Comprendre les avances et les vitesses de la CNC

Tout opérateur CNC rêve de ces chiffres magiques :

À quel régime dois-je rouler ?
À quelle vitesse dois-je avancer ?
Quels réglages me permettront d'obtenir une coupe nette sans brûler la pièce, sans vibrations ni cassure de la mèche ?

Pour être honnête, la réponse est : ça dépend.

Les avances et vitesses d'usinage CNC dépendent de votre machine, de votre fraise, de votre matériau, de votre broche, de votre trajectoire d'outil, de votre système de serrage et même de la rigidité de votre installation. C'est pourquoi les tableaux et calculateurs d'avances et de vitesses sont utiles, mais ils ne constituent que des points de départ, et non des réponses définitives.

La bonne nouvelle, c'est que les avances et les vitesses deviennent beaucoup plus faciles à comprendre dès lors que l'on se concentre sur un concept clé : la charge de la plaquette.

En bref

• Les tableaux indiquant les vitesses d'avance et de rotation constituent des points de départ recommandés, et non des règles universelles.
• L'objectif est d'obtenir une charge de copeaux adéquate : il faut des copeaux, pas de la poussière.
• La vitesse d'avance correspond à la vitesse à laquelle l'outil de coupe se déplace dans le matériau ; elle est généralement exprimée en pouces par minute (IPM).
• La vitesse de rotation de la broche correspond à la vitesse à laquelle l'outil tourne ; elle est mesurée en tours par minute (tr/min).
• Si votre machine CNC produit de la poussière ou brûle du bois, réduire la vitesse risque d'aggraver le problème.
• Effectuez toujours un essai de découpe sur un morceau de chutes et modifiez une variable à la fois.

Que sont les vitesses d'avance et de rotation ?

En fraisage CNC, les termes « avance » et « vitesse de rotation » désignent le rapport entre la vitesse de rotation de la fraise et la vitesse à laquelle celle-ci se déplace dans le matériau.

La vitesse désigne généralement la vitesse de rotation de la broche ou de la défonceuse, exprimée en tr/min.

Le terme « avance » désigne la vitesse d'avance, c'est-à-dire la vitesse à laquelle l'outil se déplace dans le matériau ; elle est généralement mesurée en IPM.

Ces deux réglages sont étroitement liés. Si la broche tourne trop vite alors que la machine se déplace trop lentement, la mèche risque de frotter au lieu de couper. Cela génère de la chaleur, émousse l'outil et peut brûler le bois ou faire fondre le plastique. Si la vitesse d'avance est trop élevée par rapport à l'outil, au matériau ou à la machine, la mèche peut vibrer, dévier ou se casser.

L'objectif n'est pas simplement de tourner plus vite ou plus lentement. L'objectif est de faire en sorte que l'outil enlève la quantité adéquate de matière à chaque passe.

Le concept le plus important : la charge de copeaux

La charge de copeaux correspond à la quantité de matière enlevée par chaque arête de coupe, ou goujure, au cours d'un tour complet de l'outil.

Concrètement, la charge de copeaux correspond à la taille ou à l'épaisseur du copeau produit par la fraise lors de la découpe.

La formule de base est la suivante :

Charge de copeaux = Vitesse d'avance ÷ (tr/min × nombre de dents)

Par exemple, si vous augmentez la vitesse d'avance tout en conservant le même régime et le même foret, chaque goujure enlève davantage de matière. Si vous augmentez le régime tout en conservant la même vitesse d'avance, chaque goujure enlève moins de matière.

C'est pourquoi ce vieux conseil de magasin est si utile :

Tu veux des chips, pas de la poussière.

La présence de poussière indique généralement que la fraise ne pénètre pas suffisamment dans le matériau. Au lieu de couper efficacement, la fraise risque de frotter, de chauffer et de s'user plus rapidement que nécessaire.

Pourquoi la charge de copeaux est-elle importante ?

Le choix d'une charge de copeaux adaptée a une incidence sur pratiquement tous les aspects de votre découpe CNC.

