Pinces ER sur défonceuse CNC : glissement et faux-rond

Si une fraise de défonceuse glisse ou tombe d'une pince ER, c'est surtout parce que l'écrou est sous-serré (REGO-FIX recommande 24 Nm pour ER11 et 80 Nm pour ER20 à pleine capacité d'alésage), parce que la pince serre près du bas de sa plage de fermeture de 0.5–1.0 mm selon ISO 15488, ou parce que de la résine et de la poussière recouvrent la queue et le cône. Ces causes sont à traiter en premier ; le remplacement de la broche ne se justifie que lorsqu'un test d'indexation du faux-rond montre que l'erreur reste liée au cône de broche. Ce guide couvre les tailles ER11, ER16, ER20 et ER32 sur électrobroches refroidies par eau, défonceuses à portique et affleureuses équipées d'adaptateurs ER11.

Les broches de défonceuse utilisent les mêmes pinces ISO 15488 que les porte-outils de centre d'usinage, mais les conditions d'utilisation diffèrent : l'écrou se serre directement sur la broche, les fraises ont souvent des queues en pouces montées dans des jeux de pinces métriques, et les copeaux sont de la poussière fine et de la résine plutôt que du métal. Pour le dimensionnement général des pinces, voir le tableau des tailles et guide de sélection des pinces ER ; pour le tableau complet des couples et la séquence de serrage standard, voir le guide couple de serrage et faux-rond des pinces ER.

Aide-mémoire des pinces pour défonceuse

Quelle taille ER équipe la broche de défonceuse et quelle queue elle accepte

Sur une défonceuse CNC, la taille de la pince ER fixe la plus grosse queue que la broche peut recevoir : selon ISO 15488, ER11 va jusqu'à 7 mm, ER16 jusqu'à 10 mm, ER20 jusqu'à 13 mm et ER32 jusqu'à 20 mm. C'est pourquoi une fraise de surfaçage à queue de 1/2 in (12.7 mm) ne peut pas du tout entrer dans une broche ER16 et nécessite une ER20 ou plus grande.

Configurations courantes de défonceuses, variables selon le fabricant :

• Petites défonceuses à moteur à balais (classe « 3018 » de bureau) : ER11, souvent sous forme de rallonge séparée fixée par vis sans tête sur un arbre moteur de 5 mm plutôt que de nez de broche intégré.
• Électrobroches refroidies par eau ou par air d'environ 0.8–1.5 kW : généralement ER11 ou ER16.
• Broches d'environ 2.2 kW : généralement ER20, la plus petite taille qui accepte les queues de 1/2 in.
• Défonceuses industrielles avec changeur d'outils : mandrins à pince ER25 ou ER32 dans des porte-outils cône 30 ou HSK, où les fraises à queue de 1/2 in et 3/4 in sont courantes.
• Affleureuses : une pince d'origine de 1/4 in, 6 mm ou 8 mm ; les modèles 1/4 in et 6 mm reçoivent souvent un nez ER11 ou un adaptateur du marché secondaire (l'ER11 plafonne à 7 mm, donc pas de queues de 8 mm).

ISO 15488 définit la pince, l'alésage du porte-pince et le filetage de l'écrou pour les tailles ER11 à ER40, ce qui explique qu'une pince ER20 d'un fabricant s'adapte sur une broche de défonceuse ER20 d'un autre. ISO 15488 fixe également la plage de fermeture de la forme B : 0.5 mm pour ER11 et 1.0 mm de ER16 à ER40. Une pince ER11 marquée 7 mm serre donc de 7.0 à 6.5 mm, tandis qu'une pince ER16 ou ER20 de 7 mm serre de 7.0 à 6.0 mm. Cette fenêtre étroite de l'ER11 explique que les utilisateurs d'ER11 rencontrent plus souvent que ceux d'ER20 des problèmes d'ajustement entre cotes en pouces et cotes métriques.

