Maximiser la précision des machines CNC : Guide pratique pour la précision et la fiabilité

L'une des tâches les plus importantes en usinage est de garantir que votre nouvelle machine-outil CNC est précise et exacte. Mais comment choisir l'outil adapté à votre usine, face au nombre déconcertant d'options, configurations et prix disponibles ?

Dans cet article, nous vous guidons pas à pas pour optimiser la précision, la répétabilité et les tolérances de votre machine CNC lors de l'achat d'une nouvelle machine-outil.

Le moment d'investir dans une nouvelle machine-outil CNC

Imaginez une nouvelle opportunité ou tâche de fabrication. Vous examinez le plan de l'ingénieur pour comprendre ce qui doit être fait, et planifiez la séquence et le processus pour usiner une pièce spécifique.

Vous passez en revue vos machines existantes et vérifiez les compétences de vos opérateurs pour voir s'ils peuvent fabriquer cette pièce.

Malheureusement, vos machines CNC actuelles n'ont pas les tolérances requises. Elles peuvent être de spécifications inférieures ou trop vieilles pour ce nouveau besoin.

Dans ce cas, vous pouvez souhaiter investir dans une technologie plus récente et plus moderne.

Une histoire de fournisseurs de machines-outils CNC

À ce stade, vous devez mettre en balance le coût de fabrication de chaque pièce et le coût d'acquisition de nouvelles machines CNC.

Vous vous souvenez du prix de vos machines actuelles, et fixez un budget aussi bas que possible pour maximiser vos profits.

Il y a 10 ans, vous auriez dépensé 80 000 à 100 000 USD pour votre centre d'usinage vertical. OK, vous fixez votre budget pour une nouvelle machine CNC à 75 000 USD. Voyons ce qui est disponible sur le marché.

Au fil des semaines, vous contactez divers commerciaux. Ils vous proposent avec empressement une gamme de machines CNC adaptées à votre budget.

Certains sont moins chers. D'autres un peu plus. D'autres encore plus coûteux.

Toutes les promesses de ces vendeurs reposent sur le fait que leurs machines sont plus neuves et meilleures que les vôtres. Cependant, aucun ne considère les détails et les tolérances serrées de la pièce à usiner.

Un jour, un commercial particulier vous rend visite. Après lui avoir exposé votre exigence spécifique – en lui montrant le dessin de votre nouveau travail – il l'étudie attentivement.

Commentant qu'une telle pièce peut être « difficile à tenir », il suggère qu'il vous faut des machines avec de bons porte-outils et outils de coupe.

Il souligne aussi que le contrôle de la température est crucial – en particulier la température de votre atelier et de vos machines. Il ajoute que votre nouvelle machine CNC aura besoin d'échelles de verre linéaires, d'outils de mesure laser et d'une sonde tactile pour mesurer la pièce usinée et faire des compensations automatiques.

Il explique que sa machine CNC est meilleure que vos unités actuelles et que celles de ses concurrents. Après lui avoir demandé le prix estimé, il vous cite – 150 000 à 200 000 USD – selon vos spécifications finales.

C'est bien au-dessus de votre budget ! Vous pourriez même penser que le vendeur essaie de vous arnaquer.

Cependant, vous commencez à réfléchir à ce qu'il a expliqué, et réalisez que cela a du sens. Après tout, les autres fournisseurs n'ont jamais parlé de ces facteurs. Ils ne s'intéressaient qu'à vos axes XYZ, au prix et aux stocks disponibles, offrant des remises supplémentaires si besoin.

Vous contactez un autre fournisseur d'une marque réputée bien connue sur le marché.

Lors de sa visite, il mentionne et répète la plupart des points du 2e commercial. Il explique en plus que sa machine-outil utilise le système d'entraînement linéaire, considéré comme le meilleur du marché.
Son prix ? 280 000 à 310 000 USD – encore plus cher que le second vendeur, bien que la taille de la machine, la vitesse de broche et les commandes CNC soient similaires.

Qui croire ?

Comprendre les standards et la précision de l'usinage CNC

Ce que nous venons de décrire arrive chaque jour dans le monde. Il existe de nombreuses catégories, standards de qualité et niveaux de machines-outils CNC – vous devez connaître les différences pour faire le bon choix.

Bien que les vendeurs puissent promettre des tolérances de ±1,5 micron ou moins, notez que les fournisseurs de différents pays peuvent adopter des standards différents.

Par exemple, il y a une grande différence entre un standard JIS (utilisé principalement par les machines CNC japonaises) et un standard VDI (utilisé par les fabricants européens réputés ainsi que par Hwacheon Machine Tool en Corée du Sud).

Ces standards sont utilisés depuis plus de 30 ans pour mesurer et comparer les niveaux de précision des machines-outils, notamment en Asie-Pacifique.

Pour comprendre les différences – et leur importance – il est nécessaire d'apprendre et comprendre le processus que les fabricants de machines-outils CNC utilisent pour mesurer leurs machines après l'assemblage final.

