Qu'est-ce que l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est la technologie de fabrication soustractive la plus courante aujourd'hui et un moyen extrêmement flexible et robuste de produire des pièces métalliques et plastiques personnalisées. À l'aide de modèles CAO, les machines CNC enlèvent avec précision le matériau d'un bloc solide avec une variété d'outils de coupe.

Dans l'ensemble, l'usinage CNC produit des pièces avec des tolérances serrées et des propriétés matérielles impressionnantes. Il convient aux travaux uniques et à la production de volumes faibles à moyens (jusqu'à 1 000 pièces), en raison de sa grande répétabilité. Cependant, il comporte plus de restrictions de conception que l'impression 3D , grâce en partie à la nature soustractive de la technologie.

Dans ce guide d'introduction, nous vous donnons un aperçu des principes de base de la technologie et de leur lien avec les principaux avantages et limites. Nous expliquons également les principales différences entre les deux principales configurations de machines CNC :le fraisage et le tournage.

Usinage CNC :Le guide de fabrication et de conception

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Comment fonctionne l'usinage CNC ? Parlons fraisage et tournage

Les deux principaux types de systèmes d'usinage CNC (commande numérique par ordinateur) sont le fraisage et tournant . En raison des caractéristiques de chaque type de machine, le fraisage et le tournage sont idéaux pour la fabrication de différentes géométries.

Voyons comment les pièces sont fabriquées à l'aide de ces deux configurations de machine distinctes.

Comment fonctionne le fraisage CNC ?

Le fraisage CNC est l'architecture de machine CNC la plus populaire. En fait, le terme fraisage CNC est souvent synonyme d'usinage CNC. Les fraiseuses CNC utilisent des outils de coupe rotatifs pour enlever le matériau d'une pièce montée sur le banc de la machine.

La plupart des systèmes de fraisage CNC ont 3 degrés de liberté linéaires :les axes X, Y et Z. Les systèmes plus avancés ont 5 degrés de liberté d'usinage via la rotation du banc et/ou de la tête d'outil (axes A et B). Les machines à 5 axes peuvent produire des pièces avec une complexité géométrique élevée et peuvent éliminer le besoin de plusieurs étapes de machine.

Voici un aperçu de la façon dont une fraiseuse CNC transforme un modèle CAO en une pièce personnalisée.

• L'opérateur convertit un modèle CAO en une série de commandes à interpréter par la machine CNC (G-code).

• Un bloc de matériau - c'est ce qu'on appelle l'ébauche ou la pièce à usiner - est coupé à la taille et placé sur la plate-forme de construction, à l'aide d'un étau ou en le montant directement sur le lit.

• Il est important de positionner et d'aligner précisément la pièce à usiner pour fabriquer des pièces précises. Vous pouvez utiliser des outils de métrologie spéciaux (sondes tactiles) pour faciliter le positionnement et l'alignement.

• Des outils de coupe spécialisés, tournant à des vitesses très élevées (des milliers de tr/min), enlèvent de la matière du bloc. Tout d'abord, la machine enlève rapidement la matière avec une précision moindre pour obtenir une géométrie approximative. Ensuite, il faut quelques passes de plus grande précision pour produire la pièce finale.

• Si le modèle présente des caractéristiques qui ne peuvent pas être atteintes par l'outil de coupe dans une seule configuration, l'opérateur doit retourner la pièce et répéter ces étapes.

Après l'usinage, vous devez ébavurer une pièce fraisée. L'ébavurage est le processus manuel d'élimination des petits défauts d'une pièce finie. Ces défauts, généralement rencontrés sur les arêtes vives, proviennent de la déformation de la matière lors de l'usinage. Par exemple, lorsqu'un foret sort de l'autre côté d'un trou traversant, il laissera des imperfections qui doivent être enlevées.

