L'usinage de précision est un processus permettant d'enlever de la matière d'une pièce lors du maintien de finitions à tolérances serrées.Il existe de nombreux types de machines de précision, notamment le fraisage, le tournage et l'usinage par électroérosion.Aujourd’hui, une machine de précision est généralement contrôlée à l’aide d’une commande numérique par ordinateur (CNC).
Presque tous les produits métalliques nécessitent un usinage de précision, tout comme de nombreux autres matériaux tels que le plastique et le bois.Ces machines sont exploitées par des machinistes spécialisés et formés.Pour que l'outil de coupe fasse son travail, il doit être déplacé dans les directions spécifiées pour effectuer la coupe correcte.Ce mouvement principal est appelé « vitesse de coupe ».La pièce à usiner peut également être déplacée, ce que l'on appelle le mouvement secondaire « d'avance ».Ensemble, ces mouvements et la netteté de l’outil de coupe permettent à la machine de précision de fonctionner.
Un usinage de précision de qualité nécessite la capacité de suivre des plans extrêmement spécifiques réalisés par des programmes de CAO (conception assistée par ordinateur) ou de FAO (fabrication assistée par ordinateur) comme AutoCAD et TurboCAD.Le logiciel peut aider à produire les diagrammes ou les contours complexes en 3 dimensions nécessaires à la fabrication d'un outil, d'une machine ou d'un objet.Ces plans doivent être respectés avec beaucoup de détails pour garantir qu’un produit conserve son intégrité.Même si la plupart des entreprises d'usinage de précision travaillent avec une certaine forme de programmes CAO/FAO, elles travaillent encore souvent avec des croquis dessinés à la main dans les phases initiales d'une conception.
L'usinage de précision est utilisé sur un certain nombre de matériaux, notamment l'acier, le bronze, le graphite, le verre et les plastiques, pour n'en nommer que quelques-uns.Selon la taille du projet et les matériaux à utiliser, divers outils d'usinage de précision seront utilisés.N'importe quelle combinaison de tours, fraiseuses, perceuses à colonne, scies et meuleuses, et même des robots à grande vitesse, peut être utilisée.L'industrie aérospatiale peut utiliser l'usinage à grande vitesse, tandis que l'industrie de fabrication d'outils de menuiserie peut utiliser des procédés de gravure et de fraisage photochimiques.La production d’une série, ou une quantité spécifique d’un article particulier, peut se chiffrer en milliers, ou n’être que quelques-uns.L'usinage de précision nécessite souvent la programmation d'appareils CNC, ce qui signifie qu'ils sont à commande numérique par ordinateur.Le dispositif CNC permet de suivre les dimensions exactes tout au long de l'exécution d'un produit.
Le fraisage est le processus d'usinage consistant à utiliser des fraises rotatives pour enlever de la matière d'une pièce en avançant (ou en introduisant) la fraise dans la pièce dans une certaine direction.La fraise peut également être maintenue selon un angle par rapport à l'axe de l'outil.Le fraisage couvre une grande variété d'opérations et de machines différentes, depuis les petites pièces individuelles jusqu'aux opérations de fraisage groupées de grande envergure et lourdes.Il s’agit de l’un des procédés les plus couramment utilisés pour usiner des pièces personnalisées selon des tolérances précises.
Le fraisage peut être effectué avec une large gamme de machines-outils.La classe originale de machines-outils pour le fraisage était la fraiseuse (souvent appelée moulin).Après l'avènement de la commande numérique par ordinateur (CNC), les fraiseuses ont évolué vers des centres d'usinage : des fraiseuses complétées par des changeurs d'outils automatiques, des magasins ou carrousels d'outils, des capacités CNC, des systèmes de refroidissement et des boîtiers.Les centres de fraisage sont généralement classés en centres d'usinage verticaux (VMC) ou en centres d'usinage horizontaux (HMC).
L'intégration du fraisage dans les environnements de tournage, et vice versa, a commencé avec l'outillage sous tension pour les tours et l'utilisation occasionnelle de fraises pour les opérations de tournage.Cela a conduit à une nouvelle classe de machines-outils, les machines multitâches (MTM), spécialement conçues pour faciliter le fraisage et le tournage dans la même enveloppe de travail.
Pour les ingénieurs de conception, les équipes de R&D et les fabricants qui dépendent de l'approvisionnement en pièces, l'usinage CNC de précision permet la création de pièces complexes sans traitement supplémentaire.En fait, l’usinage CNC de précision permet souvent de fabriquer des pièces finies sur une seule machine.