Le rôle des « machines mères » dans les machines-outils CNC

Tous les fabricants réputés proposant des machines CNC de haute qualité utilisent une « machine mère » pour fabriquer leurs propres pièces critiques. Ce sont des machines capables d'atteindre les tolérances les plus serrées – souvent dans quelques microns. Leur coût est souvent très élevé, pouvant atteindre des millions de dollars.

Si un utilisateur final reçoit un devis pour un centre d'usinage vertical standard à 70 000–100 000 USD (X = 1000 mm, broche 10-12 000 tr/min), avec la promesse du vendeur que cette machine peut atteindre la même précision, voire « sur le papier » une meilleure précision qu'une coûteuse « machine mère », il doit être extrêmement sceptique !

De telles affirmations sont trop belles pour être vraies.

Comment les systèmes d'entraînement, guides et vis à billes affectent la précision

Qu'en est-il des systèmes d'entraînement linéaire ? Sont-ils vraiment nécessaires ?

Ces systèmes ont été conçus il y a longtemps pour aider les machines-outils à atteindre des vitesses plus élevées. Hwacheon Machine Tools a sa propre expérience : nous avons conçu et construit un centre d'usinage horizontal il y a plus de 18 ans.

Aujourd'hui, la demande pour les systèmes d'entraînement linéaire persiste. Cependant, les machines CNC standards les omettent souvent en raison de leur coût plus élevé et de leur complexité accrue.

Un système d'entraînement linéaire peut aider à atteindre de bonnes tolérances et précision. Cependant, des machines modernes avec des vis à billes de qualité et des guides à rouleaux linéaires – ou des guides boîte massifs (trempés, rectifiés et raclés à la main à la perfection) – peuvent offrir de meilleurs résultats en précision et stabilité à long terme.

Ainsi, un centre d'usinage CNC avec vis à billes de haute qualité sur tous les axes et guides boîte raclés à la main peut atteindre une précision similaire à une version à entraînement linéaire.

Facteurs influençant les tolérances de votre machine CNC

Atteindre des tolérances sur une pièce dans une plage inférieure à dix (10) microns est un défi. Pour y parvenir, considérez les facteurs influençant les tolérances de votre machine-outil :

• Température de l'atelier / de la salle
• Températures fluctuantes et changeantes dans l'atelier
• Courants d'air créés par portes, portails, climatisation qui peuvent déstabiliser la température stable de l'atelier
• La température de votre machine changera du matin (démarrage par l'opérateur) à la pause déjeuner et au soir
• Broche tournant à haute vitesse pendant une période prolongée (notez le système de refroidissement du corps de broche, du nez et des roulements)
• Matériau utilisé pour construire votre machine (qualité de la fonte)
• Conception de votre machine (la chaleur est-elle uniformément répartie sur le corps et les pièces de la machine ?)
• Calibrage de votre machine avant de commencer le travail
• Maintenance régulière
• Et bien d'autres points

Pour garantir que la performance de votre machine-outil n'est pas compromise, Hwacheon utilise des guides à rouleaux linéaires d'une entreprise allemande réputée sur toutes ses machines CNC. Cela inclut la gamme VESTA de centres d'usinage. La taille et le nombre de blocs/patiins sur chaque rail varient selon la taille et la destination de chaque machine.

Les prix des guides à rouleaux linéaires varient considérablement selon la marque, le type, la taille, la qualité et le pays d'origine.

Note : Ces facteurs peuvent souvent être gérés directement par les utilisateurs de machines.

Facteurs influençant les tolérances de vos pièces usinées

Au-delà de votre machine, considérez aussi ces facteurs qui affectent les tolérances de votre pièce usinée :

• Le matériau de votre pièce
• Serrage de la pièce (un travail au micron nécessite un serrage au micron)
• Usinage en 2-3 axes ou jusqu'à 5 axes (plus d'axes utilisés, plus la machine peut cumuler des tolérances)
• Forme de la pièce – ronde, carrée, rectangulaire ou autres
• Chaleur pendant l'usinage – assurez un refroidissement suffisant pendant la coupe
• Enlèvement excessif de matière en une fois met la pièce sous contrainte. Libérez cette contrainte avant de continuer la finition fine.
• Résolution du système de mesure de votre machine CNC :
  • a) Encodeur
  • b) Système de mesure direct (plus fin = meilleure précision)
• Vos outils (outils de qualité = travail de qualité)
• Qualité et standard du porte-outil
• Approche et méthode de coupe ainsi que programme CNC
• Et bien d'autres points

Note : Ces facteurs peuvent souvent être gérés directement par les utilisateurs de machines.

