Le guide ultime de l’usinage CNC | Resources | Shift
Ce site web utilise des cookies pour améliorer votre expérience.
Lire notre politique de confidentialitéaccepter les cookies
This website uses cookies to improve your experience.
Read our Privacy Policyaccept cookies
Ressources / Usinage CNC / Le guide ultime de l’usinage CNC

Le guide ultime de l’usinage CNC

Shift
juin 21, 11:49

tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur la question en 12 minutes chrono

Qu’est-ce qu’une machine CNC ?

L’usinage CNC (Computer Numerical Control, francisé en Commande Numérique par Calculateur) fait usage de machines contrôlées via un jeu d’instructions envoyé par un activateur. Le code utilisé, ou G-code, se présente sous la forme d’une liste de coordonnées et toute machine commandée au travers de ce code, qu’il s’agisse d’un tour, d’une fraiseuse ou même d’une machine de découpe au plasma, peut être considérée comme une machine CNC. Dans cet article, nous allons nous concentrer sur certains types de machine CNC, tels que les tours, les fraiseuses et d’autres combinant des caractéristiques des deux précédentes. Ces machines peuvent se mouvoir selon certains axes : les axes X, Y et Z suivant les vecteurs cartésiens classiques mais aussi, pour les machines plus avancées, A, B et C, représentant des axes de rotations possibles autour de la pièce à usiné. Typiquement, une machine CNC peut opérer sur un nombre d’axes allant jusqu’à 5. Les machines les plus communes sont répertoriées ci-dessous :

  • Tour CNC– Un tour fonctionne enfaisant tourner une pièce fixée sur un mandrin. Un outil est amené à se déplacer le long de 2 axes afin de procéder à des découpes cylindriques de matière. Grâce à la technologie CNC, un tour est capable de créer des surfaces incurvées qui seraient difficiles, voire impossibles à usiner en utilisant un tour manuel classique. L’outil de découpe en lui-même est habituellement inerte mais il existe des machines pouvant fonctionner avec un outillage à rotation.
  • Fraiseuse CNC– Une fraiseuse CNC est généralement utilisée afin de créer des pièces planes mais certaines machines, avec davantage de degrés de liberté, peuvent créer des pièces de formes plus complexes. Le matériau à usiner est maintenu immobile pendant que la broche entraîne l’outil en rotation. Ce dernier se déplace alors sur 3 axes afin de découper le matériau. Il existe des variantes où le matériau se déplace alors que la broche est maintenue immobile.
  • Perceuse CNC – Ces machines sont semblables aux fraiseuses mais sont spécifiquement conçues pour ne découper que le long d’un seul axe. Par exemple : une perceuse ne pourra se mouvoir que le long de l’axe Z pour percer le matériau et ne pourra pas faire de découpe le long des axes X et Y.
  • Meuleuse CNC– Ces machines entraînent un disque de meulage qu’elles mettent en contact avec le matériau afin d’effectuer des finitions de haute qualité sur les surfaces de la pièce usinée. Conçues pour ne retirer qu’une faible quantité de matière à des métaux trempés, elles sont principalement utilisées pour des opérations de finition.

Fabrication soustractive

L’usinage CNC permet de créer des pièces grâce au procédé de fabrication soustractive : pour faire simple, on enlève progressivement de la matière à une billette jusqu’à lui obtenir la forme désirée. Ceci peut être réalisé grâce aux méthodes mentionnées précédemment (tournage, fraisage, meulage ou perçage). A l’opposé, le procédé de fabrication additive consiste à créer la pièce en partant de zéro et en ajoutant de la matière. L’impression 3D en est un exemple.

Outillage

Le travail de découpe est réalisé au moyen d’un outillage spécifique. Les outils sont généralement montés sur un porte-outil et insérés dans la broche à la demande. En usinage, il est pratiquement impossible de compléter un ouvrage au moyen d’un outil unique et il est tout à fait normal de devoir combiner plusieurs outils de formes différentes pour y parvenir. Les outils les plus communs sont énumérés ci-dessous.

Outils de fraisage

Fraise en bout– La fraise en bout est le type de fraise le plus répandu et est généralement capable de procéder à des découpes dans 3 directions différentes. Il en existe de toutes sortes : plates, à détourer, à ébaucher, concaves ou coniques pour en citer quelques-unes. Elles sont caractérisées par leur nombre de dents, leur angle d’hélice ainsi que leur matériau de fabrication et leur revêtement.