Le processus d'usinage enlève de la matière et utilise une large gamme d'outils de coupe pour créer la conception finale, souvent très complexe, d'une pièce.Le niveau de précision est amélioré grâce à l'utilisation de la commande numérique par ordinateur (CNC), qui permet d'automatiser le contrôle des outils d'usinage.
Le rôle du "CNC" dans l'usinage de précision
À l'aide d'instructions de programmation codées, l'usinage CNC de précision permet à une pièce d'être coupée et façonnée selon les spécifications sans intervention manuelle d'un opérateur de machine.
À partir d'un modèle de conception assistée par ordinateur (CAO) fourni par un client, un machiniste expert utilise un logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) pour créer les instructions d'usinage de la pièce.Sur la base du modèle CAO, le logiciel détermine les trajectoires d'outils nécessaires et génère le code de programmation qui indique à la machine :
■ Quels sont les régimes et vitesses d'avance corrects
■ Quand et où déplacer l'outil et/ou la pièce à usiner
■ Quelle profondeur couper
■ Quand appliquer du liquide de refroidissement
■ Tout autre facteur lié à la vitesse, à l'avance et à la coordination
Un contrôleur CNC utilise ensuite le code de programmation pour contrôler, automatiser et surveiller les mouvements de la machine.
Aujourd'hui, la CNC est une fonctionnalité intégrée à une large gamme d'équipements, depuis les tours, fraiseuses et routeurs jusqu'aux machines d'électroérosion à fil (usinage par électroérosion), au laser et au plasma.En plus d'automatiser le processus d'usinage et d'améliorer la précision, la CNC élimine les tâches manuelles et permet aux machinistes de superviser plusieurs machines fonctionnant en même temps.
De plus, une fois qu'un parcours d'outil a été conçu et qu'une machine est programmée, elle peut exécuter une pièce un nombre illimité de fois.Cela offre un niveau élevé de précision et de répétabilité, ce qui rend le processus très rentable et évolutif.
Des matériaux usinés
Certains métaux couramment usinés comprennent l'aluminium, le laiton, le bronze, le cuivre, l'acier, le titane et le zinc.De plus, le bois, la mousse, la fibre de verre et les plastiques comme le polypropylène peuvent également être usinés.
En fait, presque tous les matériaux peuvent être utilisés avec un usinage CNC de précision – bien sûr, en fonction de l'application et de ses exigences.
Quelques avantages de l'usinage CNC de précision
Pour la plupart des petites pièces et composants utilisés dans une large gamme de produits manufacturés, l’usinage CNC de précision est souvent la méthode de fabrication de choix.
Comme c'est le cas pour pratiquement toutes les méthodes de découpe et d'usinage, différents matériaux se comportent différemment, et la taille et la forme d'un composant ont également un impact important sur le processus.Cependant, en général, le processus d’usinage CNC de précision offre des avantages par rapport aux autres méthodes d’usinage.
En effet, l'usinage CNC est capable de fournir :
■ Un haut degré de complexité des pièces
■ Tolérances strictes, allant généralement de ±0,0002" (±0,00508 mm) à ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finitions de surface exceptionnellement lisses, y compris des finitions personnalisées
■ Répétabilité, même à des volumes élevés
Alors qu'un machiniste qualifié peut utiliser un tour manuel pour fabriquer une pièce de qualité en quantités de 10 ou 100, que se passe-t-il lorsque vous avez besoin de 1 000 pièces ?10 000 pièces ?100 000 ou un million de pièces ?
Avec l’usinage CNC de précision, vous pouvez obtenir l’évolutivité et la vitesse nécessaires à ce type de production en grand volume.De plus, la haute répétabilité de l’usinage CNC de précision vous permet d’obtenir des pièces identiques du début à la fin, quel que soit le nombre de pièces que vous produisez.
Il existe des méthodes très spécialisées d'usinage CNC, notamment l'électroérosion à fil (usinage par décharge électrique), l'usinage additif et l'impression laser 3D.Par exemple, l'électroérosion à fil utilise des matériaux conducteurs (généralement des métaux) et des décharges électriques pour éroder une pièce en lui donnant des formes complexes.
Cependant, nous nous concentrerons ici sur les processus de fraisage et de tournage, deux méthodes soustractives largement disponibles et fréquemment utilisées pour l'usinage CNC de précision.
Fraisage ou tournage
Le fraisage est un processus d'usinage qui utilise un outil de coupe cylindrique rotatif pour enlever de la matière et créer des formes.L'équipement de fraisage, connu sous le nom de fraiseuse ou de centre d'usinage, réalise un univers de géométries de pièces complexes sur certains des plus grands objets métalliques usinés.
Une caractéristique importante du fraisage est que la pièce reste immobile pendant que l'outil de coupe tourne.Autrement dit, sur une fraiseuse, l'outil de coupe en rotation se déplace autour de la pièce, qui reste fixée en place sur un banc.
