L'usinage de précision est un procédé permettant d'enlever de la matière d'une pièce tout en maintenant des 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 par une commande numérique par ordinateur (CNC).
Presque tous les produits métalliques, tout comme de nombreux autres matériaux comme le plastique et le bois, nécessitent un usinage de précision. Ces machines sont utilisées par des machinistes spécialisés et formés. Pour que l'outil de coupe puisse fonctionner correctement, il doit être déplacé dans des directions spécifiques. Ce mouvement principal est appelé « vitesse de coupe ». La pièce peut également être déplacée, ce que l'on appelle le mouvement secondaire d'« avance ». Ces mouvements, combinés à l'affûtage de l'outil de coupe, permettent à la machine de précision de fonctionner.
L'usinage de précision de qualité exige la capacité de suivre des plans extrêmement précis réalisés par des logiciels de CAO (conception assistée par ordinateur) ou de FAO (fabrication assistée par ordinateur) comme AutoCAD et TurboCAD. Ces logiciels permettent de produire les schémas ou contours tridimensionnels complexes nécessaires à la fabrication d'un outil, d'une machine ou d'un objet. Ces plans doivent être scrupuleusement respectés pour garantir l'intégrité du produit. Si la plupart des entreprises d'usinage de précision utilisent des logiciels de CAO/FAO, elles travaillent encore souvent avec des croquis manuels lors des phases initiales de conception.
L'usinage de précision est utilisé sur de nombreux matériaux, notamment l'acier, le bronze, le graphite, le verre et les plastiques, pour n'en citer que quelques-uns. Selon la taille du projet et les matériaux utilisés, différents outils d'usinage de précision seront utilisés. Tours, fraiseuses, perceuses, scies, meuleuses et même robots à grande vitesse peuvent être utilisés. L'industrie aérospatiale peut recourir à l'usinage à grande vitesse, tandis que l'industrie de la menuiserie peut recourir à des procédés de gravure photochimique et de fraisage. La production d'une série, ou d'une quantité spécifique d'un article particulier, peut atteindre des milliers, voire quelques exemplaires. L'usinage de précision nécessite souvent la programmation de machines CNC, c'est-à-dire qu'elles sont contrôlées numériquement par ordinateur. La machine CNC permet de respecter les dimensions exactes tout au long de la production d'un produit.
Le fraisage est un procédé d'usinage qui consiste à utiliser des fraises rotatives pour enlever de la matière d'une pièce en avançant la fraise dans une direction donnée. La fraise peut également être maintenue à un angle par rapport à l'axe de l'outil. Le fraisage couvre une grande variété d'opérations et de machines, allant de la petite pièce individuelle à l'usinage intensif en groupe. C'est l'un des procédés les plus couramment utilisés pour l'usinage de pièces sur mesure avec des tolérances précises.
Le fraisage peut être réalisé avec une large gamme de machines-outils. La première catégorie de machines-outils pour le fraisage était la fraiseuse (souvent appelée « fraiseuse »). Avec l'avènement de la commande numérique par ordinateur (CNC), les fraiseuses ont évolué vers les centres d'usinage : des fraiseuses équipées de changeurs d'outils automatiques, de magasins ou de carrousels d'outils, de fonctions CNC, de systèmes de refroidissement et d'enceintes. Les centres de fraisage sont généralement classés en centres d'usinage verticaux (CUV) et centres d'usinage horizontaux (CHU).
L'intégration du fraisage dans les environnements de tournage, et inversement, a commencé avec l'outillage motorisé pour les tours et l'utilisation occasionnelle de fraiseuses pour les opérations de tournage. Cela a donné naissance à une nouvelle classe de machines-outils, les machines multitâches (MTM), spécialement conçues pour faciliter le fraisage et le tournage dans le même environnement de travail.
Pour les ingénieurs concepteurs, les équipes de R&D et les fabricants dépendant de l'approvisionnement en pièces, l'usinage CNC de précision permet la création de pièces complexes sans traitement supplémentaire. De fait, l'usinage CNC de précision permet souvent de fabriquer des pièces finies sur une seule machine.
L'usinage consiste à enlever de la matière et à utiliser 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 automatise le contrôle des outils d'usinage.
Le rôle de la « CNC » dans l'usinage de précision
À l'aide d'instructions de programmation codées, l'usinage CNC de précision permet de couper et de façonner une pièce selon des 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. À partir 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 les vitesses d'avance corrects
■ Quand et où déplacer l'outil et/ou la pièce
■ À quelle profondeur couper
■ Quand appliquer le liquide de refroidissement
■ Tout autre facteur lié à la vitesse, à la vitesse d'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 intégrée à une large gamme d'équipements, des tours, fraiseuses et routeurs aux machines d'électroérosion à fil (électroérosion), laser et plasma. En plus d'automatiser le processus d'usinage et d'améliorer la précision, la CNC élimine les tâches manuelles et libère les opérateurs pour superviser plusieurs machines fonctionnant simultanément.
