Fraisage : Présentation et Fonctionnement d’une Fraiseuse Conventionnelle – TP N° 2

Le fraisage est l’un des procédés d’usinage les plus importants en fabrication mécanique. Il consiste à enlever progressivement de la matière d’une pièce à l’aide d’un outil coupant rotatif appelé fraise. Cette technique permet de réaliser des surfaces planes, des rainures, des épaulements et de nombreuses formes mécaniques avec une précision adaptée aux exigences de fabrication.

Le document pédagogique TP N° 2 – Fraisage (Présentation) introduit la description générale d’une fraiseuse conventionnelle et l’identification de ses principaux composants.

L’étude d’une fraiseuse est indispensable pour les étudiants en génie mécanique, les techniciens d’usinage et les futurs opérateurs sur machines-outils.

Dans ce cours, nous allons découvrir le principe du fraisage, la constitution d’une fraiseuse, le rôle de chaque élément, les principaux mouvements et les paramètres qui influencent la qualité des opérations d’usinage.

1. Qu’est-ce que le fraisage en fabrication mécanique ?

1.1. Définition du fraisage

Le fraisage est un procédé de fabrication par enlèvement de matière utilisant un outil rotatif comportant une ou plusieurs arêtes de coupe.

Pendant l’usinage, la fraise tourne autour de son axe tandis qu’un mouvement relatif entre la pièce et l’outil permet d’enlever de la matière sous forme de copeaux.

Sur une fraiseuse conventionnelle à console, la pièce est généralement fixée sur la table mobile et la fraise est montée sur la broche de la machine.

Le déplacement de la table permet de positionner la pièce et de produire les surfaces souhaitées.

1.2. Les objectifs du fraisage

Le fraisage permet d’obtenir différentes caractéristiques géométriques :

Des surfaces planes et parallèles.
Des surfaces perpendiculaires.
Des rainures droites.
Des épaulements.
Des logements et des poches.
Des contours extérieurs et intérieurs.
Certaines formes complexes avec un équipement adapté.

Ce procédé est utilisé pour fabriquer des pièces de machines, des supports, des brides, des éléments de transmission et différents composants mécaniques.

La qualité de l’usinage dépend notamment de la rigidité de la machine, de l’outil utilisé et des paramètres de coupe.

2. Description générale d’une fraiseuse conventionnelle

Une fraiseuse conventionnelle est une machine-outil destinée à l’usinage de pièces, principalement métalliques, par l’action d’une fraise en rotation.

La fraiseuse représentée dans le TP est une machine à console équipée d’une tête universelle.

Elle possède plusieurs organes mécaniques permettant d’assurer la rotation de l’outil, le déplacement de la pièce et le réglage des conditions de coupe.

2.1. Le bâti de la fraiseuse

Le bâti constitue la structure principale de la machine.

Il supporte les différents ensembles mécaniques et participe à la rigidité globale.

Sa conception doit limiter les déformations et les vibrations qui pourraient affecter la précision de l’usinage.

Le bâti est généralement réalisé en fonte ou dans un matériau présentant des propriétés adaptées à la stabilité mécanique.

2.2. La boîte de vitesses

La boîte de vitesses permet de sélectionner différentes vitesses de rotation de la broche.

Sur certaines fraiseuses conventionnelles, cette sélection est réalisée à l’aide d’engrenages et de leviers de commande.

Le choix de la vitesse dépend principalement du diamètre de la fraise, du matériau usiné et des caractéristiques de l’outil.

Une vitesse inadaptée peut provoquer une usure accélérée de l’outil, une mauvaise qualité de surface ou des efforts de coupe excessifs.

2.3. La tête universelle

La tête universelle permet d’orienter l’axe de la broche selon différentes configurations.

Elle facilite ainsi l’usinage de surfaces nécessitant une orientation particulière de l’outil.

Selon la conception de la machine, cette tête peut être réglée suivant un ou plusieurs axes angulaires.

Il est essentiel de vérifier son positionnement et son verrouillage avant une opération.

2.4. La broche

La broche est l’organe mécanique qui transmet le mouvement de rotation à l’outil de coupe.

Elle reçoit un porte-outil ou un système de fixation adapté à la fraise utilisée.

Sa précision de rotation et la qualité de ses paliers influencent directement les performances de la machine.

Une broche présentant un jeu excessif ou un défaut de rotation peut provoquer des vibrations et des imperfections sur la pièce.

2.5. L’outil de coupe

L’outil utilisé sur une fraiseuse est appelé fraise.

Il possède des arêtes tranchantes destinées à retirer la matière.