Fraise à surfacer– La fraise à surfacer est conçue pour couper au travers de larges surfaces, ce qu’on appelle aussi un « surfaçage ». Ses bords de découpe sont normalement localisés aux extrémités de l’outil et ses dents sont constituées de plaquettes carbure.

Fraise à fileter– Une fraise à fileter est conçue pour réaliser des filetages. Son mode de fonctionnement consiste à tourner autour d’une tige selon un motif hélicoïdal pour former le filetage désiré.

Fraise à rainurer– Ce type de fraise est utilisé pour réaliser des rainures en T le long d’une pièce. A cause de sa géométrie particulière, l’outil ne peut découper que depuis une face ouverte de la pièce en question.

Outils de tournage

Tournage à découpe externe– Comme le nom l’indique, ce type d’outillage est conçu pour découper selon le diamètre externe d’une pièce. Il peut s’agir soit d’un outil monobloc, moulé selon la forme adéquate, soit de plaquettes carbure.

Rainurage et filetage en découpe externe– Ce type d’outillage est normalement doté d’une forme effilée afin de leur permettre d’atteindre les parties internes d’une pièce. Par exemple, ils peuvent être utilisés pour procéder à l’alésage ou au filetage de l’intérieur d’un trou préalablement percé.

Séparation– Un outil de séparation est utilisé en dernière étape pour séparer la pièce de son bloc d’origine une fois sa réalisation achevée.

Perçage– Ces outils sont utilisés pour percer des trous selon l’axe longitudinal de la pièce. Les trous résultant doivent encore être alésés correctement afin d’être en accord avec les tolérances demandées.

Outillage et matériau

Les différents types d’outils peuvent être classés en sous-catégories selon leur matériau de fabrication. Les matériaux les plus répandus sont énumérés ci-dessous :

  • Acier à haute teneur en carbone– Ces outils sont parmi les moins chers sur le marché mais leur durée de vie est relativement réduite. De plus, ils perdent leur dureté aux alentours de 200°C.
  • Acier rapide ou acier rapide supérieur (AR ou ARS)– Ces outils sont plus fréquemment utilisés que ceux à haute teneur en carbone car ils bénéficient d’une durée de vie plus étendue. De plus, ils conservent leur dureté jusqu’à 600°C, ce qui permet de les faire opérer à des vitesses plus élevées.
  • Carbure cémenté– Les outils en carbure cémenté bénéficient d’une dureté plus élevée que les outils ARS. Ils sont cependant plus fragiles et ont tendance à se briser en cas de mauvaises manipulations. Ils peuvent opérer jusqu’à des températures de 900°C.
  • Céramique– Les outils en céramique bénéficient d’une dureté exceptionnelle et sont généralement utilisés pour découper des matériaux très durs à très grandes vitesses. Les deux variantes communément utilisées sont le nitrure de silicium et l’oxyde d’aluminium.
  • Nitrure de bore cubique– Les outils de cette catégorie sont idéaux pour découper à travers les aciers trempés ou les alliages à haute performance (superalliages). Ils bénéficient d’une excellente résistance thermique, couplée à un fort pouvoir abrasif.

Avantages et inconvénients de l’usinage CNC

Du fait de son efficacité supérieure par rapport aux procédés manuels classiques, l’usinage CNC devient de plus en plus proéminent dans l’industrie manufacturière. Le tableau ci-dessous résume les avantages et les inconvénients des machines CNC :

