Qu'est-ce qu'une machine à commande numérique (CNC) ?
Une machine à commande numérique (CNC) est une machine d'usinage pilotée par des instructions programmées afin d'effectuer des opérations précises de découpe, de perçage, de tournage ou d'autres opérations d'usinage. Au lieu de reposer sur des mouvements manuels, la machine suit des trajectoires d'outils numériques pour contrôler la position et le déplacement de l'outil de coupe et de la pièce à usiner.
Les machines CNC se déclinent en différentes configurations selon la méthode d'usinage, le nombre d'axes et la géométrie des pièces. Parmi les types les plus courants, on trouve : Fraiseuses à commande numérique, tours à commande numérique et centres d'usinage à commande numérique, avec des configurations à 3, 4 et 5 axes utilisées pour différents niveaux de complexité.
Le choix de la machine CNC adaptée dépend avant tout de la géométrie de la pièce, caractéristiques requises, matériau, tolérances et nombre de réglages plutôt que le simple nombre d'axes de la machine.
Fraisage CNC vs tournage CNC
Le fraisage CNC et le tournage CNC comptent parmi les méthodes d'usinage CNC les plus répandues, mais elles procèdent à l'enlèvement de matière de manière différente.
Fraisage CNC
Dans le fraisage CNC, l'outil de coupe tourne tandis que la pièce à usiner est fixée à la table de la machine ou à un dispositif de serrage. L'outil se déplace le long d'axes programmés pour enlever de la matière et créer des formes telles que des poches, des rainures, des trous, des gradins, des contours et des surfaces complexes.
Le fraisage CNC est particulièrement adapté à :
- Pièces prismatiques et de forme irrégulière
- Boîtiers et supports
- Plaques et éléments de structure
- Pièces comportant plusieurs faces ou des éléments qui se croisent
- Géométries 3D complexes
Selon la configuration de la machine, le fraisage peut être effectué avec 3, 4, 5 axes ou plus.
Tournage CNC
Dans le tournage CNC, la pièce tourne autour de son axe central tandis qu'un outil de coupe se déplace contre elle. Le tournage s'avère donc particulièrement efficace pour réaliser des pièces tournées présentant des diamètres réguliers.
Le tournage CNC est couramment utilisé pour :
- Arbres
- Épingles
- Bagues
- Entretoises
- Boîtiers cylindriques
- Pièces filetées
- Pièces présentant des caractéristiques concentriques
Le tournage est généralement la solution la plus efficace lorsque la géométrie principale est rond, cylindrique ou à symétrie de révolution.
Quand privilégier le fraisage plutôt que le tournage ?
Ce choix dépend avant tout de la géométrie de la pièce.
| Exigence | Fraisage CNC | Tournage CNC |
|---|---|---|
| Surfaces planes | Excellent | Limité |
| Poches et fentes | Excellent | Limité |
| Contours complexes | Excellent | Limité |
| Éléments cylindriques | Adapté | Excellent |
| Diamètres concentriques | Adapté | Excellent |
| Fils de discussion | Possible | Excellent |
| Formes irrégulières | Excellent | Limité |
Pour certains composants, le fraisage et le tournage sont utilisés conjointement. Les machines de tournage-fraisage permettent de combiner ces deux opérations lorsqu'une pièce comporte à la fois des éléments tournés et fraisés, ce qui réduit le nombre de réglages nécessaires.
Qu'est-ce qu'un centre d'usinage CNC ?
Un centre d'usinage à commande numérique (CNC) est une machine CNC conçue pour effectuer plusieurs opérations d'usinage en un seul serrage. Outre le déplacement contrôlé des axes, les centres d'usinage sont généralement équipés d'un système de changement automatique d'outils, ce qui permet d'utiliser différents outils de coupe pour des opérations telles que le fraisage, le perçage et le taraudage.
Les deux configurations courantes sont les suivantes : les centres d'usinage verticaux (VMC) et les centres d'usinage horizontaux (HMC).
Centres d'usinage verticaux
Un centre d'usinage vertical est équipé d'une broche orientée verticalement, l'outil de coupe s'approchant de la pièce à usiner par le haut.
Les machines d'usinage à commande numérique (VMC) sont largement utilisées car elles offrent :
- Accès flexible à la pièce à usiner
- Une configuration efficace pour de nombreux types de pièces
- Bonne visibilité pendant l'usinage
- Particulièrement adapté aux prototypes et à la production en petites et moyennes séries
Ils sont couramment utilisés pour la fabrication de supports, de boîtiers, de plaques, de fixations et d'autres pièces usinées à usage général.