Les fraises peuvent présenter différentes formes et dimensions selon les opérations souhaitées.

On distingue notamment les fraises à surfacer, les fraises deux tailles, les fraises en bout et les fraises destinées au rainurage.

Le choix de l’outil dépend du matériau, de la géométrie à obtenir et de la capacité de la machine.

2.6. La table longitudinale

La table longitudinale supporte la pièce à usiner ou le dispositif de serrage.

Elle est généralement équipée de rainures en T permettant de fixer un étau ou des éléments de bridage.

Son déplacement longitudinal correspond habituellement à l’axe X.

La précision du mouvement dépend de l’état des glissières, du système de transmission et du réglage des jeux.

2.7. Le chariot transversal

Le chariot transversal permet de déplacer la table dans la direction perpendiculaire au mouvement longitudinal.

Ce déplacement correspond généralement à l’axe Y.

Il permet d’approcher ou d’éloigner la pièce de l’outil, selon l’orientation de la machine.

2.8. Le chariot vertical ou console

La console est un élément mobile qui supporte les chariots et la table sur de nombreuses fraiseuses conventionnelles.

Son déplacement vertical permet de régler la position de la pièce par rapport à l’outil.

Ce mouvement correspond à l’axe Z de cette architecture de machine.

La console est guidée verticalement par le bâti et possède un mécanisme adapté à son déplacement.

2.9. La boîte des avances

La boîte des avances permet de sélectionner différentes vitesses de déplacement automatique des axes équipés d’une avance motorisée.

Elle sert à adapter le mouvement relatif entre la pièce et la fraise aux conditions de coupe.

Il faut distinguer la vitesse de rotation de la broche, exprimée en tours par minute, de la vitesse d’avance, souvent exprimée en millimètres par minute.

Ces deux paramètres remplissent des fonctions différentes.

3. Les mouvements principaux d’une fraiseuse

Le fonctionnement d’une fraiseuse repose sur l’association du mouvement de coupe et des mouvements d’avance.

3.1. Le mouvement de coupe

Le mouvement de coupe correspond principalement à la rotation de la fraise.

Il permet aux arêtes tranchantes de retirer de la matière lorsqu’elles rencontrent la pièce.

La vitesse de rotation est choisie en fonction des caractéristiques de l’outil et du matériau travaillé.

3.2. Le mouvement d’avance

Le mouvement d’avance assure le déplacement relatif entre l’outil et la pièce.

Il peut être réalisé manuellement ou automatiquement selon l’équipement de la machine.

Sur une fraiseuse conventionnelle à console, ce mouvement est généralement obtenu par le déplacement de la table.

3.3. Les trois axes X, Y et Z

Les trois mouvements fondamentaux sont :

Axe X : déplacement longitudinal de la table.
Axe Y : déplacement transversal de la table.
Axe Z : déplacement vertical de la console sur la fraiseuse illustrée.

Ces directions sont essentielles pour positionner correctement la pièce pendant l’usinage.

Sur d’autres architectures, notamment certains centres d’usinage CNC, les axes peuvent être obtenus par le déplacement de la broche ou de la tête plutôt que par celui de la table.

4. Les différents types de fraiseuses

4.1. La fraiseuse horizontale

Une fraiseuse horizontale possède une broche dont l’axe principal est orienté horizontalement.

Elle est particulièrement adaptée à certaines opérations utilisant des fraises cylindriques ou des trains de fraises.

4.2. La fraiseuse verticale

La fraiseuse verticale utilise une broche dont l’axe est orienté verticalement.

Cette configuration est courante pour le surfaçage, le rainurage et de nombreuses opérations utilisant des fraises en bout.

4.3. La fraiseuse universelle

La fraiseuse universelle offre des possibilités supplémentaires grâce à certains dispositifs orientables et à une architecture polyvalente.

Selon le modèle, elle peut réaliser différents travaux nécessitant plusieurs orientations de l’outil ou de la pièce.

4.4. La fraiseuse à commande numérique CNC

Une fraiseuse CNC utilise un système de commande numérique pour contrôler les mouvements de ses axes.

Les trajectoires et les conditions de fonctionnement sont définies par un programme.

Cette technologie permet de réaliser des pièces complexes avec une bonne répétabilité.

5. Les principales opérations de fraisage

5.1. Le surfaçage

Le surfaçage consiste à usiner une surface plane à l’aide d’une fraise adaptée.

Il peut servir à créer une surface de référence ou à atteindre une dimension déterminée.

5.2. Le rainurage

Le rainurage permet de réaliser une rainure dans une pièce mécanique.

Cette opération est utilisée notamment pour les logements de clavettes et certaines formes d’assemblage.