Avantages

Inconvénients

Plus rapides que les machines manuelles Onéreux
Une machine CNC surpasse un être humain en termes de rapidité, de précision et d’exactitude. Dans le cadre d’une production à grande échelle, l’utilisation de machines manuelles ne peut que se traduire par une perte financière. Une machine CNC est un équipement extrêmement sophistiqué. Pour pouvoir garantir une production de qualité, même après avoir déjà produit des millions de pièces, ces machines sont conçues pour tenir des spécifications est des tolérances très exigeantes. C’est pourquoi elles  ont un coût élevé.
Des coûts de production réduits Demande des ouvriers très qualifiés
Si l’insertion et le retrait des matériaux et des pièces sont correctement automatisés, une machine CNC peut techniquement fonctionner en continu, nuit et jour sans supervision. De plus, un seul opérateur peut gérer plusieurs machines à la fois, ce qui permet d’amortir les surcoûts en termes de main d’œuvre. Bien que leur manipulation demande moins d’ouvriers qu’une machine manuelle, la complexité des machines CNC fait qu’elles ne peuvent être opérées que par des ouvriers hautement qualifiés. D’où des coûts de main d’œuvre plus élevés.
Une  meilleure efficacité Des coûts de maintenance plus élevés
Une machine CNC peut passer d’une opération à l’autre en une fraction de seconde. Certaines machines fonctionnent avec des tourelles sur lesquelles de nombreux outils sont déjà préinstallés, ou des librairies permettant l’installation à la demande d’un outil dans la broche. Grâce à cela, les changements d’outils peuvent être extrêmement rapides. Du fait de leur complexité, et par rapport aux machines manuelles, la maintenance des machines CNC est beaucoup plus onéreuse.
Un fonctionnement plus sûr  
Les machines manuelles peuvent être très dangereuses : même un ouvrier hautement qualifié peut faire une erreur qui lui coûtera un membre, voire la vie. Comparativement, les machines CNC sont très sûres. Le pire des scenarios étant probablement que la machine se retrouve endommagée à cause d’une mauvaise programmation.

Différents types de tourneuses et fraiseuses CNC

Fraiseuses CNC

  • Centre d’Usinage Vertical (Vertical Machining Centre ouVMC en anglais) – Pour une machine de type VMC, la broche reste toujours à la même position tandis qu’une table se déplace en-dessous. Dans certains cas, c’est la table qui monte au contact de la broche, tandis que dans d’autres, la broche se déplace verticalement le long de l’axe Z. Ce genre de machine est très « rigide » et est par conséquent capable de produire des ouvrages d’une très grande précision. Elles ont cependant le désavantage d’avoir une surface de travail relativement réduite. Les machines de type VMC peuvent opérer sur 3 axes (X, Y, Z), sur 4 axes (X, Y, Z et A) ou même sur 5 axes (X, Y, Z, A et B).
  • Centre d’Usinage Horizontal (Horizontal Machining Centreou HMC en anglais) – Contrairement aux machines de type VMC, les machines HMC ont une broche orientée horizontalement, et non verticalement. Ces machines sont parfaites pour des sessions de production prolongées, car elles sont capables d’usiner 3 fois plus que les machines VMC. Elles sont aussi beaucoup plus chères à l’achat. Les machines HMC offrent la possibilité de pouvoir installer un bloc de matériau à usiner pendant qu’un autre est déjà en train d’être travaillé : en effet, la broche peut aisément et rapidement passer au bloc suivant, ce qui permet d’assurer une production en continue.

Tours CNC

Un tour CNC est doté d’un mandrin unique et ne peut usiner que selon 2 axes. Il existe différents types de tours CNC, tels que :

  • Tour à moteur– Il s’agit d’une forme de tour standard et relativement versatile. Son appellation est un reliquat de l’époque où les tours fonctionnaient avec des poulies entraînées par un moteur externe. Aujourd’hui, le moteur fait partie intégrante de la machine.
  • Tour à tourelle revolver– Ce genre de tour permet de réduire considérablement le temps de production grâce à sa tourelle sur laquelle les outils nécessaires peuvent être préalablement insérés. Lorsqu’un nouvel outil est requis, il est automatiquement amené en position par une rotation de la tourelle.
  • Tour d’outilleur– Les tours d’outilleur sont utilisés pour les travaux de haute précision sur des petits volumes. Comme son nom l’indique, ils sont employés pour la fabrication d’outils et de moules. Ils sont conçus pour être très versatiles.
  • Tour rapide– Ce type de tour est utilisé principalement pour les ouvrages légers. Il est de configuration simple, avec poupée mobile, contre-poupée et porte-outil.
  • Tour CNC de production – Ces tours sont des machines très sophistiquées, disposant d’un large éventail de caractéristiques diverses : fraisage, tourelle porte-outil et même une seconde broche. Il en existe à centre d’usinage vertical ou horizontal. Dans le cas d’un tour horizontal, les copeaux sont évacués par un convoyeur. Pour les tours verticaux, la gravité vient en renfort lorsqu’une pièce est installée dans le mandrin. Les tours horizontaux sont plus simples à automatiser, mais d’une façon générale, c’est le type d’ouvrage à réaliser qui dictera quel type de machine est le plus approprié.