• Durée de vie de l'outil : une charge de copeaux trop faible peut entraîner des frottements, une accumulation de chaleur et un émoussement prématuré. Une charge de copeaux trop importante peut surcharger la mèche et provoquer sa rupture.
• Qualité de coupe : une charge de copeaux adéquate permet d'obtenir un bord plus net et une finition de surface plus lisse.
• Contrôle de la chaleur : les copeaux évacuent la chaleur de la zone de coupe. La poussière est bien moins efficace à cet égard.
• Productivité : des avances et des vitesses adaptées vous permettent d'enlever la matière efficacement, sans avoir à ménager inutilement la coupe.

Lorsque vos réglages sont corrects, la coupe est plus régulière, les copeaux ont un aspect plus homogène, la fraise chauffe moins et la finition de l'arête est généralement meilleure.

Vitesse d'avance : vitesse de déplacement de l'outil

La vitesse d'avance correspond à la vitesse à laquelle la commande numérique (CNC) déplace la fraise à travers le matériau. Aux États-Unis, elle est généralement exprimée en pouces par minute, ou IPM.

Une vitesse d'avance plus élevée signifie que le foret se déplace plus rapidement dans le matériau. Cela entraîne généralement une charge de copeaux plus importante. Une vitesse d'avance plus faible entraîne une charge de copeaux plus faible.

Mais une vitesse plus lente n'est pas toujours synonyme de plus de sécurité. Si vous réduisez trop la vitesse d'avance tout en conservant un régime élevé, le foret risque de produire de la poussière au lieu de copeaux. Cela peut entraîner une augmentation de la chaleur, émousser l'outil et provoquer des brûlures.

Vitesse de rotation de la broche : à quelle vitesse tourne l'outil ?

La vitesse de rotation de la broche correspond à la vitesse à laquelle tourne la fraise ; elle est mesurée en tours par minute, ou tr/min.

Un régime plus élevé ne garantit pas automatiquement une meilleure coupe. Si le régime est trop élevé par rapport à la vitesse d'avance, chaque dent enlève trop peu de matière. Cela peut entraîner des frottements, un échauffement, une brûlure ou une fusion.

Une vitesse de rotation plus faible peut s'avérer utile dans certaines situations, notamment lors de l'usinage de plastiques ou d'aluminium, mais elle doit tout de même être adaptée à la vitesse d'avance, à l'évacuation des copeaux et aux capacités de la machine.

Nombre de cannelures

Le nombre de cannelures sur le trépan influe également sur la charge de copeaux.

Une fraise à deux cannelures possède deux arêtes de coupe. Une fraise à une seule cannelure n'en possède qu'une. À régime et vitesse d'avance identiques, une fraise à une seule cannelure enlève un copeau plus volumineux par cannelure qu'une fraise à deux cannelures.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les forets à une seule cannelure et à cannelure en « O » sont souvent utilisés pour les plastiques et l'aluminium. Ils offrent davantage d'espace pour l'évacuation des copeaux et peuvent contribuer à réduire l'accumulation de chaleur dans les matériaux qui fondent ou se soudent facilement.

Vitesses d'avance en rampe et en plongée

Il n'est pas nécessaire que votre vitesse d'avance soit la même sur toute la longueur de la coupe.

Lorsque l'outil se déplace latéralement dans le matériau, il peut souvent fonctionner à la vitesse d'avance de coupe principale. En revanche, lorsque l'outil ralentit progressivement ou plonge dans le matériau, la vitesse d'avance doit généralement être réduite.

En règle générale, de nombreux utilisateurs de machines CNC réduisent la vitesse d'accélération ou de plongée à environ la moitié de la vitesse d'avance principale. La valeur exacte dépend de la fraise, du matériau, de la profondeur de coupe et de la stratégie de parcours d'outil.

Pourquoi les tableaux de vitesses d'avance et de rotation ne sont qu'un point de départ

Les tableaux indiquant les débits et les vitesses sont extrêmement utiles. Ils constituent un point de départ sûr et éclairé.

Mais ils ne peuvent pas prendre en compte toutes les variables réelles présentes dans votre atelier.

Une même fraise utilisée pour usiner le même matériau peut nécessiter des réglages différents en fonction :

• Puissance de la machine (en chevaux-vapeur)
• Rigidité de la machine
• Qualité « broche » ou « défonceuse »
• Diamètre de l'outil
• Nombre de cannelures
• Profondeur de coupe
• Dépassement de l'outil
• Serrage des pièces
• Épaisseur et densité du matériau
• Collecte des poussières ou évacuation des copeaux
• Netteté des bits
• L'escalade par rapport à la coupe traditionnelle

C'est pourquoi les tableaux et les calculateurs doivent être considérés comme des indications. Ils vous aident à éviter les estimations au hasard, mais ne remplacent pas les essais de coupe.