La géométrie de la rainure dépend de la fraise et de la trajectoire d’usinage.

5.3. Le fraisage d’épaulement

Le fraisage d’épaulement consiste à obtenir deux surfaces formant généralement un angle droit.

Cette opération est fréquente dans la fabrication de pièces prismatiques.

5.4. Le contournage

Le contournage permet d’usiner un profil extérieur ou intérieur.

Sur une fraiseuse CNC, il peut être réalisé à l’aide de trajectoires programmées.

5.5. Le perçage sur fraiseuse

Une fraiseuse adaptée peut également être utilisée pour réaliser des trous à l’aide de forets montés dans la broche.

Le perçage reste toutefois une opération distincte du fraisage proprement dit.

6. Les paramètres de coupe en fraisage

La qualité du fraisage dépend du réglage de plusieurs paramètres.

6.1. La vitesse de coupe

La vitesse de coupe représente la vitesse tangentielle de l’arête de coupe par rapport à la pièce.

Elle est généralement exprimée en mètres par minute.

La relation classique permettant de calculer la vitesse de rotation est :

n = (1000 × Vc) / (π × D)

Avec :

n : vitesse de rotation en tr/min.
Vc : vitesse de coupe en m/min.
D : diamètre de coupe en mm.
π : constante mathématique approximativement égale à 3,1416.

Cette formule s’applique au cas simple où le diamètre de coupe considéré correspond au diamètre effectif utilisé pour le calcul.

6.2. La vitesse d’avance

La vitesse d’avance correspond à la vitesse de déplacement relatif entre la pièce et l’outil pendant l’usinage.

Pour une fraise, on utilise couramment la relation :

Vf = fz × z × n

Avec :

Vf : vitesse d’avance en mm/min.
fz : avance par dent en mm/dent.
z : nombre de dents de la fraise.
n : vitesse de rotation en tr/min.

6.3. Exemple de calcul pédagogique

Considérons une fraise de diamètre 50 mm et une vitesse de coupe hypothétique de 25 m/min.

La vitesse de rotation théorique est :

n = (1000 × 25) / (π × 50)

n ≈ 159 tr/min

Avec une fraise comportant 4 dents et une avance hypothétique de 0,05 mm/dent :

Vf = 0,05 × 4 × 159,15

Vf ≈ 31,8 mm/min

Ces valeurs illustrent uniquement les formules. Les paramètres réels doivent être choisis à partir des recommandations du fabricant de l’outil, des caractéristiques du matériau et des capacités de la machine.

6.4. La profondeur de passe

La profondeur de passe représente une dimension de l’engagement de l’outil dans la matière.

En fraisage, on distingue notamment la profondeur axiale et la largeur radiale de coupe.

Ces paramètres influencent les efforts de coupe, les vibrations et la quantité de matière enlevée.

7. Fraisage en opposition et fraisage en avalant

Le sens du mouvement d’avance par rapport à la rotation de la fraise permet de distinguer deux méthodes.

7.1. Le fraisage en opposition

En fraisage en opposition, l’épaisseur du copeau augmente généralement depuis une valeur faible jusqu’à sa valeur maximale pendant l’engagement de la dent.

Cette méthode a longtemps été privilégiée sur les fraiseuses conventionnelles présentant du jeu dans les vis d’avance.

7.2. Le fraisage en avalant

En fraisage en avalant, l’épaisseur du copeau évolue généralement de sa valeur maximale vers une valeur faible.

Cette méthode peut présenter des avantages concernant les efforts de coupe et la qualité de surface.

Cependant, sur certaines fraiseuses conventionnelles présentant un jeu important dans le système d’avance, elle peut entraîner un déplacement incontrôlé de la table.

Le choix de la méthode doit donc tenir compte de l’état et des caractéristiques de la machine.

8. Travaux pratiques : présentation d’une fraiseuse

8.1. Objectifs pédagogiques du TP

Le TP N° 2 consacré au fraisage peut servir à développer plusieurs compétences :

Reconnaître les organes d’une fraiseuse.
Identifier les mouvements de coupe et d’avance.
Comprendre le rôle de la broche.
Distinguer les boîtes de vitesses et d’avances.
Reconnaître les axes longitudinal, transversal et vertical.
Comprendre le principe du maintien des pièces.
Identifier les règles essentielles de sécurité.

8.2. Observation et identification de la machine

La première étape consiste à examiner la fraiseuse à l’arrêt.

L’étudiant identifie le bâti, la table, les chariots, la console, la broche et la tête universelle.

Il peut ensuite repérer les organes de réglage et les commandes des différents mouvements, selon les instructions de son encadrant.