Matériaux

Les machines CNC peuvent être utilisées pour usiner une grande variété de matériaux, depuis l’aluminium jusqu’aux superalliages (par exemple : Inconel). Le défi étant que, chaque matériau possédant des propriétés différentes, chacun demandera d’être travaillé avec des outils spécifiques, et dans certaines conditions particulières de vitesse et de profondeur de découpe.

Aluminium

L’aluminium est un matériau très mou, et avec un point de fusion assez bas. Par conséquent, il peut arriver, au cours de son usinage, qu’il forme comme des gommes qui vont adhérer aux outils et diminuer la qualité de l’usinage. On peut contourner ce problème en utilisant des aluminiums trempés, plus solides et donc avec une meilleure usinabilité.

Acer carbone

Il existe un très grand nombre d’aciers carbone, avec des usinabilités variables dépendant de nombreux facteurs, tels que : travail à froid, composition chimique et microstructure. En règle générale, l’utilisation de plomb et d’étain peut améliorer la vitesse de découpe, grâce à leur action lubrifiante. On peut aussi avoir recours au souffre pour diminuer l’incidence de l’écrouissage.

Titane

Le titane existe dans un grand nombre d’alliages, chacun présentant ses propres défis. Idéalement, il vaut mieux maintenir l’outil en mouvement, car le maintenir immobile au contact de la pièce va provoquer des frictions qui résulteront en une augmentation de la température, un durcissement mécanique et une usure de l’outil. Le titane pure possède un comportement similaire à celui de l’aluminium et peut tout aussi bien former des gommes qui encombreront l’outil. D’un autre côté, les alliages de titane sont beaucoup plus durs et ont tendance à faire chauffer les outils et à les user. En utilisant une vitesse de rotation moins élevée et une plus grande profondeur de découpe, il est possible de diminuer la température de travail et donc de mieux préserver les outils.

Superalliages

Les superalliages sont conçus pour avoir une résistance mécanique très élevées à haute température. Pour cette raison, ils sont très difficiles à usiner et demandent d’utiliser des machines plus puissantes que la moyenne. Ils sont également très susceptibles à l’écrouissage, ce qui rend toute opération d’usinage ultérieure plus difficile que la précédente. Il est recommandé de diminuer la vitesse de découpe lorsque l’on travaille sur ces matériaux.

Cuivre

Le cuivre est un matériau notoirement difficile à travailler, à cause de sa malléabilité naturelle et de sa fâcheuse tendance à « couler » autour de l’outil, plutôt que de faire des découpes propres. Il est utilisé principalement pour les composants électroniques et les échangeurs thermiques, tout ce qui demande une conductivité et un coefficient de transfert de chaleur élevé. Quand on a affaire à du cuivre pur, il vaut mieux travailler à haute vitesse, avec une grande profondeur de découpe. Les alliages de cuivre sont généralement beaucoup plus faciles à usiner.

Plastiques

Il existe plusieurs milliers de plastiques, depuis les thermoplastiques ordinaires jusqu’aux plastiques thermodurcissables, avec des variations considérables en termes de dureté et de propriétés mécanique. Seuls les plastiques les plus rigides peuvent usinés avec des résultats satisfaisant les spécifications de départ. Les plastiques plus mous ont tendance à se déformer sous l’action des outils de découpe, ce qui conduit à des résultats hors spécifications. Le plastique étant un isolant, la chaleur va augmenter très vite au point de contact de la découpe. Si ce facteur n’est pas correctement maîtrisé, cela va entraîner une fonte du matériau..

Problèmes potentiels

En dépit de la variété d’utilisations et de fonctionnalités réalisables pour les machines CNC, il y a toujours des risques. Dans le domaine de l’usinage CNC, les erreurs les plus fréquentes sont listées ci-dessous :

Erreur de codage CNC– Les machines CNC sont incapables d’initiatives personnelles, elles ne font qu’exécuter ce qui leur a été demandé de faire. Si elles sont mal programmées, l’outil peut être amené directement au contact de la machine et l’endommager. Même si elle est capable de détecter ce genre d’erreur et de stopper toute action en cours, il est peu probable qu’elle puisse prévenir l’intégralité des dégâts. Certains outils logiciels permettent d’éviter ce genre de mauvaise surprise : la course de l’outil peut, par exemple, être simulée avant que le code ne soit chargé dans le contrôleur de la machine. Cependant, les machines à 5 axes, beaucoup plus complexes, sont très difficiles à simuler avec les outils habituels de fabrication par ordinateur (Computer-aided Manufacturing ou CAM en anglais) et l’utilisation d’un outil tiers spécialisé peut être nécessaire entre la phase de codage et celle du chargement en machine.