De plus, une fois le parcours d'outil conçu et la machine programmée, celle-ci peut exécuter une pièce autant de fois que nécessaire. Cela garantit un niveau élevé de précision et de répétabilité, ce qui rend le processus très rentable et évolutif.
Matériaux usinés
Parmi les métaux couramment usinés figurent l'aluminium, le laiton, le bronze, le cuivre, l'acier, le titane et le zinc. 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 l’usinage CNC de précision, bien sûr, en fonction de l’application et de ses exigences.
Quelques avantages de l'usinage CNC de précision
Pour de nombreuses 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 pour la quasi-totalité des méthodes de découpe et d'usinage, les matériaux se comportent différemment, et la taille et la forme des composants ont également un impact important sur le processus. Cependant, l'usinage CNC de précision offre généralement des avantages par rapport aux autres méthodes d'usinage.
C'est parce que l'usinage CNC est capable de fournir :
■ Un degré élevé de complexité des pièces
■ Tolérances serrées, généralement comprises entre ±0,0002" (±0,00508 mm) et ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Finitions de surface exceptionnellement lisses, y compris les 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 ?
L'usinage CNC de précision vous offre l'évolutivité et la rapidité nécessaires à ce type de production en grande série. De plus, la grande répétabilité de l'usinage CNC de précision vous garantit des pièces identiques du début à la fin, quel que soit le nombre de pièces produites.
Il existe des méthodes d'usinage CNC très spécialisées, notamment l'électroérosion à fil (EDM), l'usinage additif et l'impression laser 3D. Par exemple, l'EDM à fil utilise des matériaux conducteurs, généralement des métaux, et des décharges électriques pour éroder une pièce et lui donner 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 vs tournage
Le fraisage est un procédé d'usinage qui utilise un outil de coupe cylindrique rotatif pour enlever de la matière et créer des formes. Un équipement de fraisage, appelé fraiseuse ou centre d'usinage, permet de réaliser des pièces aux géométries complexes sur des objets métalliques parmi les plus volumineux.
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 rotatif se déplace autour de la pièce, qui reste fixée sur un banc.
Le tournage est le processus de découpe ou de façonnage d'une pièce sur un tour. Généralement, le tour fait tourner la pièce sur un axe vertical ou horizontal tandis qu'un outil de coupe fixe (rotatif ou non) se déplace le long de l'axe programmé.
L'outil ne peut pas physiquement contourner la pièce. La matière tourne, ce qui permet à l'outil d'effectuer les opérations programmées. (Il existe un sous-ensemble de tours où les outils tournent autour d'un fil alimenté par bobine, mais ce sujet n'est pas abordé 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 adaptées à la fabrication de petites pièces, offrant évolutivité et répétabilité pour les applications nécessitant une production en grand volume de pièces à tolérance serrée.
Outre les machines 2 axes simples où l'outil se déplace sur les axes X et Z, les équipements CNC de précision proposent des modèles multiaxes où la pièce peut également se déplacer. Contrairement à un tour, où la pièce se limite à tourner et où les outils se déplacent pour créer la géométrie souhaitée.
Ces configurations multiaxes permettent de produire des géométries plus complexes en une seule opération, sans intervention supplémentaire de l'opérateur. Cela simplifie non seulement la production de pièces complexes, mais réduit également, voire élimine, les risques d'erreur de l'opérateur.
De plus, l'utilisation d'un liquide de refroidissement haute pression lors de l'usinage CNC de précision garantit que les copeaux ne pénètrent pas dans les pièces, même lors de l'utilisation d'une machine avec une broche orientée verticalement.
fraiseuses CNC
Les différentes fraiseuses varient en termes de tailles, de configurations d'axes, de vitesses d'avance, de vitesse de coupe, de direction d'avance de fraisage et d'autres caractéristiques.
Cependant, en général, les fraiseuses CNC utilisent toutes une broche rotative pour éliminer la matière indésirable. Elles sont utilisées pour usiner des métaux durs comme l'acier et le titane, mais peuvent également être utilisées avec des matériaux comme le plastique et l'aluminium.
Les fraiseuses CNC sont conçues pour la répétabilité et peuvent être utilisées pour toutes sortes de travaux, du prototypage à la production en grande série. Les fraiseuses CNC de précision haut de gamme sont souvent utilisées pour les travaux à tolérances serrées, comme le fraisage de matrices et de moules de précision.