Centres d'usinage horizontaux
Un centre d'usinage horizontal positionne la broche à l'horizontale, ce qui permet à l'outil de coupe d'approcher la pièce par le côté.
Cette configuration peut présenter des avantages dans les cas suivants :
- Pièces nécessitant un usinage sur plusieurs faces
- Pochettes profondes et cavités
- Séries de production plus importantes
- Applications dans lesquelles l'évacuation des copeaux est importante
L'orientation de la machine permet d'usiner plusieurs surfaces avec moins de réglages, ce qui améliore la régularité et l'efficacité de la production pour les pièces concernées.
Qu'est-ce que l'usinage CNC à 3 axes ?
L'usinage CNC à 3 axes est la configuration d'usinage CNC la plus basique et la plus répandue. L'outil de coupe se déplace selon trois axes linéaires — X, Y et Z — pour usiner la pièce.
Ces trois axes représentent généralement :
- Axe X : mouvement de gauche à droite
- Axe Y : mouvement d'avant en arrière
- Axe Z : mouvement de haut en bas
Une machine à 3 axes permet de fabriquer une grande variété de pièces lorsque les caractéristiques requises sont accessibles depuis la direction d'approche de l'outil.
Fonctionnement d'une machine CNC à 3 axes
Lors de l'usinage sur trois axes, la pièce reste fixe tandis que l'outil de coupe se déplace le long des axes X, Y et Z selon la trajectoire programmée.
Pour les pièces présentant des caractéristiques sur plusieurs faces, il peut s'avérer nécessaire de repositionner la pièce ou de la refixer entre les différentes opérations. La planification de la mise en place devient donc un aspect important à prendre en compte pour les composants plus complexes.
L'usinage sur 3 axes est souvent privilégié lorsque la géométrie de la pièce peut être usinée efficacement à partir d'une seule orientation d'outil ou d'un petit nombre d'orientations.
Applications typiques
L'usinage CNC à 3 axes est couramment utilisé pour :
- Supports
- Plaques
- Couverture
- Boîtiers
- Calendrier
- Éléments structurels simples
- Pièces comportant des poches, des trous et des contours accessibles
Il est particulièrement efficace pour géométries simples et production à coûts maîtrisés, tandis que les pièces à faces multiples plus complexes peuvent tirer parti d'un usinage à 4 ou 5 axes.
Qu'est-ce que l'usinage CNC à 4 axes ?
L'usinage CNC à 4 axes ajoute un axe rotatif aux trois axes linéaires X, Y et Z. Cet axe supplémentaire permet à la pièce ou à l'outil de coupe de tourner, ce qui permet à la machine d'accéder à plusieurs faces d'un composant sans avoir à le retirer complètement du dispositif de serrage.
Fonctionnement d'une machine CNC à 4 axes
Une machine à 4 axes combine généralement Mouvements linéaires selon les axes X, Y et Z, avec un mouvement rotatif selon l'axe A autour de l'axe X. L'axe rotatif permet de repositionner la pièce pendant l'usinage, ce qui permet de réaliser des éléments sur différentes faces.
Par rapport à l'usinage à 3 axes, l'usinage à 4 axes permet de réduire le nombre d'étapes de repositionnement manuel nécessaires pour certaines pièces. Il s'avère particulièrement utile lorsque plusieurs éléments doivent être usinés autour d'un composant.
Quand l'usinage à 4 axes est utile
L'usinage à 4 axes peut convenir particulièrement aux pièces qui nécessitent :
- Usinage sur plusieurs faces
- Trous ou éléments radiaux
- Éléments disposés autour d'un axe central
- Éléments répétés autour d'un composant
- Moins d'opérations de repositionnement manuelles
Cette méthode offre un compromis pratique lorsque la pièce est plus complexe qu’une pièce usinée habituellement en 3 axes, mais ne nécessite pas les mouvements simultanés et multidirectionnels de l’outil propres à l’usinage en 5 axes.
Qu'est-ce que l'usinage CNC à 5 axes ?
L'usinage CNC à 5 axes permet à l'outil de coupe et à la pièce à usiner de se déplacer selon cinq axes, en combinant trois axes linéaires et deux axes rotatifs. Cela permet à l'outil d'aborder la pièce sous plusieurs angles au cours d'une opération d'usinage.
La configuration exacte des axes rotatifs varie selon les machines, mais l'avantage fondamental reste le même : Il est ainsi possible d'obtenir davantage d'orientations d'outils sans avoir à repositionner la pièce à usiner à plusieurs reprises.