Vitesse et profondeur de découpe incorrectes– Une bonne vitesse et une profondeur de découpe appropriée sont des paramètres critiques qui permettent d’assurer la qualité des pièces usinées. Mal configurées, elles peuvent entraîner une usure accélérée des outils, des finitions de piètre qualité et des tolérances non respectées. Il s’agit toutefois d’un sujet complexe car chaque matériau, sans parler de ses alliages, va réclamer une configuration différente pour être usiné dans des conditions optimales. Obtenir la meilleure configuration possible demande souvent de passer par une phase d’essais et d’erreurs.

Mauvaise maintenance– Une machine CNC peut rapidement tomber en panne ou devenir inutilisable si sa maintenance présente des lacunes. Elles doivent être correctement nettoyées et le plan de maintenance communiqué par le fabriquent doit être suivi à la lettre.

Les secteurs industriels ayant recours à la CNC

N’importe quelle industrie reposant sur la fabrication de composants peut être potentiellement impactée par la CNC, que ce soit directement ou indirectement. Quelques secteurs clés, et leurs usages de la CNC, sont listés ci-dessous :

Aérospatiale– L’industrie aérospatiale demande des composants usinés avec un niveau de précision très élevé et une très grande reproductibilité. Cela inclus les aubes pour les turbines de moteurs, de l’outillage spécifique pour la fabrication d’autres composants ou même des chambres de combustion pour les moteurs de fusées.

Industrie automobile et fabrication de machines– Dans le cadre de l’industrie automobile, on demande des moules de précision, utilisés pour couler des pièces comme les blocs moteurs, ou l’usinage de pièces soumises à des tolérances draconiennes, comme les pistons. Sur une échelle plus large, des machines en portique sont capables de façonner des moules en argile qui seront utilisés durant les phases de conception d’une voiture.

Secteur de la défense– Le secteur de la défense fait usage de composants usinés avec une grande précision et selon des tolérances très serrées. On peut citer notamment les composants de missiles ou les canons d’armes à feu. Toutes les pièces usinées à destination de ce secteur peuvent bénéficier grandement de la précision et de la vitesse des machines CNC.

Secteur médical– Les implants médicaux sont souvent conçus avec des formes très organiques et doivent être fabriqués à partir d’alliages de pointe. De ce fait, l’utilisation de machines CNC est une obligation car aucune machine manuelle ne pourra réaliser ce genre d’ouvrage.

Secteur de l’énergie– L’industrie de l’énergie recouvre tous les domaines de l’ingénierie, depuis les turbines à vapeur jusqu’à des technologies plus exotiques, comme la fusion nucléaire. Les turbines à vapeur demandent des aubes usinées de façon très précise afin de maintenir l’équilibre de la turbine. Quant aux chambres de confinement au plasma utilisées pour la recherche et le développement de la fusion nucléaire, elles réclament des matériaux sophistiqués qui doivent être façonnés selon des formes complexes, ce qui ne peut être réalisé qu’à l’aide de machines CNC.

Les tendances actuelles dans la CNC

Les avancées technologiques de ces dernières années nous ont laissé croire que la fabrication additive allait bientôt supplanter l’usinage CNC. Cependant, l’éventualité la plus plausible est que nous verrons émerger des centres de fabrications qui, au sein d’une même machine, combineront les avantages de la fabrication additive et soustractive pour aboutir à des systèmes qui transcendent les limitations actuelles de chaque technologie. Certains prototypes correspondant à ce model ont déjà été conçus.

De plus, la marche inexorable vers l’automatisation totale, qui est en train d’ouvrir la voie à la quatrième révolution industrielle, résultera en l’élaboration de systèmes automatisés, capables de s’auto-diagnostiquer, de s’auto-optimiser, et surtout d‘opérer avec des interventions humaines réduites au minimum. La flexibilité offerte par l’usinage CNC rendra possible la fabrication de produits basées sur les exigences personnelles de consommateurs individuels.

Ces articles peuvent également être intéressants pour vous