Ensuite, vous souhaitez inspecter les dimensions critiques de la pièce si des tolérances ont été spécifiées dans le dessin technique. Une fois cette étape terminée, votre pièce est prête à l'emploi ou au post-traitement . Il y a beaucoup à explorer en matière de post-traitement pour les pièces usinées CNC (fraisées et tournées), nous vous recommandons donc de rafraîchir et/ou de mettre à niveau vos connaissances.

Comment fonctionne le tournage CNC ?

Les machines de tournage CNC utilisent des outils de coupe fixes pour enlever la matière d'une pièce, qui est montée sur un mandrin rotatif. C'est un moyen idéal pour fabriquer des pièces avec une symétrie le long de leur axe central. Les pièces tournées sont généralement produites plus rapidement et à moindre coût que les pièces fraisées.

En règle générale, les systèmes de tournage CNC, également appelés tours, sont utilisés pour créer des pièces cylindriques. Les centres de tournage CNC multi-axes modernes, équipés d'outils de fraisage CNC, peuvent fabriquer des pièces non cylindriques. Ces systèmes combinent la productivité élevée du tournage CNC avec les capacités du fraisage CNC et peuvent fabriquer une très large gamme de géométries avec symétrie de rotation, telles que des arbres à cames et des roues de compresseur radiales.

Voici un aperçu de la façon dont un tour CNC fabrique des pièces.

• L'opérateur génère un code G à partir d'un modèle CAO et charge la machine avec un cylindre de matériau de base (ébauche).

• La pièce commence à tourner à grande vitesse et un outil de coupe stationnaire trace un profil, enlevant progressivement de la matière jusqu'à ce que vous ayez la géométrie conçue.

• Des outils de coupe internes et des forets à centrer peuvent être utilisés pour percer des trous le long de l'axe central de la pièce.

• Si vous devez retourner ou déplacer la pièce, vous devez répéter ce processus. Sinon, une fois que vous avez fini de couper le matériau, la pièce doit être prête à être utilisée ou à subir un post-traitement ultérieur.

Étant donné que la frontière entre le fraisage CNC et les systèmes de tournage a tendance à être floue, le reste de ce guide se concentrera principalement sur le fraisage CNC, car il s'agit du processus de fabrication le plus couramment utilisé.

Un guide rapide des paramètres d'usinage CNC

La plupart des paramètres d'usinage sont déterminés par l'opérateur de la machine lors de la génération du code G. Les principaux paramètres que nous aimerions couvrir sont la taille de construction et la précision des machines CNC.

Les machines CNC ont une zone de construction relativement grande, en particulier par rapport aux imprimantes 3D. Les systèmes de fraisage CNC peuvent usiner des pièces de dimensions allant jusqu'à 2 000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40"), les systèmes de tournage CNC pouvant usiner des pièces d'un diamètre allant jusqu'à Ø 500 mm (Ø 20' ').

Vous pouvez fabriquer des pièces avec une grande précision et des tolérances serrées grâce à l'usinage CNC. Les machines CNC peuvent même atteindre des tolérances inférieures à la moitié du diamètre d'un cheveu humain moyen (± 0,025 mm ou 0,001''). Si aucune tolérance n'est spécifiée dans le dessin technique, un opérateur usinera généralement la pièce avec une précision de 0,125 mm (0,005'').

Quels sont les outils de coupe les plus courants pour l'usinage CNC ?

Pour créer une large gamme de géométries, les machines CNC utilisent de nombreux outils de coupe différents. Voici quelques-uns des outils d'usinage les plus couramment utilisés pour le fraisage.  

La tête plate , tête de taureau et tête sphérique les outils sont utilisés pour usiner des fentes, des rainures, des cavités et d'autres parois verticales. Comme ils ont chacun des capacités géométriques différentes, ils peuvent usiner de nombreux types d'éléments différents. Les outils à tête sphérique sont également couramment utilisés dans l'usinage CNC 5 axes pour fabriquer des surfaces avec des géométries de courbure et de forme libre.