Fonctionnement d'une machine CNC à 5 axes
Une machine à 5 axes combine Mouvements linéaires selon les axes X, Y et Z, ainsi que deux mouvements de rotation supplémentaires. Ces mouvements coordonnés permettent à l'outil de coupe de conserver une orientation adéquate par rapport à des surfaces complexes.
Contrairement à l'usinage classique à 3 axes, l'usinage à 5 axes permet de modifier en continu l'angle de l'outil tout en suivant une trajectoire complexe. Cela permet d'usiner des éléments qui, sans cela, nécessiteraient plusieurs réglages ou des dispositifs de fixation spécialisés.
Avantages de l'usinage 5 axes
Géométries complexes
L'usinage 5 axes est particulièrement efficace pour les pièces présentant des cavités profondes, des surfaces inclinées, des courbes composées et des zones difficiles d’accès depuis une seule direction.
Ce mouvement rotatif supplémentaire offre à l'outil de coupe une plus grande liberté pour aborder ces éléments sous des angles adaptés.
Moins de configurations
L'usinage d'une pièce complexe peut nécessiter plusieurs orientations sur une machine à 3 axes. Grâce à l'usinage 5 axes, bon nombre de ces orientations peuvent être réalisées au cours d'un même serrage.
Une réduction du nombre de réglages peut permettre de réduire :
- Temps de mise en place
- Modifications apportées au système de serrage
- Erreurs d'alignement
- Intervention manuelle
Cela s'avère particulièrement utile lorsque plusieurs éléments doivent conserver des relations de position très précises entre eux.
Accessibilité améliorée
Ces axes supplémentaires permettent à l'outil de coupe d'aborder les pièces sous différents angles, ce qui facilite l'accès à des zones qui pourraient être inaccessibles sur une machine conventionnelle à 3 axes.
Cela permet également d'utiliser des outils plus courts dans certaines applications, ce qui contribue à améliorer la stabilité d'usinage lors du traitement de pièces présentant des formes profondes ou complexes.
Qu'est-ce que l'usinage CNC à 7 axes ?
L'usinage CNC à 7 axes combine plusieurs mouvements linéaires et rotatifs afin d'offrir une plus grande liberté de mouvement que les machines classiques à 3, 4 ou 5 axes. La configuration exacte varie selon les machines et peut associer une broche d'usinage multiaxiale à des mouvements rotatifs ou articulés supplémentaires.
Loin de se contenter d'offrir " deux axes supplémentaires ", les systèmes à 7 axes sont conçus pour coordonner plusieurs mouvements afin d'atteindre des zones complexes et d'optimiser l'orientation de l'outil.
En quoi les machines à 7 axes se distinguent-elles ?
La principale différence réside dans la une plus grande amplitude de mouvements coordonnés.
Un système à 7 axes peut offrir :
- Un positionnement plus flexible des outils
- Un meilleur accès aux éléments complexes
- Moins d'opérations de repositionnement
- Plus de liberté lors de l'usinage de géométries complexes
Cependant, l'ajout d'axes supplémentaires accroît également la complexité de la machine, les exigences en matière de programmation, les considérations relatives au réglage et le coût global de l'équipement.
Applications typiques et limites
L'usinage à 7 axes est généralement réservé aux pièces spécialisées pour lesquelles l'usinage multiaxial classique ne permet pas d'assurer efficacement l'accès ou les mouvements requis.
Parmi les applications typiques, on peut citer :
- Composants aérospatiaux complexes
- Pièces liées aux turbines et aux roues
- Composants aux contours très marqués
- Composants robotiques ou articulés spécialisés
- Pièces nécessitant un usinage multidirectionnel poussé
Pour de nombreuses pièces usinées sur des machines CNC classiques, la capacité à 7 axes n'est pas nécessaire. L'objectif n'est pas d'utiliser le plus grand nombre d'axes disponibles, mais de choisir la configuration de machine la plus simple capable de produire efficacement la géométrie et la qualité requises.
