Fraise boule, torique et conique — usinage de forme en CNC
La fraise boule (ball nose), la fraise torique (bull nose) et la fraise conique (tapered)sont les 3 outils de forme fondamentaux pour l'usinage 3D. Choisir le bon outil + calculer correctement la Vc effective (souvent très différente du Ø nominal) détermine la qualité de surface et la durée de vie outil. Ce guide couvre les 3 familles, la formule Ø effectif, la hauteur de crête (cusp height) et les 4 stratégies FAO associées (raster, waterline, scallop, pencil).
FRAISES DE FORME — RÉFÉRENCE USINAGE 3D
Ø_eff = 2 × √(R² − (R − ap)²). Erreur classique : calculer sur Ø nominal → Vc réelle 3× inférieure à l'objectif. Cusp height: h = R − √(R² − (ae/2)²), Ra ≈ h/4 en pratique. 4 stratégies FAO: (1) raster Z-level (plats, simple), (2) waterline Z-constant (parois > 30°), (3) scallop constant (qualité haute, FAO avancé), (4) pencil tracing (congés résiduels). Tabous: usiner à la pointe boule (Vc=0 racle), torique sur creux < R coin (collision géométrique).Les 3 familles d'outils de forme
Chaque famille a un domaine d'application distinct. La boule est polyvalente mais fragile à la pointe ; la torique est rigide mais limitée par son rayon de coin ; la conique permet l'accès aux dépouilles sans 5 axes.
| Type de fraise | Géométrie | Avantages clés | Limites | Usage typique |
|---|---|---|---|---|
| Boule (ball nose) | R = D/2 sur toute la pointe | Toutes surfaces gauches convexes/concaves, congés sans outil dédié, essentielle 3D libre | Vc = 0 à la pointe (Z0), Ra élevé à grands ae (cusp), moins rigide qu'une torique | Surfaces gauches, moulages, ébauche + finition 3D |
| Torique / bull nose | R coin 0.5-6 mm, fond plat | Bien meilleure rigidité, état de surface supérieur en surfaçage, congé constant en pied | Ne peut pas usiner creux < R coin, moins polyvalente que boule sur formes complexes | Surfaçage de forme, ébauche semi-finition, congés de pied |
| Conique (tapered) | Angle 1°-20°, Ø pointe variable | Accès dépouilles et parois inclinées sans 5 axes, plus rigide que boule longue | Trajectoire Z dépend angle (CAO obligatoire), Ra fonction qualité FAO | Parois à dépouille, moules injection, matrices forge |
Vitesse de coupe effective — fraise boule (Ø effectif)
En fraise boule, le diamètre réellement en contact dépend de la profondeur axiale ap.Utiliser le Ø nominal dans le calcul de N conduit à une Vc effective bien inférieure à l'objectif— c'est la cause #1 de mauvais Ra en finition moules.
; Fraise boule Ø10 mm (R = 5 mm) ; Profondeur axiale ap = 0.3 mm (finition surface courbe) ; Ø effectif = 2 × √(R² − (R − ap)²) ; Ø_eff = 2 × √(5² − (5 − 0.3)²) ; Ø_eff = 2 × √(25 − 22.09) ; Ø_eff = 2 × √2.91 ≈ 2 × 1.706 ≈ 3.41 mm ; Si Vc cible = 150 m/min : ; N = 1000 × Vc / (π × Ø_eff) ; N = 1000 × 150 / (π × 3.41) ≈ 14 000 tr/min ; ; Calculer TOUJOURS sur Ø_eff — sinon Vc réelle << objectif ; Erreur courante : calculer sur Ø nominal 10 mm → N = 4 775 tr/min ; → Vc effective = 150 × (3.41/10) = 51 m/min seulement !
Hauteur de crête (cusp height) — lien avec Ra
La hauteur de crête est la « vague » laissée entre deux passes adjacentes. Elle conditionne directement le Ra de la surface usinée en 3D. Compromis type : diviser ae par 2 → temps cycle × 5 mais Ra divisé par ~4.
; Hauteur de crête (cusp height) — fraise boule Ø10, R = 5 mm ; Pas latéral ae = 1 mm ; h = R − √(R² − (ae/2)²) ; h = 5 − √(5² − 0.5²) ; h = 5 − √(25 − 0.25) ; h = 5 − √24.75 ; h = 5 − 4.975 ≈ 0.025 mm = 25 µm ; Pour atteindre Ra ≈ 0.8 µm → ae ≈ 0.2 mm (cusp ≈ 1 µm) ; Plus ae est petit, meilleur est le Ra — mais le temps cycle × 5 ; Ra théorique ≈ cusp height / 4 (approximation pratique)
4 stratégies FAO pour l'usinage de forme
Les FAO modernes (Mastercam, Fusion 360, hyperMILL, NX, PowerMill) proposent ces 4 stratégies natives. Combiner waterline + raster couvre 80 % des moules ; scallop + pencil finalisent les pièces optiques.
| Stratégie | Principe | Usage recommandé |
|---|---|---|
| Balayage (raster / Z-level) | Passes parallèles X ou Y à Z constant — simple à programmer | Ébauche et finition pièces plates à relief modéré |
| Contournage Z-constant (waterline) | Passes à Z constant suivant les courbes de niveau | Parois verticales et quasi-verticales (>30°), moules — combiné avec balayage |
| Suiveur de surface (scallop constant) | Maintient hauteur de crête constante quelle que soit la pente | Finition haute qualité surfaces libres, moules optiques (FAO avancé requis) |
| Pencil tracing (filet de coin) | Passe unique dans congés et jonctions inaccessibles aux passes de surface | Nettoyage filets fond moule, jonctions convexe/concave |
Pour aller plus loin — articles connexes
Mémo Atelier CNC — Paramètres de coupe par matière
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Questions fréquentes
Sources et références
- ISO 8688-2:1989 — Tool-life testing in milling, Part 2 : End milling (référence usure boule).
- ISO 4287:1997 — Spécifications géométriques produits — état de surface (lien Ra/cusp height).
- ASM Handbook Volume 16 — Machining (chapitre Mold and Die Machining).
- Sandvik Coromant — CoroMill ball nose / bull nose / tapered (selection guide).
- Kennametal — Mold Making Solutions catalog (formules Ø effectif).
- Walter Tools — Protomax ball nose endmills technical reference.
- Mikron Tool — CrazyMill ball nose precision endmills.
- Iscar — MULTIMASTER ball / bull nose interchangeable heads.