Le tournage est le processus de découpe ou de façonnage d'une pièce sur un équipement appelé tour.Généralement, le tour fait tourner la pièce sur un axe vertical ou horizontal tandis qu'un outil de coupe fixe (qui peut ou non tourner) se déplace le long de l'axe programmé.
L'outil ne peut pas physiquement faire le tour de la pièce.Le matériau tourne, permettant à l'outil d'effectuer les opérations programmées.(Il existe un sous-ensemble de tours dans lesquels les outils tournent autour d'un fil alimenté en bobine, mais cela n'est pas couvert ici.)
En tournage, contrairement au fraisage, la pièce tourne.La pièce tourne sur la broche du tour et l'outil de coupe est mis en contact avec la pièce.
Usinage manuel ou CNC
Bien que les fraiseuses et les tours soient disponibles en modèles manuels, les machines CNC sont plus appropriées à la fabrication de petites pièces, offrant évolutivité et répétabilité pour les applications nécessitant une production en grand volume de pièces à tolérances serrées.
En plus de proposer des machines simples à 2 axes dans lesquelles l'outil se déplace selon les axes X et Z, les équipements CNC de précision comprennent des modèles multi-axes dans lesquels la pièce peut également se déplacer.Cela contraste avec un tour où la pièce à usiner est limitée à la rotation et les outils se déplaceront pour créer la géométrie souhaitée.
Ces configurations multi-axes permettent la production de géométries plus complexes en une seule opération, sans nécessiter de travail supplémentaire de la part de l'opérateur de la machine.Cela facilite non seulement la production de pièces complexes, mais réduit ou élimine également le risque d’erreur de l’opérateur.
De plus, l'utilisation d'un liquide de refroidissement haute pression avec un usinage CNC de précision garantit que les copeaux ne pénètrent pas dans l'usine, même lors de l'utilisation d'une machine avec une broche orientée verticalement.
Fraiseuses CNC
Différentes fraiseuses varient en termes de tailles, de configurations d'axes, d'avances, de vitesse de coupe, de sens d'avance de fraisage et d'autres caractéristiques.
Cependant, en général, les fraiseuses CNC utilisent toutes une broche rotative pour couper les matériaux indésirables.Ils sont utilisés pour couper des métaux durs tels que l'acier et le titane, mais peuvent également être utilisés avec des matériaux tels que le plastique et l'aluminium.
Les fraiseuses CNC sont conçues pour la répétabilité et peuvent être utilisées pour tout, du prototypage à la production en grand volume.Les fraiseuses CNC de précision haut de gamme sont souvent utilisées pour des travaux à tolérances serrées tels que le fraisage de matrices et de moules fins.
Alors que le fraisage CNC peut permettre un délai d'exécution rapide, la finition telle que fraisée crée des pièces avec des marques d'outils visibles.Cela peut également produire des pièces présentant des arêtes vives et des bavures, des processus supplémentaires peuvent donc être nécessaires si les arêtes et les bavures sont inacceptables pour ces caractéristiques.
Bien entendu, les outils d'ébavurage programmés dans la séquence ébavurent, bien qu'ils atteignent généralement 90 % au maximum des exigences de finition, laissant certaines caractéristiques pour la finition finale à la main.
En ce qui concerne la finition de surface, il existe des outils qui produiront non seulement une finition de surface acceptable, mais également une finition semblable à un miroir sur des parties du produit à travailler.
Types de fraiseuses CNC
Les deux types de base de fraiseuses sont appelés centres d'usinage verticaux et centres d'usinage horizontaux, la principale différence résidant dans l'orientation de la broche de la machine.
Un centre d'usinage vertical est une fraiseuse dans laquelle l'axe de la broche est aligné dans la direction de l'axe Z.Ces machines verticales peuvent être divisées en deux types :
■Broyeuses à banc, dans lesquelles la broche se déplace parallèlement à son propre axe tandis que la table se déplace perpendiculairement à l'axe de la broche
■Fraises à tourelle, dans lesquelles la broche est stationnaire et la table est déplacée de manière à ce qu'elle soit toujours perpendiculaire et parallèle à l'axe de la broche pendant l'opération de coupe.
Dans un centre d'usinage horizontal, l'axe de la broche de la fraiseuse est aligné dans la direction de l'axe Y.La structure horizontale signifie que ces usines ont tendance à occuper plus de place dans l'atelier d'usinage ;elles sont également généralement plus lourdes et plus puissantes que les machines verticales.