Pourquoi les fraises de défonceuse glissent ou tombent des pinces ER

Sur une broche de défonceuse, le glissement de la fraise relève d'abord de la force de serrage, et la broche n'est en cause qu'en dernier lieu. Il convient de parcourir cette liste dans l'ordre — chaque étape coûte moins que la suivante :

1. Couple insuffisant. L'écrou se serre sur la broche avec deux clés plates. Atteindre 80 Nm sur une ER20 demande bien plus d'effort que ce que la plupart des opérateurs appliquent au jugé (la section 04 en donne le calcul), et la force de serrage augmente à peu près proportionnellement au couple de l'écrou.
2. Pince inadaptée à la queue. Une queue proche du bas de la plage de fermeture est tenue principalement à l'avant et à l'arrière de l'alésage, et non sur toute sa longueur (section 03).
3. Insertion trop courte. Les fraises de défonceuse et de gravure à queue courte ne sont souvent serrées que sur une partie de l'alésage. Une règle d'atelier fréquemment citée consiste à remplir au moins les deux tiers de la longueur de l'alésage de la pince ; en deçà, la pince s'évase à l'entrée et perd sa tenue.
4. Film de résine, d'huile ou de poussière. La résine du bois et la poussière de MDF sur la queue ou dans les fentes de la pince réduisent le frottement entre queue et alésage, si bien qu'un même couple transmet moins de force de maintien.
5. Pince non clipsée dans l'écrou. Une pince d'abord enfoncée dans le cône de broche puis recouverte par l'écrou peut se mettre de travers, et l'écrou charge alors un côté de la pince plus que l'autre.
6. Pince usée. Les pinces de classe 2 durent généralement 500–1 000 cycles de serrage. Une défonceuse qui change de fraise dix fois par poste atteint cette plage en 50 à 100 postes environ.
7. Cône de broche endommagé. Une pince qui a glissé et tourné laisse des anneaux brillants ou des traces de fretting dans le cône de broche ; dès lors, même une pince neuve peut glisser, et le cône doit généralement être rectifié ou l'arbre remplacé.

Les fraises hélicoïdales à coupe montante s'extraient d'elles-mêmes de la pince, car leur hélice remonte le copeau et pousse l'outil vers le bas le long de son axe — une fraise qui s'enfonce en cours de travail signale donc un manque de tenue, et non un défaut de l'axe Z. Les fraises à coupe descendante poussent au contraire l'outil dans la pince et tendent à masquer un serrage faible jusqu'à une plongée importante.

Le problème des fraises 1/8 in : plage de fermeture et queues en pouces dans des pinces métriques

Dans un jeu ER16 métrique à pas de 1 mm, une fraise de 1/8 in (3.175 mm) tombe dans la pince de 4 mm, qui couvre 4.0 à 3.0 mm selon la plage standard d'ISO 15488 — la pince est alors fermée de 0.825 mm, soit environ 83% de sa plage de 1.0 mm, et tient généralement la queue surtout aux extrémités de l'alésage. La pince de 3 mm n'accepte pas du tout la queue (3.0 à 2.0 mm). Les jeux à pas de 0.5 mm ajoutent une pince de 3.5 mm, qui serre la queue 0.325 mm sous la cote nominale. ISO 15488 autorise aussi, sur accord, une plage de 0.5 mm de ER16 à ER40, et certains fabricants annoncent ainsi chaque pince de demi-taille ; une pince de 4 mm annoncée 4.0–3.5 mm n'atteint pas du tout une queue de 1/8 in, d'où l'intérêt de vérifier la plage de serrage indiquée par le fabricant. Une pince dédiée 1/8 in serre la même queue à sa cote nominale, avec un alésage en contact sur toute sa longueur.

Le même calcul s'applique à d'autres queues de défonceuse courantes. Il convient de choisir la pince dont la cote nominale est égale ou juste supérieure à la queue, aussi proche que le jeu le permet :

Une fraise de 1/4 in n'entre pas dans une pince de 6 mm, et une fraise de 6 mm dans une pince ER11 de 1/4 in utilise 0.35 mm d'une plage de 0.5 mm — c'est exploitable, mais une pince de 6 mm la serre à la cote nominale. La queue est à mesurer au micromètre avant de choisir : les fraises vendues en 1/4 in font parfois un peu moins de 6.35 mm, ce qui les fait descendre encore dans la plage de la pince.

Le second volet du problème 1/8 in est le couple. Selon REGO-FIX, un écrou standard ER16 n'est prévu que pour 20 Nm avec des alésages de pince de 1.5–3.5 mm, contre 56 Nm pour les alésages de 5–10 mm ; serrer une pince 1/8 in à la valeur ER16 pleine taille risque donc d'écraser la petite pince. Le même tableau donne 32 Nm pour les alésages ER20 de 1.5–6.5 mm — qui incluent les queues de 1/8 in comme de 1/4 in — et 80 Nm seulement à partir de 7 mm.