CNC à 3 axes, à 4 axes, à 5 axes et à 7 axes
| Fonctionnalité | CNC à 3 axes | CNC à 4 axes | CNC à 5 axes | CNC à 7 axes |
|---|---|---|---|---|
| Mouvements de base | X, Y, Z | Axes rotatifs X, Y, Z + 1 | X, Y, Z + 2 axes rotatifs | Plusieurs axes linéaires et rotatifs |
| Accès aux pièces | Principalement à partir d'une seule orientation d'outil à la fois | Accès amélioré depuis plusieurs côtés | Accès multidirectionnel | Accès multidirectionnel extrêmement flexible |
| Complexité des pièces | De simple à moyennement complexe | Modéré | De complexe à très complexe | Très spécialisé et complexe |
| Configurations courantes | En savoir plus sur les pièces à plusieurs faces | Moins de 3 axes | Souvent considérablement réduits | Permet de réduire au minimum le repositionnement des pièces adaptées |
| Orientation de l'outil | Limité | Amélioration grâce au positionnement rotatif | Orientation de l'outil sous plusieurs angles | Très flexible |
| Idéal pour | Plaques, supports, boîtiers, poches de base et contours | Pièces présentant des caractéristiques sur plusieurs faces ou axes | Surfaces complexes, détails profonds, pièces à multiples faces | Géométries complexes spécialisées |
| Complexité de la programmation | Plus bas | Modéré | Plus élevé | Haut |
| Complexité des machines | Plus bas | Modéré | Haut | Très élevé |
| Flexibilité de production | Prix élevé pour les pièces standard | Plus élevé pour les pièces à plusieurs faces | Élevé pour les composants complexes | Spécialisé |
| Niveau de coût habituel | Plus bas | Modéré | Plus élevé | Le plus élevé |
| Quand cela s'avère judicieux | La géométrie est accessible avec les orientations standard des outils | Un accès rotatif supplémentaire améliore l'efficacité | Une géométrie complexe ou des configurations multiples justifient le recours à l'usinage multiaxial | Une géométrie spécifique nécessite des mouvements coordonnés et complexes |
Un plus grand nombre d'axes ne garantit pas automatiquement un meilleur usinage. La configuration appropriée dépend de la géométrie, de l'accessibilité, des exigences de tolérance, du volume de production et de la rentabilité globale de la fabrication de la pièce.
Comment choisir la machine CNC adaptée à une pièce ?
Le choix de la machine CNC appropriée doit se fonder sur les exigences de fabrication de la pièce, et non simplement sur le nombre maximal d'axes dont dispose la machine.
Tenez compte des facteurs suivants :
Géométrie des pièces
Les pièces prismatiques simples peuvent ne nécessiter qu’un usinage à 3 axes, tandis que les pièces présentant de multiples surfaces inclinées, des cavités profondes ou des contours complexes peuvent tirer parti d’un usinage à 4 ou 5 axes.
Fonctionnalités d'accessibilité
Réfléchissez au nombre de directions dans lesquelles l'outil de coupe doit s'approcher de la pièce. Si certaines caractéristiques importantes ne peuvent pas être usinées efficacement avec les orientations standard de l'outil, l'ajout d'axes rotatifs supplémentaires peut se justifier.
Nombre de configurations
Si une pièce nécessite d'être repositionnée à plusieurs reprises, une machine à 4 ou 5 axes peut réduire les opérations de réglage et améliorer la régularité des résultats.
Exigences en matière de tolérance
Les pièces présentant des relations étroitement contrôlées entre plusieurs caractéristiques peuvent bénéficier d'un nombre réduit de réglages, car la diminution des repositionnements permet de limiter les variations d'alignement potentielles.
Volume de production
Pour des volumes de production plus importants, il peut être judicieux d'investir dans une machine plus performante si cela permet de réduire le temps de réglage et la durée du cycle d'usinage. Pour les pièces plus simples, en revanche, une machine à axe inférieur peut rester le choix le plus économique.
Dimensions et matériau de la pièce
L'enveloppe de la machine, les capacités de la broche, le système de serrage et l'usinabilité du matériau doivent également être adaptés à la pièce. Une machine multiaxiale hautement performante ne sert à rien si la pièce dépasse sa plage de travail ou si la machine est mal adaptée au matériau.
Guide pratique de sélection
La meilleure approche en matière d'usinage CNC consiste à trouver un équilibre entre capacités de la machine, géométrie des pièces, précision, exigences de réglage, volume de production et coût. En tant que partenaire expérimenté dans l'usinage CNC, Dakings Rapid examine chaque pièce sous l'angle de l'ingénierie et de la production afin de déterminer la solution de fabrication la plus efficace. De l'usinage 3 axes et 4 axes aux procédés CNC 5 axes et spécialisés, nous choisissons l'approche la plus adaptée pour atteindre le niveau de qualité et de précision requis, tout en optimisant l'efficacité de la production, les délais de fabrication et les coûts.
