Machines CNC expliquées : guide rapide des bases

Qu'est-ce qu'une machine CNC ?

Une machine CNC (Commande Numérique par Calculateur) est un outil machine à commande numérique doté d'un ordinateur embarqué, appelé unité de commande machine (MCU). Les données numériques nécessaires à la fabrication d'une pièce sont fournies à la machine sous forme de programme. Ce programme est traduit en signaux électriques appropriés pour piloter les moteurs qui actionnent la machine.

La structure mécanique d'une machine CNC comprend le bâti, le système d'entraînement principal, le système d'avance, la table de travail, les dispositifs de mouvements auxiliaires, les systèmes hydrauliques et pneumatiques, les systèmes de lubrification, les dispositifs de refroidissement, l'évacuation des copeaux, les systèmes de protection et autres composants. Pour répondre aux exigences de la commande numérique et exploiter pleinement les performances de la machine, sa conception globale, son apparence, sa structure de transmission, son système d'outils et ses performances opérationnelles ont subi d'importantes modifications. Les pièces mécaniques incluent le bâti, le boîtier, la colonne, les guides, la table, la broche, le mécanisme d'avance et le changeur d'outils.

Comment fonctionne une machine CNC ?

Les machines CNC utilisent des ordinateurs pour réaliser la technologie de contrôle par programme numérique. Cette technologie emploie un ordinateur pour exécuter les fonctions de contrôle logique séquentiel de la trajectoire de mouvement de l'appareil et du fonctionnement des périphériques, selon le programme de contrôle stocké au préalable. En remplaçant le dispositif de commande numérique original composé de circuits logiques matériels par un ordinateur, les fonctions de stockage, traitement, calcul et jugement logique des instructions d'entrée peuvent être réalisées par logiciel, et les micro-instructions générées sont transmises aux dispositifs d'entraînement servo pour piloter les moteurs ou actionneurs hydrauliques.

Étapes de fonctionnement d'une machine CNC

1. Programmation : Selon le dessin et le plan de processus de la pièce, écrire le programme d'usinage en utilisant le code et le format spécifiés (trajectoire d'outil, processus, paramètres, conditions de coupe).
2. Saisie du programme : Introduire le programme programmé dans le dispositif CNC.
3. Décodage et traitement : Le dispositif CNC décode le programme et envoie des signaux de commande aux dispositifs d'entraînement servo et aux dispositifs de contrôle des fonctions auxiliaires de chaque axe.
4. Surveillance en temps réel : Le système CNC détecte en permanence la position des axes, l'état des fins de course, etc., et les compare aux exigences du programme pour déterminer l'action suivante jusqu'à l'obtention d'une pièce conforme.
5. Contrôle opérateur : L'opérateur observe les conditions d'usinage et l'état de la machine, et peut ajuster les actions et le programme pour assurer un fonctionnement sûr et fiable.

Système de coordonnées cartésiennes

Presque tout ce qui peut être produit sur une machine-outil conventionnelle peut l'être sur une machine à commande numérique, avec ses nombreux avantages. Les mouvements de la machine-outil sont de deux types fondamentaux : point-à-point (mouvements en ligne droite) et chemin continu (mouvements de contour).

Le système de coordonnées cartésiennes, mis au point par le mathématicien et philosophe français René Descartes, permet de décrire tout point spécifique en termes mathématiques à partir de tout autre point le long de trois axes perpendiculaires. Ce concept s'adapte parfaitement aux machines-outils dont la construction repose généralement sur trois axes de mouvement (X, Y, Z) plus un axe de rotation.

Sur une fraiseuse verticale classique : l'axe X correspond au mouvement horizontal de la table (droite/gauche), l'axe Y au mouvement transversal de la table (vers/loin de la colonne), et l'axe Z au mouvement vertical du genou ou de la broche. Les systèmes CNC s'appuient fortement sur les coordonnées rectangulaires car le programmeur peut localiser chaque point sur une pièce avec précision.

Fig. 1 : Lignes se croisant formant des angles droits et établissant le point zéro.

Fig. 2 : Les plans de coordonnées tridimensionnels (axes) utilisés en CNC.

Les plans de coordonnées tridimensionnels sont présentés à la Fig. 2. Les plans X et Y (axes) sont horizontaux et représentent les mouvements horizontaux de la table. Le plan ou axe Z représente le mouvement vertical de l'outil. Les signes plus (+) et moins (-) indiquent la direction depuis le point zéro (origine) le long de l'axe de mouvement. Les quatre quadrants formés par le croisement des axes XY sont numérotés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (Fig. 3).

Fig. 3 : Les quadrants formés par le croisement des axes X et Y permettent de localiser précisément les points par rapport à l'origine X/Y.

Dans la Fig. 3, le point A serait à 2 unités à droite de l'axe Y et 2 unités au-dessus de l'axe X. En supposant que chaque unité équivaut à 1,000, la position du point A serait X + 2,000 et Y + 2,000. Pour le point B, la position serait X + 1,000 et Y - 2,000. En programmation CNC, il n'est pas nécessaire d'indiquer les valeurs positives (+) car elles sont supposées ; seules les valeurs négatives (-) doivent être indiquées.

Un système informatique est connecté à la machine via des capteurs et des entraînements électriques. Le programme contrôle les mouvements des axes de la machine.

Quels sont les types les plus courants de machines CNC ?

Les premières machines-outils étaient conçues pour que l'opérateur se tienne devant la machine pour actionner les commandes. Cette conception n'est plus nécessaire, car en CNC, l'opérateur ne contrôle plus les mouvements de la machine. Sur les machines-outils conventionnelles, seulement environ 20 % du temps était consacré à l'enlèvement de matière. Avec l'ajout de commandes électroniques, le temps réel d'enlèvement de métal a augmenté à 80 % voire plus, réduisant également le temps nécessaire pour amener l'outil de coupe dans chaque position d'usinage.

Voici les 10 types les plus courants de machines CNC présents dans diverses industries :

1. Fraisesuses CNC (CNC Mills)
2. Routeurs CNC (CNC Routers)
3. Machines laser CNC (Découpeuses laser, graveuses laser, soudeuses laser)
4. Tours CNC (CNC Lathes)
5. Perceuses CNC (CNC Drills)
6. Aléseuses CNC
7. Rectifieuses CNC (CNC Grinders)
8. Machines à électro-érosion (EDM)
9. Machines de découpe plasma CNC (CNC Plasma Cutters)
10. Imprimantes 3D