Exercices sont, bien sûr, l'outil le plus couramment utilisé pour créer des trous rapidement et efficacement. Vous pouvez trouver toutes les tailles de foret standard ici . Pour créer des trous avec des diamètres non standard, vous pouvez utiliser une tête plate plongeante outil (suivant une trajectoire hélicoïdale).

Le diamètre de l'arbre des fraises à fente est plus petit que le diamètre de leur arête de coupe, ce qui permet à ces outils de fraisage de couper des rainures en T et d'autres contre-dépouilles en enlevant de la matière sur les côtés d'une paroi verticale.

Tarauds de filetage sont utilisés pour fabriquer des trous filetés. Pour créer un filetage, un contrôle précis de la vitesse de rotation et linéaire du taraud est nécessaire. Les ateliers d'usinage s'appuient généralement encore sur le taraudage manuel.

Fraises à surfacer sont utilisés pour enlever les matériaux de grandes surfaces planes. Ils ont un diamètre plus grand que les outils de fraisage en bout, ils nécessitent donc moins de passages pour usiner des zones importantes. Cela réduit le temps total d'usinage pour produire des pièces avec des surfaces planes. Les opérateurs effectueront souvent une étape de surfaçage pendant le cycle d'usinage pour préparer les dimensions du bloc

Vous trouverez une gamme tout aussi étendue d'outils de coupe utilisés dans le tournage CNC, qui couvrent tous vos besoins d'usinage tels que le surfaçage, le filetage et le rainurage.

Usinage CNC de pièces à complexité géométrique :quelles sont les restrictions de conception ?

Alors que l'usinage CNC offre une liberté de conception impressionnante , les tours et les fraiseuses ne peuvent pas fabriquer toutes les géométries. Contrairement à l'impression 3D, plus la conception est complexe, plus elle coûtera cher à usiner. Cela est dû aux étapes supplémentaires requises pour les pièces plus complexes.

Les principales restrictions associées à l'usinage CNC sont liées à la géométrie de chaque outil de coupe individuel. La géométrie de l'outil détermine les rayons d'une pièce, et la plupart des outils de coupe CNC sont de forme cylindrique et ont une longueur de coupe limitée. Ces facteurs rendent les coins internes pointus particulièrement difficiles.

L'accès aux outils est une autre restriction majeure avec l'usinage CNC. Par exemple, les systèmes 3 axes ne peuvent atteindre qu'un certain niveau de complexité des pièces. Si vous concevez pour une machine à 3 axes, toutes les fonctionnalités de la pièce ne seront accessibles que directement d'en haut. Les systèmes à 5 axes offrent une flexibilité supérieure, car l'angle entre la pièce et l'outil peut être ajusté pour accéder à des zones plus difficiles à atteindre de la pièce.

De même, les pièces à parois minces ou autres caractéristiques fines sont particulièrement difficiles pour les machines CNC. Les parois minces sont sujettes aux vibrations et peuvent se casser sous l'effet de la force du tournage ou du fraisage. Nous recommandons de concevoir des pièces métalliques avec une épaisseur de paroi minimale de 0,8 mm et des pièces en plastique avec une épaisseur de paroi de 1,5 mm.

Comprendre à quel point vous pouvez concevoir votre pièce pour différents types de machines, ainsi que les restrictions à garder à l'esprit, est essentiel pour garantir que vos pièces sortent telles qu'elles ont été conçues et respectent la norme de qualité que vous recherchez. Pour des directives supplémentaires sur la façon dont la conception peut vous faire économiser beaucoup de temps et d'argent sur l'usinage CNC, consultez cet article .

Quelles sont les caractéristiques de l'usinage CNC ?

L'un des principaux atouts de l'usinage CNC est sa capacité à produire de manière constante des pièces robustes à partir d'une très large sélection de matériaux. Les machines CNC peuvent gérer à peu près tous les matériaux d'ingénierie .