Couple de l'écrou sur une broche de défonceuse : valeurs, effort sur la clé et écrous mini

REGO-FIX, à l'origine du système ER, publie un tableau des couples de serrage ventilé par type d'écrou et par alésage de pince, repris par plusieurs autres fabricants ; c'est la référence pratique lorsque la marque de l'écrou d'une broche de défonceuse est inconnue. ISO 15488 spécifie les dimensions de la pince, du porte-pince et de l'écrou, mais aucun couple de serrage. Valeurs pour un écrou standard, par alésage de pince :

Les écrous mini ont un filetage plus fin, non ISO, et acceptent un couple bien plus faible : l'écrou est donc à identifier avant d'appliquer une valeur d'écrou standard. Le filetage permet de les distinguer : ER11 standard M14×0.75 contre mini M13×0.75, ER16 M22×1.5 contre M19×1, et ER20 M25×1.5 contre M24×1.

L'effort à fournir découle du bras de levier :

F = T / L

où F est l'effort de la main en bout de clé (N), T le couple de l'écrou (Nm) et L la distance entre le centre de l'écrou et la main (m). La longueur du manche est déterminante : 80 Nm sur une ER20 exigent environ 533 N (soit une traction d'environ 54 kg) en bout d'une clé de 150 mm, mais environ 320 N avec un manche de 250 mm. Pour ER11, 24 Nm à 100 mm représentent environ 240 N ; pour ER16 à 56 Nm et 150 mm, environ 373 N. Peu d'opérateurs appliquent de tels efforts au jugé, ce qui explique que les écrous sous-serrés soient une cause fréquente de fraises qui s'enfoncent.

Sur une broche de défonceuse, le couple de l'écrou doit être repris par une seconde clé sur les méplats de l'arbre — ou par le blocage de broche — et non par les roulements de broche ou le portique. De nombreux utilisateurs de défonceuses emploient pour l'écrou une clé ER compatible avec une clé dynamométrique (ou un adaptateur pour clé dynamométrique) et maintiennent les méplats de l'arbre avec la clé de broche ; serrer contre un arbre qui tourne librement ou contre un moteur bloqué ne donne pas un couple reproductible.

Clipsage, montage et nettoyage dans un atelier à poussière de bois

La plupart des écrous ER comportent une bague d'extraction excentrique, et la pince doit être clipsée dans cette bague avant de monter l'écrou sur la broche — sinon l'écrou ne peut pas extraire la pince du cône au desserrage. Sur une broche de défonceuse verticale, la séquence ci-dessous évite aussi que la pince et la fraise tombent sur le martyr lors d'un changement :

1. Incliner la pince dans l'écrou pour que sa gorge accroche la bague excentrique, puis appuyer sur le côté opposé jusqu'au déclic. Tenir l'écrou face vers le bas : une pince clipsée reste en place et tourne librement et centrée.
2. Visser l'écrou de deux ou trois tours sur la broche, puis insérer la fraise à la profondeur prévue, en remplissant l'alésage autant que la queue le permet.
3. Accoster l'écrou à la main, puis serrer au couple en une seule traction régulière tout en maintenant l'arbre.
4. Pour changer de fraise, desserrer l'écrou au-delà du premier point de résistance ; la seconde résistance correspond à la bague excentrique qui extrait la pince du cône.

La résine du bois est le contaminant propre aux défonceuses : déposée sur la queue et dans les fentes de la pince, elle réduit le frottement qui tient la fraise ; l'alésage et les fentes de la pince ainsi que la queue de la fraise sont donc à nettoyer avec un solvant à résine et une brosse en laiton dès que des dépôts sont visibles. Le cône de broche est à essuyer à chaque changement de pince avec un chiffon propre non pelucheux ou un nettoyeur de cône. Mieux vaut éviter de souffler de l'air à haute pression directement dans le nez de broche, ce qui peut pousser de la poussière fine au-delà du joint du roulement avant ; brosser et essuyer plutôt. Le cône de la pince et le cône de broche doivent rester propres et secs, et seul un léger film d'huile est à appliquer sur le filetage de l'écrou.