La rigidité de la machine change tout

L'une des principales raisons pour lesquelles les avances et les vitesses varient est la rigidité de la machine.

Une machine CNC industrielle lourde peut enfoncer une fraise de compression dans du MDF à des vitesses d'avance qui feraient vibrer, fléchir ou perdre en précision une machine CNC de bureau.

L'outil n'a pas changé. Le matériau n'a pas changé. C'est la machine qui a changé.

Une machine rigide permet de maintenir l'outil de coupe plus fermement sous charge. Une machine moins rigide peut fléchir lorsque la vitesse d'avance, la profondeur de coupe ou la charge de copeaux deviennent trop importantes. Cette flexion peut se traduire par des marques de vibration, des arêtes irrégulières, un manque de précision ou des outils cassés.

C'est pourquoi deux utilisateurs de machines CNC peuvent suivre le même tableau et obtenir des résultats différents. Le réglage correct ne concerne pas uniquement la fraise, mais l'ensemble du système de coupe.

Exemple : pourquoi un opérateur atteint un rendement de 260 IPM et un autre de 720 IPM

Dans la vidéo ci-dessus, Jeff évoque la fraise à compression à deux cannelures Amana Tool 46172-K. Le tableau de référence de cette série recommande une vitesse d'avance de 260 IPM pour l'usinage du MDF.

C'est un bon point de départ.

Mais Jeff utilise une machine puissante et rigide de 7 HP, ce qui lui permet de travailler à une vitesse d'avance bien plus élevée, de l'ordre de 720 IPM.

Sur une machine CNC de bureau plus petite, cette même fraise et ce même matériau pourraient nécessiter une vitesse d'avance bien plus lente, par exemple 120 IPM. La différence ne réside pas uniquement dans la fraise. Elle tient également à la puissance, à la rigidité, au réglage de la machine et à sa capacité à supporter les forces de coupe.

C'est précisément pour cela que les coupes d'essai sont importantes. Un tableau peut vous donner une estimation, mais c'est votre machine qui vous dit la vérité.

Influence du matériau sur les avances et les vitesses

Chaque matériau se découpe différemment. Un réglage qui fonctionne à merveille sur du MDF peut s'avérer totalement inadapté à l'acrylique ou à l'aluminium.

Problèmes courants liés à l'avance et à la vitesse

Si votre machine CNC génère de la poussière

Si votre coupe produit de la poussière fine au lieu de copeaux, il se peut que votre charge de copeaux soit trop faible.

Solutions possibles :

• Augmentez la vitesse d'avance.
• Réduisez le régime.
• Utilisez un foret comportant moins de goujures.
• Vérifiez si la mèche est émoussée.

Si votre fraise brûle le bois

La surchauffe est souvent le signe d'une chaleur excessive. L'une des causes courantes est d'avancer trop lentement alors que le foret tourne trop vite.

Solutions possibles :

• Augmentez la vitesse d'avance.
• Réduisez le régime.
• Utilisez une mèche bien affûtée.
• Améliorer le dépoussiérage et l'évacuation des copeaux.
• Réduisez le temps d'arrêt de la trajectoire d'usinage dans les angles ou les zones exiguës.

Si le plastique fond

Le plastique doit être coupé proprement, et non pas fondu. Si les copeaux ne sont pas évacués du point de coupe, la chaleur peut s'accumuler rapidement.

Solutions possibles :

• Utilisez une fraise à cannelures en O conçue pour les plastiques.
• Réduisez le régime si nécessaire.
• Augmentez la vitesse d'avance suffisamment pour obtenir des copeaux.
• Améliorer l'évacuation des copeaux.
• Évitez de retailler les copeaux.

Si la machine vibre

Des vibrations peuvent se produire lorsque l'outil de coupe, le matériau ou le réglage de la machine ne sont pas suffisamment stables pour la découpe.

Solutions possibles :

• Réduire la vitesse d'avance.
• Réduisez la profondeur de coupe.
• Réduisez la saillie de l'outil.
• Améliorer le serrage des pièces.
• Optez pour une configuration plus rigide.
• Vérifiez que la mèche et la douille de serrage sont correctement installées.