Si le fraisage CNC permet des délais d'exécution rapides, la finition brute de fraisage produit des pièces avec des marques d'outils visibles. Elle peut également produire des pièces présentant des arêtes vives et des bavures ; des traitements supplémentaires peuvent donc être nécessaires si les arêtes et les bavures ne sont pas acceptables pour ces caractéristiques.
Bien entendu, les outils d'ébavurage programmés dans la séquence ébavureront, bien qu'ils atteignent généralement au maximum 90 % de l'exigence finale, laissant certaines caractéristiques pour la finition manuelle finale.
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 miroir sur certaines parties du produit de travail.
Types de fraiseuses CNC
Les deux principaux types de fraiseuses sont connus sous le nom de centres d'usinage verticaux et de centres d'usinage horizontaux, où la principale différence réside dans l'orientation de la broche de la machine.
Un centre d'usinage vertical est une fraiseuse dont l'axe de broche est aligné sur l'axe Z. Ces machines verticales se divisent en deux types :
■Fraiseuses 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
■Fraiseuses à tourelle, dans lesquelles la broche est fixe et la table est déplacée de manière à être 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 sur l'axe Y. Du fait de leur structure horizontale, ces fraiseuses ont tendance à occuper plus d'espace dans l'atelier ; elles sont également généralement plus lourdes et plus puissantes que les machines verticales.
Une fraiseuse horizontale est souvent utilisée lorsqu'une meilleure finition de surface est requise ; en effet, l'orientation de la broche permet aux copeaux de coupe de tomber naturellement et de s'évacuer facilement. (De plus, une évacuation efficace des copeaux contribue à prolonger 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 traiter de très petites pièces. De plus, leur encombrement est plus réduit.
Fraiseuses CNC multi-axes
Les centres d'usinage CNC de précision sont disponibles avec plusieurs axes. Un 3 axes utilise les axes X, Y et Z pour une grande variété de travaux. Un 4 axes permet de tourner sur un axe vertical et horizontal et de déplacer la pièce pour un usinage plus continu.
Une fraiseuse 5 axes possède trois axes traditionnels et deux axes rotatifs supplémentaires, permettant à la pièce de tourner autour de la tête de broche. Cela permet d'usiner cinq faces d'une pièce sans démonter 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 permet de faire tourner une pièce sur son axe afin d'effectuer diverses opérations de découpe et de façonnage, en appliquant une large gamme d'outils sur la pièce.
Les tours CNC, également appelés tours à outillage dynamique, sont parfaits pour la création de pièces cylindriques ou sphériques symétriques. Tout comme les fraiseuses CNC, ils peuvent prendre en charge des opérations plus petites comme le prototypage, mais peuvent également être configurés pour une répétabilité élevée, permettant ainsi une production en grande série.
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
Sur un tour CNC, une barre brute de matière première est chargée dans le mandrin de la broche. Ce mandrin maintient la pièce en place pendant la rotation de la broche. Lorsque la broche atteint la vitesse requise, un outil de coupe fixe est amené au contact de la pièce pour enlever de la matière et obtenir la géométrie souhaitée.
Un tour CNC peut effectuer de nombreuses opérations, telles que le perçage, le filetage, l'alésage, le dressage et le tournage conique. Certaines opérations nécessitent des changements d'outils et peuvent augmenter les coûts et les délais de réglage.
Une fois toutes les opérations d'usinage terminées, la pièce est découpée dans la matière première pour un usinage ultérieur, si nécessaire. Le tour CNC est alors prêt à répéter l'opération, avec généralement peu ou pas de temps de réglage supplémentaire entre les deux.
Les tours CNC peuvent également accueillir une variété d'alimentateurs de barres automatiques, qui réduisent la quantité de manutention manuelle des matières premières et offrent 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
■ Minimiser les temps de changement
■ Réduire le gaspillage de matériaux
Types de tours CNC
Il existe plusieurs types de tours différents, mais les plus courants sont les tours CNC à 2 axes et les tours automatiques de style chinois.
La plupart des tours CNC chinois utilisent une ou deux broches principales et une ou deux broches secondaires, la première étant assurée par un transfert rotatif. La broche principale effectue l'usinage principal 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, la matière première est introduite dans une douille de guidage via une broche à tête coulissante. Cela permet à l'outil de couper la matière au plus près de son point d'appui, ce qui rend la machine chinoise particulièrement avantageuse pour les pièces tournées longues et fines et pour le micro-usinage.
Les centres de tournage CNC multiaxes et les tours chinois permettent d'effectuer plusieurs opérations d'usinage avec une seule machine. Ils constituent donc une option économique pour les géométries complexes qui nécessiteraient autrement plusieurs machines ou des changements d'outils avec des équipements tels qu'une fraiseuse CNC traditionnelle.