Apprendre à calculer les paramètres de coupe

usinage cnc
Vous souhaitez calculer les vitesses d’avance et de rotation pour vos usinages cnc mais vous n’y comprenez rien ? Je vous explique tout ça.

Calculer les vitesses d’avance et de rotation n’est pas quelque chose d’évident quand on débute. Ce sont des réglages très importants pour la qualité de l’usinage, pour protéger vos fraises d’une usure prématurée et pour éviter le risque de casse.

Dans cet article je vous propose de revoir les bases du calcul de ces réglages et je vous propose en même temps dans un autre article, un calculateur qui adapte automatiquement les paramètres suivant les capacités de votre machine.

Attention tout de même, ce n’est pas une science exacte, la rigidité de la machine, la qualité de la fraise et la densité du bois (qui peut être différente entre 2 panneaux du même bois) fait qu’il vaudra mieux réaliser des tests pour commencer. Utilisez des valeurs en dessous de celles obtenues et augmentez progressivement jusqu’à trouver les bonnes valeurs d’usinage.
Même si les calculs ne vous donneront pas la recette parfaite, ça vous donnera tout de même une bonne idée des paramètres à utiliser.

Le résultat souhaité

Le but d’un bon réglage est avant tout d’éviter de faire surchauffer la fraise, tout en restant efficace. Pour ça le meilleur moyen de s’en rendre compte c’est d’observer les copeaux.

Des copeaux trop fin seront mal évacués, il feront chauffer la fraise et risquent de l’émousser rapidement. En général c’est du a une vitesse de coupe trop rapide.
A l’inverse des copeaux trop gros vont bourrer la fraise, elle va sauter (risque de casse) et la finition ne sera pas propre. En général c’est du a une vitesse de coupe trop lente.

Il faut donc trouver le juste milieu pour avoir la bonne quantité de copeaux et qu’il ne soient ni trop fin, ni trop épais afin qu’il soient évacués efficacement. Ce n’est pas forcement évident au début, c’est pour ça que je vous recommande toujours de réaliser des tests.

Les paramètres

Dans le tableau ci dessous, je vous ai mis tous les paramètres nécessaires pour calculer tout ce qu’on aura besoin. Je vous ai aussi mis les formules, mais vous vous rendrez vite compte qu’il est impossible de les calculer car il nous manque des informations (Vc, Fz, K). Ces informations on les retrouve sur des abaques (voir ci-dessous).

  • Vitesse de rotation / Spindle speed [ n ]
    Vitesse de rotation de la broche
    Unité : rpm
    Formule : (1000 * Vc) / ( Π * D)
  • Vitesse d’avance / Feedrate [ Vf ]
    Vitesse de déplacement de la fraise en X et Y.
    Unité : mm/min
    Formule : n * fz * Z
  • Vitesse d’avance en Z / Plungerate
    Vitesse de déplacement de la fraise en Z.
    Unité : mm/min
    Formule : Vf / 2
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    Profondeur de matière usinée à chaque passe.
    Unité : mm
    Formule : K * D
  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Distance parcourue par une dent en une minute.
    Unité : m/min
    Formule : (D * Π * n) / 1000
  • Avance par dent / Chip load [ fz ]
    Épaisseur de copeau que peut évacuer une dent en une rotation.
    Unité : mm/dent
    Formule : Vf / (Z * n)
  • Diamètre de la fraise / Diameter [ D ]
    Diamètre de la partie coupante de la fraise.
    Unité : mm
  • Nombre de dents / Number of flutes [ Z ]
    Nombre de parties coupantes au bout de la fraise.
  • Coefficient d’effort de coupe [ K ]
    Utilisé pour le calcul de la profondeur de coupe.

→ Les paramètres qu'on veut calculer

  • Vitesse de rotation de la broche (n)
  • Vitesse d’avance en X et Y (Vf)
  • Vitesse d’avance en Z (Vf / 2)
  • Profondeur de coupe (ap)

L'abaque

Vous vous demandez peut-être ce qu’est un abaque. C’est tout simplement un tableau de valeurs de référence fournis par les fournisseurs de matériaux ou de fraises. 
On trouve sur internet de nombreux abaques qui permettent de connaitre la vitesse de coupe (vc), l’avance par dent (fz) et le coefficient d’effort de coupe (K) ou directement la profondeur de passe(ap).
Malheureusement, ils sont souvent prévus pour de l’usinage de métaux pour des machines industrielles et non pour de l’usinage de bois sur des machine de bureau comme les nôtres. Ils donnent donc souvent des réglages inadaptés et impossibles a atteindre avec nos petites machines.