Un broyeur horizontal est souvent utilisé lorsqu'une meilleure finition de surface est requise ;en effet, l'orientation de la broche signifie que les copeaux de coupe tombent naturellement et s'enlèvent facilement.(Comme avantage supplémentaire, une élimination efficace des copeaux contribue à augmenter la durée de vie de l'outil.)
En général, les centres d'usinage verticaux sont plus répandus car ils peuvent être aussi puissants que les centres d'usinage horizontaux et peuvent traiter de très petites pièces.De plus, les centres verticaux ont un encombrement inférieur à celui des centres d'usinage horizontaux.
Fraiseuses CNC multi-axes
Les centres de fraisage CNC de précision sont disponibles avec plusieurs axes.Une fraiseuse à 3 axes utilise les axes X, Y et Z pour une grande variété de travaux.Avec une fraiseuse à 4 axes, la machine peut tourner sur un axe vertical et horizontal et déplacer la pièce pour permettre un usinage plus continu.
Une fraiseuse à 5 axes possède trois axes traditionnels et deux axes rotatifs supplémentaires, permettant à la pièce de tourner lorsque la tête de broche se déplace autour d'elle.Cela permet d'usiner cinq côtés d'une pièce sans retirer la pièce ni réinitialiser la machine.
Tours CNC
Un tour – également appelé centre de tournage – possède une ou plusieurs broches et des axes X et Z.La machine est utilisée pour faire tourner une pièce sur son axe afin d'effectuer diverses opérations de découpe et de façonnage, en appliquant une large gamme d'outils à la pièce.
Les tours CNC, également appelés tours d'outillage en direct, sont idéaux pour créer des pièces cylindriques ou sphériques symétriques.Comme les fraiseuses CNC, les tours CNC peuvent gérer des opérations plus petites telles que le prototypage, mais peuvent également être configurés pour une répétabilité élevée, prenant en charge une production en grand volume.
Les tours CNC peuvent également être configurés pour une production relativement mains libres, ce qui les rend largement utilisés dans les secteurs de l'automobile, de l'électronique, de l'aérospatiale, de la robotique et des dispositifs médicaux.
Comment fonctionne un tour CNC
Avec un tour CNC, une barre vierge de matériau de base est chargée dans le mandrin de la broche du tour.Ce mandrin maintient la pièce en place pendant que la broche tourne.Lorsque la broche atteint la vitesse requise, un outil de coupe stationnaire est mis en contact avec la pièce pour enlever de la matière et obtenir la géométrie correcte.
Un tour CNC peut effectuer un certain nombre d'opérations, telles que le perçage, le filetage, l'alésage, le dressage et le tournage conique.Différentes opérations nécessitent des changements d’outils et peuvent augmenter les coûts et le temps de configuration.
Lorsque toutes les opérations d'usinage requises sont terminées, la pièce est découpée dans le stock pour un traitement ultérieur, si nécessaire.Le tour CNC est alors prêt à répéter l'opération, avec peu ou pas de temps de configuration supplémentaire généralement requis entre les deux.
Les tours CNC peuvent également accueillir une variété d'embarreurs automatiques, ce qui réduit la quantité de manipulation manuelle des matières premières et offre des avantages tels que les suivants :
■ Réduire le temps et les efforts requis de l'opérateur de la machine
■ Soutenir la barre pour réduire les vibrations qui peuvent affecter négativement la précision
■ Permettre à la machine-outil de fonctionner à des vitesses de broche optimales
■ Réduire les temps de changement
■ Réduire le gaspillage de matériaux
Types de tours CNC
Il existe différents types de tours, mais les plus courants sont les tours CNC à 2 axes et les tours automatiques de style chinois.
La plupart des tours CNC en Chine utilisent une ou deux broches principales plus une ou deux broches arrière (ou secondaires), le transfert rotatif étant responsable de la première.La broche principale effectue l'opération d'usinage primaire, à l'aide d'une douille de guidage.
De plus, certains tours de style chinois sont équipés d'une deuxième tête d'outil qui fonctionne comme une fraiseuse CNC.
Avec un tour automatique CNC de type chinois, le matériau de base est alimenté via une broche à tête coulissante dans une bague de guidage.Cela permet à l'outil de couper le matériau plus près du point où le matériau est supporté, ce qui rend la machine chinoise particulièrement avantageuse pour les pièces tournées longues et minces et pour le micro-usinage.
Les centres de tournage CNC multi-axes et les tours de style chinois peuvent réaliser plusieurs opérations d'usinage à l'aide d'une seule machine.Cela en fait une option rentable pour les géométries complexes qui nécessiteraient autrement plusieurs machines ou changements d'outils à l'aide d'un équipement tel qu'une fraiseuse CNC traditionnelle.