Contrairement à l'impression 3D, les pièces fabriquées par usinage CNC ont des propriétés physiques entièrement isotropes qui sont identiques aux propriétés du matériau en vrac à partir duquel elles ont été usinées.

L'usinage CNC implique principalement des métaux pour le prototypage et les grandes séries de production. Il est généralement plus difficile d'usiner des plastiques, car ils ont une rigidité et des températures de fusion plus faibles, bien qu'un cas d'utilisation courant dont nous voyons le mérite est l'usinage CNC de prototypes fonctionnels en plastique avant de se lancer dans des cycles de production à plus grande échelle avec moulage par injection .

Combien coûtent les matériaux d'usinage CNC ?

Il existe une tonne de matériaux disponibles pour l'usinage CNC, ce qui signifie que le coût varie considérablement d'un matériau à l'autre. Chaque matériau a un prix différent et les propriétés physiques de chaque matériau influencent le coût global de l'usinage.

L'aluminium 6061 est l'option la plus économique si vous optez pour la production de pièces métalliques, avec un coût de gros approximatif de 25 $ pour une ébauche aux dimensions de 150 x 150 x 25 mm. L'ABS est l'option la moins chère, coûtant environ 17 $ pour un flan de la même taille. Et en termes d'impact de la facilité d'usinage sur le coût, l'acier inoxydable est un bon exemple. Il est beaucoup plus dur que l'aluminium et donc plus difficile à usiner, ce qui augmente le coût total.

Voici un aperçu complet des matériaux les plus populaires que nous proposons sur la plateforme Hubs et de leurs caractéristiques importantes.

Matériel	Caractéristiques	Comparaison des coûts
Aluminium 6061	Bon rapport résistance/poids, excellente usinabilité, faible dureté	$
Acier inoxydable 304	Excellentes propriétés mécaniques, résistant à la corrosion et aux acides, relativement difficile à usiner	$$$
Laiton C360	Haute ductilité, excellente usinabilité, bonne résistance à la corrosion	$$
ABS	Excellente résistance aux chocs, bonnes propriétés mécaniques, sensible aux solvants	$$
Nylon (PA6 et PA66)	Excellentes propriétés mécaniques, haute ténacité, faible résistance à l'humidité	$$
POM (Delrin)	Haute rigidité, excellentes propriétés thermiques et électriques, relativement fragile	$$

Comment puis-je en savoir plus sur les matériaux pour l'usinage CNC ?

Il y a beaucoup à apprendre sur tous les matériaux proposés par Hubs pour l'usinage CNC. Pour plonger en profondeur dans des matériaux individuels ou des ensembles de matériaux, consultez ces vidéos spécialisées, disponibles sur notre chaîne Youtube.

Post-traitement et finitions de surface pour l'usinage CNC

Les pièces usinées CNC qui sortent directement de la machine auront généralement des marques d'outils visibles, ce qui n'est pas toujours souhaitable en fonction des exigences de vos pièces. Il existe de nombreuses méthodes de post-traitement qui peuvent être utilisées pour améliorer l'apparence de la surface d'une pièce et augmenter sa résistance à l'usure, à la corrosion et aux produits chimiques. L'anodisation, le grenaillage et le revêtement en poudre sont toutes des méthodes viables pour la finition de vos pièces personnalisées.

Comme il s'agit d'un guide plus général, nous n'irons pas en profondeur sur le post-traitement et les finitions de surface. Vous pouvez explorer les techniques et les finitions les plus courantes pour l'usinage CNC dans cet explicateur pratique .

Quels sont les avantages et les inconvénients de l'usinage CNC ?

Bien que l'usinage CNC soit un processus de fabrication viable et même idéal pour de nombreuses applications allant du prototypage à la production à moyenne échelle de pièces d'utilisation finale, il n'est pas sans défauts. Dans cette section, nous couvrons les avantages et les limites de ce processus d'usinage soustractif.