Heureusement pour nous le site Euro-makers.com a récolté ces informations et me les a mis à disposition, on va donc réaliser nos calculs en se basant dessus.

  • Avance par dent :
    Évidement il n’y a pas toutes les tailles de fraises donc on sélectionnera la taille la plus proche ou inférieure.
  • Profondeur de coupe :
    Ici la profondeur de coupe est déjà calculée par rapport au diamètre de la fraise et aux différents matériaux.
    Ces valeurs sont données pour des machines type Aureus3x, Xcarve, Shapeoko…
    Pour les machines type CNC 3018 qui sont peu rigides, il faut diviser AP par 4.
    Pour les machines industrielles très rigides, vous pouvez multiplier AP par 2.5.
    Dans les cas d’un résultat aberrant, ne dépassez pas 2 fois le diamètre ou la moitié de la hauteur de coupe de votre fraise.

Bois tendres / MDF

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 250 m/min
    Fraise Carbure : 500 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ]
    ⌀ 2mm : 0.050 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.060 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.150 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.200 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.300 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 1 mm
    ⌀ 3mm : 2 mm
    ⌀ 4mm : 3 mm
    ⌀ 5mm : 4 mm
    ⌀ 6mm : 6 mm

Bois dur, Contreplaqué

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 250 m/min
    Fraise Carbure : 500 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ]
    ⌀ 2mm : 0.040 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.060 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.090 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.130 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.180 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 0.6 mm
    ⌀ 3mm : 1.5 mm
    ⌀ 4mm : 2.5 mm
    ⌀ 5mm : 3.5 mm
    ⌀ 6mm : 6 mm

PVC expansé

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 175 m/min
    Fraise Carbure : 350 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ]
    ⌀ 2mm : 0.050 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.100 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.200 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.300 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.400 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 1.2 mm
    ⌀ 3mm : 2.5 mm
    ⌀ 4mm : 4 mm
    ⌀ 5mm : 5 mm
    ⌀ 6mm : 6 mm

POM, PMMA, PC

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 130 m/min
    Fraise Carbure : 260 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ]
    ⌀ 2mm : 0.025 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.035 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.050 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.070 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.100 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 0.6 mm
    ⌀ 3mm : 1.2 mm
    ⌀ 4mm : 2 mm
    ⌀ 5mm : 3.5 mm
    ⌀ 6mm : 5 mm

Cuivre, Laiton

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 75 à 100 m/min
    Fraise Carbure : 150 à 200 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ] 
    ⌀ 2mm : 0.015 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.025 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.040 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.050 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.070 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ] (mm)
    ⌀ 2mm : 0.4 mm
    ⌀ 3mm : 0.7 mm
    ⌀ 4mm : 0.9 mm
    ⌀ 5mm : 1.2 mm
    ⌀ 6mm : 1.5 mm

Aluminium (Si < 10%) avec lubrification de la fraise

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 50 à 75 m/min
    Fraise Carbure : 100 à 150 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ] 
    ⌀ 2mm : 0.015 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.025 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.035 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.045 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.060 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 0.3 mm
    ⌀ 3mm : 0.6 mm
    ⌀ 4mm : 0.9 mm
    ⌀ 5mm : 1.2 mm
    ⌀ 6mm : 1.5 mm

Aluminium (Si < 10%) avec lubrification de la fraise

  • Vitesse de coupe / Cutting speed [ vc ]
    Fraise HSS : 30 à 50 m/min
    Fraise Carbure : 60 à 100 m/min
  • Avance par dent / Chip load [ fz ] 
    ⌀ 2mm : 0.006 mm/dent
    ⌀ 3mm : 0.015 mm/dent
    ⌀ 4mm : 0.020 mm/dent
    ⌀ 5mm : 0.030 mm/dent
    ⌀ 6mm : 0.040 mm/dent
  • Profondeur de coupe / Depth per pass [ ap ]
    ⌀ 2mm : 0.15 mm
    ⌀ 3mm : 0.3 mm
    ⌀ 4mm : 0.5 mm
    ⌀ 5mm : 0.7 mm
    ⌀ 6mm : 0.9 mm

Exemples de calculs

Une fois les calculs faits, il va peut-être falloir les ajuster pour qu’il correspondent aux capacités de votre cnc. En effet, il n’est pas rare d’obtenir des valeurs de vitesse de rotation de l’ordre de 50000 tours par minutes ou des vitesses d’avance de 8000 mm/min. C’est bien trop élevé pour nos petites machines.
On va voir comment ajuster ça.