Si le bit se casse

La rupture d'une fraise peut être due à une force de coupe trop importante, à une mauvaise évacuation des copeaux, à une profondeur de coupe excessive ou à une incompatibilité entre la fraise et le matériau.

Solutions possibles :

• Réduisez la profondeur de coupe.
• Réduisez la vitesse d'avance si la charge de copeaux est trop élevée.
• Améliorer l'évacuation des copeaux.
• Utilisez la mèche adaptée au matériau.
• Vérifiez la saillie de l'outil et le serrage de la pièce.
• Assurez-vous que la pince de serrage est propre et correctement serrée.

Comment régler l'alimentation et la vitesse

La meilleure façon de déterminer les vitesses d'avance et de rotation adaptées consiste à partir d'une recommandation fiable, puis à ajuster ces paramètres en fonction de la coupe.

1. Commencez par consulter le tableau ou le calculateur fourni par le fabricant. Cela vous donnera un point de départ raisonnable pour choisir la mèche et le matériau.
2. Effectuez une coupe d'essai sur un morceau de chutes. Dans la mesure du possible, utilisez le même matériau, la même épaisseur et la même méthode de serrage.
3. Regarde les copeaux. Il faut que ce soient de vrais copeaux, pas de la poussière, ni des morceaux en train de brûler, de fondre ou de se transformer en poudre.
4. Écoutez le bruit de la coupe. Un bruit de coupe régulier et fluide est généralement préférable à un grincement, un crissement ou une forte vibration.
5. Inspectez le bord. Vérifiez qu'il ne présente pas de traces de brûlure, de peluches, de marques de vibration, de fusion, d'arrachements ou de finition imparfaite.
6. Modifiez une variable à la fois. Modifiez la vitesse d'avance, la vitesse de rotation, la profondeur de coupe ou l'outillage, mais ne modifiez pas tous ces paramètres en même temps.
7. Notez ce qui fonctionne. Prenez des notes pour chaque étape, chaque matériau et chaque réglage de la machine.

Un régime plus élevé nécessite-t-il des vitesses d'avance plus élevées ?

Ce n'est pas toujours le cas, mais il y a souvent un lien entre les deux.

Si vous augmentez la vitesse de rotation tout en conservant la même vitesse d'avance, la charge de copeaux diminue. Dans certains cas, cela peut entraîner des frottements, de la poussière, de la chaleur ou des brûlures. Pour maintenir la même charge de copeaux, vous devrez augmenter la vitesse d'avance à mesure que la vitesse de rotation augmente.

Mais ce n'est pas une règle que l'on peut appliquer aveuglément. Votre machine a tout de même ses limites. Votre foret a tout de même ses limites. Votre matériau a tout de même ses limites.

C’est pourquoi, pour la plupart des questions relatives aux avances et aux vitesses de coupe, la réponse ne se résume pas simplement à « plus rapide » ou « plus lent ». Il s’agit plutôt de maintenir une charge de copeaux adaptée à votre outil, à votre matériau et à votre machine.

Il n'y a pas de règles universelles

Les vitesses d'avance et de rotation relèvent à la fois de la science et de l'expérience.

Les tableaux et les formules peuvent vous aider à déterminer un bon point de départ. Mais ils ne permettent pas de connaître l'état exact de votre machine, le tranchant de votre foret, la rigidité de votre montage ni le comportement de votre matériau spécifique.

C'est pourquoi les opérateurs CNC expérimentés testent, écoutent, inspectent et règlent.

Le but n'est pas de reproduire à l'identique les réglages de quelqu'un d'autre. Le but est de trouver la combinaison qui permet d'obtenir des copeaux propres, une finition lisse et une usure minimale des outils de votre machine.

Réflexions finales

Les tableaux indiquant les vitesses d'avance et de rotation ne sont pas erronés. Ils constituent simplement des points de départ.

Commencez par les réglages recommandés. Effectuez une coupe d'essai. Observez les copeaux. Écoutez le bruit de la machine. Inspectez l'arête de coupe. Puis modifiez une variable à la fois.

Une fois que vous aurez compris le concept de charge de copeaux, les avances et les vitesses de coupe vous sembleront beaucoup moins mystérieuses. Vous passerez moins de temps à tâtonner, moins de temps à abîmer la pièce, et plus de temps à usiner en toute confiance.