L'usinage CNC offre une excellente précision et répétabilité. Le fraisage et le tournage peuvent produire des pièces avec des tolérances très serrées, ce qui rend la CNC idéale pour les applications haut de gamme telles que les industries aérospatiale, aéronautique et automobile. La plupart des matériaux utilisés dans l'usinage CNC ont d'excellentes propriétés physiques entièrement isotropes et conviennent à la plupart des applications d'ingénierie.

En général, l'usinage CNC est le processus de fabrication le plus rentable pour produire un nombre faible à moyen de pièces métalliques. Cela signifie que vous pouvez utiliser la CNC pour des prototypes uniques ou pour produire jusqu'à 1 000 unités.

Bien que ces avantages fassent de l'usinage CNC une option attrayante pour les ingénieurs, la nature soustractive de la technologie rend certaines géométries plus complexes très coûteuses, voire impossibles à fabriquer.

D'un point de vue financier, le coût de démarrage de l'usinage CNC est beaucoup plus élevé que celui de l'impression 3D. Si vous cherchez à produire des prototypes à faible coût à partir de plastique, l'impression 3D peut être une meilleure option en ce qui concerne la configuration.

Les délais d'exécution pour l'usinage CNC ont également tendance à être plus longs que pour l'impression 3D, car le délai moyen d'exécution pour CNC est de 10 jours par rapport aux 2 à 5 jours beaucoup plus faibles pour l'impression 3D. Les machines CNC ne sont pas aussi largement disponibles que les imprimantes 3D, car elles nécessitent des connaissances plus approfondies pour fonctionner efficacement.

Quelles sont les règles empiriques de Hubs pour l'usinage CNC ?

Décomposons les paramètres clés à prendre en compte pour l'usinage CNC de pièces personnalisées en métal et en plastique.

Paramètre CNC clé	Ce que dit Hubs
Précision dimensionnelle	Typique :± 0,125 mm (0,005'') Maximum :± 0,02 mm (0,0008'')
Épaisseur de paroi minimale	Métaux :0,75 mm (0,030") Plastiques :1,5 mm (0,060")
Taille de construction maximale	Fraisage :2000 x 800 x 100 mm (78’’ x 32’’ x 40’’) Tournage :Ø 500 mm (Ø 20’’)

Questions fréquemment posées

Quelle est la meilleure application de l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est idéal pour les travaux de fabrication ponctuels et pour la production de volumes faibles à moyens de plusieurs centaines à 1000 pièces. Nous vous recommandons d'utiliser l'usinage CNC pour produire vos prototypes métalliques, car c'est l'option la plus compétitive en termes de prix. De plus, vous devriez opter pour l'usinage CNC lorsque vos pièces doivent avoir des tolérances très serrées.

Quels sont les outils de coupe d'usinage CNC les plus courants ?

Les machines CNC utilisent une variété d'outils de coupe pour obtenir une plus large gamme de géométries de pièces. Ces outils comprennent des perceuses, des fraises à fente, des tarauds, des fraises à surfacer et des outils à tête plate, à tête de taureau et à tête sphérique.

Quels secteurs utilisent le plus l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est un procédé de fabrication soustractif largement utilisé. Un grand nombre d'industries dépendent de la CNC, notamment l'aérospatiale, l'automobile, l'aviation, les transports et d'autres secteurs intégraux. Les pièces d'avion, par exemple, doivent être fabriquées avec une immense précision pour garantir que l'ensemble de la machine fonctionne parfaitement comme prévu.

L'usinage CNC est-il entièrement automatisé ?

L'usinage CNC est, pour la plupart, automatisé et repose sur des logiciels préprogrammés. Le logiciel de CAO définit les dimensions d'une pièce, que les machines CNC utilisent pour produire des pièces physiques. En général, très peu d'intervention humaine est nécessaire, bien que certains processus complexes puissent nécessiter un jeu de mains supplémentaires si la conception de la pièce est particulièrement complexe. Dans l'ensemble, l'automatisation quasi complète fait de l'usinage CNC un processus de fabrication reproductible et fiable.