Rainure de clavetage 20 H9 à la fraise deux tailles : conditions de coupe et dérive dimensionnelle
Sur une fraiseuse à console, un opérateur doit réaliser la rainure de clavetage d'un arbre de Ø70 mm en XC38. La rainure est normalisée 20 H9, profondeur 6 mm, longueur 120 mm, et débouche sur le bout de l'arbre. L'outil disponible est une fraise deux tailles en acier rapide Ø20 mm, 6 dents, avec une avance par dent fz = 0,05 mm/dent. L'atelier retient Vc = 25 m/min et une puissance de coupe spécifique kc = 2 000 N/mm² pour cette nuance. La broche développe 4 kW avec un rendement de 0,80. Le premier réglage prévoit une passe unique de 6 mm de profondeur. Après 25 rainures, le contrôle dimensionnel montre une dérive : les trois premières pièces mesurent 20,030 mm, 20,025 mm et 20,028 mm, alors que la vingt-cinquième mesure 20,008 mm. Le responsable d'atelier veut un calcul des conditions de coupe, une validation de la passe unique et une explication chiffrée de la dérive.
1. Calculer la fréquence de rotation, la vitesse d'avance et le temps de coupe par passe, en tenant compte de la course réelle de l'outil.
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1. Fréquence de rotation : n = 1 000·Vc/(π·D) = 1 000×25/(π×20) = 397,9 tr/min
On prend la vitesse normalisée immédiatement supérieure disponible sur la machine : n = 400 tr/min → Vc réelle = π×20×400/1 000 = 25,1 m/min (écart 0,5 %, acceptable).
2. Vitesse d'avance : vf = fz × z × n = 0,05 × 6 × 400 = 120 mm/min.
3. Temps de coupe : la course inclut la longueur de la rainure plus l'entrée et la sortie de la fraise (rayon ≈ 10 mm de chaque côté, soit environ 20 mm) : Lc = 120 + 20 = 140 mm.
tc = Lc/vf = 140/120 = 1,17 min ≈ 70 s par passe.
Si l'on retient deux passes de 3 mm (voir question suivante) : environ 2 min 20 s de coupe, à majorer des temps de positionnement, de dégagement et de contrôle. Remarque : l'avance par dent de 0,05 mm pour une fraise ARS de Ø20 est du domaine de l'ébauche fine ; en finition on descendrait à 0,02-0,03 mm/dent, ce qui allongerait le temps mais améliorerait l'état de surface (Ra) et la tenue de la cote.
2. Vérifier si la passe unique de 6 mm est acceptable du point de vue de la puissance, puis conclure sur la faisabilité réelle.
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1. Débit de copeau : Q = ae × ap × vf = 20 × 6 × 120 = 14 400 mm³/min = 240 mm³/s.
2. Puissance de coupe : Pc = Q × kc = 240 × 2 000 = 480 000 N·mm/s = 0,48 kW.
3. Puissance absorbée à la broche : Pabs = Pc/η = 0,48/0,80 = 0,60 kW, très inférieure aux 4 kW disponibles. La puissance n'est pas limitante ; la passe unique est donc acceptable de ce seul point de vue.
4. Effort tangentiel : Ft = Pc/Vc = 480 W / (25/60 m/s) = 1 152 N. C'est loin d'être négligeable sur une fraise de Ø20 : avec une saillie de 40 mm, le moment de flexion à l'encastrement vaut environ 46 N·m, ce qui fait fléchir et vibrer l'outil (rapport l/D = 2).
5. Conclusion de métier : la passe unique est rejetée non pas pour la puissance mais pour la rigidité de l'outil, l'évacuation des copeaux et la tenue de la cote. En rainurage à la fraise deux tailles, on limite ap à environ 0,15-0,20 × D en ARS, soit 3 à 4 mm. On retient donc 2 passes de 3 mm (ou 3 passes si l'état de surface l'exige), plus une passe de finition avec avance réduite. Cela reste compatible avec le temps atelier et protège la cote 20 H9.
3. Expliquer la dérive dimensionnelle observée (20,030 → 20,008 mm en 25 pièces), proposer les actions correctives et définir le moyen de contrôle adapté à la spécification 20 H9.
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1. Origine de la dérive : la largeur de la rainure est imposée par le diamètre de la fraise. L'usure des arêtes (et l'affûtage qui réduit le diamètre) font diminuer ce diamètre, donc la largeur mesurée. La dérive est de 20,030 − 20,008 = 0,022 mm sur 25 pièces, soit environ 0,9 µm par pièce, évolution quasi linéaire caractéristique d'une usure d'outil en finition.
2. Risque : la spécification 20 H9 correspond à 20,000 / 20,052 mm. La limite basse est 20,000 : à 20,008 mm il ne reste que 8 µm de marge, soit environ 9 pièces avant sortie de tolérance au rythme observé. Par ailleurs les premières pièces étaient à 20,025-20,030, soit 30 µm au-dessus de la cible, donc le réglage initial était déjà mal centré.
3. Actions correctives
- Changer (ou réaffûter) la fraise dès que la largeur mesurée atteint 20,015 mm, et non attendre la limite basse.
- Recentrer le démarrage vers 20,025-20,030 mm (milieu de tolérance ≈ 20,026) pour utiliser toute la plage.
- Contrôler la première pièce, puis toutes les 5 pièces, avec une carte de contrôle (moyenne et étendue) pour anticiper la dérive.
- Vérifier le faux-rond et le battement de l'outil : un battement surestime la largeur en début de vie d'outil.
- Stabiliser la lubrification et la vitesse d'avance : une variation d'avance modifie l'usure.
4. Moyen de contrôle : IT9 sur 20 mm vaut 52 µm, donc par la règle du 1/10 l'incertitude de mesure doit être ≤ 5,2 µm. Le pied à coulisse (20 µm de résolution) est insuffisant ; on retient un micromètre numérique à résolution 1 µm (ou un comparateur avec piges étalons), mesuré à 3 endroits sur la longueur, avec pièce stabilisée à 20 °C. On peut compléter par une jauge fonctionnelle (cale de 20,000 mm côté mini et 20,052 mm côté maxi) pour un tri rapide en production.