Construction de la machine, fonte et autres facteurs affectant la précision CNC

Au-delà de ce qui précède, vous devez aussi considérer d'autres facteurs inhérents à votre machine-outil CNC. Pour une entreprise comme Hwacheon Machine Tools, nous veillons à ce que les facteurs suivants soient maîtrisés :

• Fonte de la meilleure qualité (coulée dans sa propre fonderie)
• Conception en structure type PONT pour atteindre la plus haute précision dès la base
• Guides à rouleaux allemands de qualité – meilleures vis à billes en qualité, standard et pas, offrant un pas plus serré et un diamètre plus grand que la normale (optionnellement refroidies par liquide)
• Échelles de verre linéaires à la plus haute résolution sur tous les axes
• Corps entier de la machine enveloppé dans une mousse thermique spéciale pour répartir uniformément les variations de température
• Capteurs de température sur le lit, le châssis et le corps de broche pour réagir et compenser rapidement et précisément tout changement de température
• Deux convoyeurs à copeaux fonctionnant dans des gaines isolées et détachables – montés sur tampons absorbant les vibrations pour éviter transfert de chaleur et vibrations au corps de la machine
• Câbles et tuyaux montés et ajustés avec un soin extrême dans la structure mécanique pour éviter les vibrations
• Bac à liquide de refroidissement positionné à l'arrière de la machine pour éviter que la chaleur du liquide n'affecte le lit (et facile à nettoyer/entretenir)
• Broche à moteur intégré disponible de 20-32-45 000 tr/min, avec BBT 40 / HSK-A63 à HSK-E40 et HSK-E32
• Système de refroidissement de broche avec système de refroidissement et filtration de haute qualité
• Corps de broche et nez sectionnés en petites portions pour un refroidissement efficace et uniforme. Empêche l'écoulement d'huile de haut en bas vu sur la plupart des autres machines.
• Roulements injectés directement avec de l'huile fraîche à température contrôlée – garantit que les roulements ne tournent pas en continu dans de l'huile chaude.
• Logiciels d'automatisation standard chargés sur la machine. Pour Hwacheon, cela inclut :
  • a) HSDC – Système de contrôle de déplacement de broche Hwacheon
  • b) HTDC – Système de contrôle de déplacement thermique Hwacheon
  • c) HFDC – Système de contrôle de déplacement de structure Hwacheon
• Système de commande CNC et ensemble moteur/amplificateur éprouvés dans tous les marchés et industries mondiaux

Note : Ces facteurs doivent être gérés par votre fabricant de machines-outils.

Retour à notre client machine-outil…

Revenons à notre client. Il a un nouvel ordre d'usinage à saisir mais réalise qu'avec ses machines actuelles, il ne peut pas répondre aux exigences.

Doit-il dépenser le moins possible ou investir dans la machine-outil CNC la plus haut de gamme du marché ?

La réponse se situe assurément entre les deux.

La vérité est qu'atteindre une plus grande précision d'usinage et des standards plus élevés nécessite un investissement plus important dans votre machine-outil CNC.

Cependant, même la meilleure et la plus sophistiquée machine-outil CNC ne peut pas fournir les résultats souhaités si votre environnement ne correspond pas à son déploiement – ou si une telle machine haut de gamme est utilisée comme une machine basique !

Environnement et atelier

L'environnement de votre atelier doit convenir à la machine en question.

Assurez-vous qu'il est propre, sans vibrations au sol, et à température contrôlée.

Votre opérateur CNC devra comprendre les exigences de base et les soins nécessaires pour atteindre des tolérances serrées. Ne pas le faire entraînera un investissement qui ne livre pas ce qui est requis. Vous pouvez utiliser la checklist que nous fournissons comme guide.

Porte-outils de qualité

Vous devez aussi comprendre que réutiliser d'anciens porte-outils utilisés sur d'autres machines peut être économie de bout de chandelle mais ruine votre nouvelle machine et raccourcit sa longévité – tout comme vous n'achèteriez pas une voiture neuve pour y mettre les pneus de l'ancienne !

Ainsi, vos équipements de serrage doivent être sélectionnés pour fournir le meilleur serrage, le plus précis et répétable.

Conclusion

Une machine CNC produite en série donnera toujours des résultats moyens. C'est pour cela qu'elles sont faites.

Une machine-outil conçue en interne et soigneusement fabriquée s'adaptera même aux exigences les plus élevées – naturellement, cela a un coût.

En ingénierie, il n'y a pas de raccourcis. Bien que tout le monde veuille investir peu pour obtenir les profits les plus élevés, le faire sans les bons outils et équipements n'est pas seulement difficile, mais souvent impossible.

Si tous les points sont pris en compte, un centre d'usinage vertical CNC 3 axes avec course X de 1 m et course Y de 600 mm, bien équipé et spécifié pour atteindre de telles tolérances serrées et de bonnes performances (et vos besoins) peut coûter entre 180 000 et 200 000 USD.

Un tel outil fournira certainement la qualité et les tolérances requises dans les dix (10) microns et moins.

Hwacheon Machine Tools – Votre choix pour une haute précision CNC

Hwacheon en Corée du Sud est connu depuis plus de 74 ans comme le principal fabricant de machines-outils. Notre entreprise est particulièrement forte dans les industries du moule & matrice de qualité et de la fabrication de pièces de précision.

Pour répondre à vos besoins dans la fabrication d'une nouvelle pièce – comme la situation décrite ci-dessus – vous devriez considérer les SIRIUS UM+ ou SIRIUS UL+ de Hwacheon. Ces machines-outils CNC nouvelles et améliorées s'appuient sur la gamme SIRIUS de haute qualité, et sont considérées comme les meilleures du marché à des prix très compétitifs.