8.3. Compréhension du maintien de la pièce

Avant toute opération, la pièce doit être immobilisée à l’aide d’un dispositif adapté.

Les systèmes courants comprennent les étaux de fraisage, les brides et différents montages spécifiques.

Un serrage insuffisant peut provoquer un déplacement de la pièce sous l’action des efforts de coupe.

8.4. Vérification des connaissances

À la fin du TP, l’étudiant doit pouvoir expliquer le fonctionnement général de la fraiseuse et identifier les différents mouvements de la machine.

Il doit également comprendre comment le choix de la fraise, la vitesse de rotation et l’avance influencent l’opération.

9. Les règles de sécurité pendant le fraisage

L’utilisation d’une fraiseuse présente plusieurs risques mécaniques.

Les outils rotatifs, les projections de copeaux et les déplacements de la table nécessitent une vigilance particulière.

Les principales précautions comprennent :

Utiliser les protections prévues sur la machine.
Porter une protection oculaire adaptée.
Maintenir les cheveux attachés et éviter les vêtements flottants.
Ne jamais porter de gants à proximité d’éléments rotatifs en fonctionnement.
Vérifier le serrage de la pièce et de l’outil avant le démarrage.
Arrêter la broche avant toute intervention nécessitant un contact avec la zone de coupe.
Retirer les copeaux avec un outil adapté, machine arrêtée.
Respecter les procédures de réglage, de maintenance et de consignation.

Les démonstrations et manipulations doivent être réalisées sous la supervision d’une personne qualifiée.

10. L’importance du fraisage en génie mécanique

Le fraisage occupe une place importante dans les ateliers de fabrication et de maintenance industrielle.

Il est utilisé dans les secteurs automobile, aéronautique, énergétique, ferroviaire et dans la fabrication de machines.

L’apprentissage des principes du fraisage conventionnel facilite également la compréhension des centres d’usinage modernes.

Même lorsque les opérations sont automatisées par commande numérique, les notions de vitesse de coupe, d’avance, de géométrie de l’outil et de rigidité restent fondamentales.

FAQ – Questions fréquentes sur le fraisage

Qu’est-ce que le fraisage ?

Le fraisage est un procédé d’usinage par enlèvement de matière utilisant un outil rotatif appelé fraise pour obtenir différentes surfaces et formes mécaniques.

Quels sont les principaux composants d’une fraiseuse ?

Les principaux composants comprennent le bâti, la broche, la tête, la table longitudinale, le chariot transversal, la console, la boîte de vitesses et la boîte des avances.

Quelle est la différence entre fraisage et tournage ?

En fraisage, le mouvement de coupe est principalement assuré par la rotation de l’outil. En tournage conventionnel, c’est généralement la pièce qui effectue le mouvement principal de rotation.

À quoi sert la boîte de vitesses d’une fraiseuse ?

Elle permet de sélectionner la vitesse de rotation de la broche afin d’adapter le fonctionnement de l’outil aux conditions d’usinage.

Quels sont les trois axes principaux d’une fraiseuse ?

Les trois axes principaux sont X pour le déplacement longitudinal, Y pour le déplacement transversal et Z pour le déplacement vertical, selon la configuration de la machine.

Quelle est la différence entre une fraiseuse conventionnelle et une fraiseuse CNC ?

Une fraiseuse conventionnelle est principalement commandée par l’opérateur, alors qu’une fraiseuse CNC utilise un programme numérique pour piloter les mouvements et les opérations.

Pourquoi faut-il calculer la vitesse de rotation ?

Le calcul permet de déterminer une vitesse adaptée au diamètre de l’outil et à la vitesse de coupe recommandée afin de réaliser l’usinage dans de bonnes conditions.

À qui s’adresse le TP N° 2 Fraisage ?

Ce TP peut servir aux étudiants en génie mécanique, aux élèves des formations techniques, aux techniciens de fabrication et aux personnes débutant l’apprentissage des machines-outils.

Conclusion

Le TP N° 2 – Fraisage (Présentation) constitue une introduction essentielle à la connaissance des fraiseuses conventionnelles et des procédés de fabrication mécanique.

L’identification des principaux composants, notamment la broche, la boîte de vitesses, la boîte des avances, la table et les chariots, permet de mieux comprendre le fonctionnement de la machine.

L’étude des mouvements X, Y et Z, des outils de coupe et des paramètres d’usinage apporte les bases nécessaires à la réalisation de travaux pratiques.

Ces connaissances sont indispensables pour progresser en fabrication mécanique et aborder ensuite le fraisage sur machines CNC.

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