Quel faux-rond attendre et comment distinguer la pince de la broche

Le faux-rond pèse sur une défonceuse parce que l'épaisseur de copeau de chaque goujure varie jusqu'à la valeur du faux-rond : pour une fraise à deux goujures dans le pire des cas, la goujure longue coupe environ l'avance par dent plus le faux-rond, et la goujure courte l'avance par dent moins le faux-rond.

h_long ≈ f_z + TIR et h_short ≈ f_z − TIR

où f_z est l'avance par dent programmée et TIR le faux-rond d'une goujure à l'autre. C'est le pire des cas, lorsque le point haut du faux-rond coïncide avec une goujure ; dans d'autres orientations l'écart est plus faible, mais la goujure longue reste surchargée. Le faux-rond devient prépondérant dès qu'il approche l'avance par dent : à f_z = 0.05 mm, 0.025 mm de faux-rond donnent 0.075 mm sur une goujure et 0.025 mm sur l'autre, et à 0.05 mm de faux-rond la seconde goujure cesse complètement de couper, laissant une seule goujure à deux fois l'avance par dent prévue. Cela se traduit par des bords pelucheux dans le contreplaqué, des copeaux fondus dans les plastiques et une fraise qui s'émousse sur une seule goujure. Pour les fondamentaux de l'avance par dent, voir vitesses et avances des fraises carbure.

La « règle du dixième » de BIG DAISHOWA estime que chaque 0.0001 in (2.5 µm) de faux-rond coûte environ 10% de durée de vie de l'outil, de sorte que 0.01 mm de faux-rond en coûte environ 40% dans des conditions de finition typiques. Cette règle provient des fraises pour l'usinage des métaux, mais le mécanisme d'épaisseur de copeau décrit ci-dessus s'applique aussi aux fraises de défonceuse dans le bois et les plastiques.

Le budget de faux-rond au niveau de la fraise est la somme de celui du cône de broche, de la pince et de la queue de la fraise. Une pince ISO 15488 de classe 2 admet jusqu'à 0.015 mm de TIR pour les alésages jusqu'à 10 mm à la longueur d'essai normalisée (16 mm pour les alésages de 3–6 mm, 25 mm pour 6–10 mm), tandis que les qualités de précision des fabricants atteignent 0.005 mm ou mieux. En règle pratique, un système de défonceuse dont la mesure est égale ou inférieure à la tolérance classe 2 de la pince est sain ; une mesure supérieure à environ deux fois cette tolérance désigne un composant défectueux précis qu'il vaut la peine d'identifier.

Le test d'indexation à 90° distingue l'erreur de la pince de celle de la broche en une dizaine de minutes :

1. Serrer une pige rectifiée ou une ébauche carbure connue pour être rectiligne à la place d'une fraise, et la palper près de l'écrou puis à environ 25 mm en saillie, avec un comparateur de résolution 0.001 mm ou 0.002 mm (voir le guide de sélection des micromètres et comparateurs).
2. Repérer le point haut par rapport au nez de broche. Desserrer, tourner la pince de 90° par rapport à la broche, resserrer au même couple et mesurer de nouveau.
3. Si le point haut se déplace avec la pince, la cause est la pince ou l'écrou ; s'il reste à la même position angulaire sur la broche, la cause est le cône ou l'arbre de broche.
4. Palper directement l'alésage conique de la broche à vide. Une mesure du cône proche ou supérieure à la moitié de la tolérance de la pince (environ 0.008 mm) signifie que la broche consomme le budget avant même qu'une pince soit montée.

Les affleureuses équipées d'adaptateurs ER11 empilent deux interfaces de serrage en série, si bien que leur faux-rond peut atteindre la somme des deux interfaces lorsque les deux points hauts s'alignent. Un adaptateur dont la queue se serre dans la pince d'origine de 1/4 in ou 6 mm de l'affleureuse met bout à bout l'erreur de la pince de l'affleureuse et celle de l'adaptateur, avec un porte-à-faux supplémentaire ; un nez de remplacement vissé directement sur l'arbre de l'affleureuse supprime une interface. Sur les défonceuses de bureau dont le nez ER11 est une rallonge fixée par vis sans tête sur un arbre moteur de 5 mm, cette liaison domine généralement la mesure, et aucune pince plus performante ne peut la corriger.

Synthèse

Sources

• ISO 15488:2003 — Collets with 8° setting angle for tool shanks
• REGO-FIX — Recommended tightening torque for ER and MR clamping nuts
• REGO-FIX — ER System product catalogue (collet clamping ranges, nut types)
• BIG DAISHOWA — The One Tenth = 10% Rule and Effects of Runout