Vous voulez donc usiner du contreplaqué avec une fraise carbure de 3mm qui possède 2 dents.
Votre machine à une vitesse de rotation maximale de 25000 tr/min et une vitesse d’avance maximale de 2500 mm/min.

1 – On commence par récupèrer les informations disponibles ci dessus :
Vc : 500m/min
Fz : 0.06 mm/dent
ap: 1.5 mm
D : 3 mm
Z : 2 dents

2 – On calcule la vitesse de rotation :
n = (1000 * Vc) / ( Π * D)
n = (1000 * 500) / ( Π * 3 )
n = 53051 tr/min

Vous obtenez une vitesse de rotation de  53051 tr/min mais votre machine a une vitesse de rotation de 25000 tr/min maximum.
Vous prenez donc 25000 tr/min comme vitesse de rotation.

3 – On calcule la vitesse d’avance :

Vf = n * fz * Z
Vf = 25000 * 0.06 * 2
Vf = 3000 mm/min

La vitesse d’avance est donc de 3000 mm/min, sauf que votre machine a une vitesse d’avance maximale de 2500 mm/min.
On va donc choisir 2500 mm/min comme vitesse d’avance.

4 – On adapte de nouveau la vitesse de rotation :

Maintenant il faut de nouveau adapter la vitesse de rotation de la broche.
Pour ça on va prendre la vitesse maximale de la machine et la diviser par la valeur de Vf que l’on a obtenu pour obtenir le ratio de réduction.

Ratio = Vf max / Vf = Ratio
Ratio = 2500 / 3000
Ratio = 0.83

Il ne reste plus qu’a multiplier la vitesse de rotation que l’on avait choisi par la valeur du ratio.

n = n * ratio
n = 25000 * 0.83
n = 20750 tr/min

Les paramètres finaux sont :

Vitesse de rotation (n) = 20750 tr/min
Vitesse d’avance (fz) = 2500 mm/min
Vitesse d’avance en Z (fz / 2) = 1250mm/min
La profondeur de coupe (ap) = 1.5mm

Vous voulez donc usiner du sapin avec une fraise carbure de 2mm qui possède 2 dents.
Votre machine à une vitesse de rotation maximale de 20000 tr/min et une vitesse d’avance maximale de 1400 mm/min.

1 – On commence par récupérer les informations disponibles ci dessus :
Vc : 500m/min
Fz : 0.05 mm/dent
ap : 1 mm
D : 2 mm
Z : 2 dents

2 – On calcule la vitesse de rotation :
n = (1000 * Vc) / ( Π * D)
n = (1000 * 500) / ( Π * 2 )
n = 79577 tr/min

Vous obtenez une vitesse de rotation de  79577 tr/min mais votre machine a une vitesse de rotation de 20000 tr/min maximum.
Vous prenez donc 20000 tr/min comme vitesse de rotation.

3 – On calcule la vitesse d’avance :

Vf = n * fz * Z
Vf = 20000 * 0.05 * 2
Vf = 2000 mm/min

La vitesse d’avance est donc de 2000 mm/min, sauf que votre machine a une vitesse d’avance maximale de 1400 mm/min.
On va donc choisir 1400 mm/min comme vitesse d’avance.

4 – On adapte de nouveau la vitesse de rotation :

Maintenant il faut de nouveau adapter la vitesse de rotation de la broche.
Pour ça on va prendre la vitesse maximale de la machine et la diviser par la valeur de Vf que l’on a obtenu pour obtenir le ratio de réduction.

Ratio = Vf max / Vf = Ratio
Ratio = 1400 / 2000
Ratio = 0.7

Il ne reste plus qu’a multiplier la vitesse de rotation que l’on avait choisi par la valeur du ratio.

n = n * ratio
n = 20000 * 0.7
n = 14000 tr/min

Les paramètres finaux sont :

Vitesse de rotation (n) = 14000 tr/min
Vitesse d’avance (fz) = 1400 mm/min
Vitesse d’avance en Z (fz / 2) = 700mm/min
La profondeur de coupe (ap / 4) = 0.25 mm

Attention :
Pour les machines type CNC 3018 qui sont peu rigides ,il faut diviser la profondeur de coupe par 4 (soit 0.25mm).

Calculateur de paramètres de coupe

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