage, n'hésitez pas à commenter ce tutoriel si vous avez des questions.