Maîtriser l'usinage CNC 5 axes : guide complet et avantages industriels

Vous souhaitez en savoir plus sur l'usinage CNC 5 axes ? Vous vous demandez comment une machine-outil CNC 5 axes peut booster vos capacités de fabrication ?

Ce guide essentiel sur les machines CNC 5 axes vous explique leur fonctionnement, leurs avantages et les types de machines-outils disponibles.

Développées pour répondre aux besoins de plus en plus sophistiqués des industries avancées comme l'aéronautique, le médical, la défense, la robotique et l'automobile, les machines-outils multi-axes ont révolutionné la fabrication.

Une étape majeure est le développement des machines-outils CNC 5 axes. Également appelées centres d'usinage 5 axes, leurs capacités et leur flexibilité surpassent largement celles des centres d'usinage 3 axes standards.

Pour vous aider à décider si les machines CNC 5 axes sont pertinentes pour votre production, cet article répond aux questions les plus fréquentes :

• Qu'est-ce que l'usinage CNC 5 axes ?
• Quand avez-vous besoin d'une machine-outil CNC 5 axes ?
• Quels sont les avantages de l'usinage CNC 5 axes ?
• Que rechercher dans une machine-outil CNC 5 axes ?
• Types de machines-outils CNC 5 axes disponibles chez Hwacheon

#1 Qu'est-ce que l'usinage CNC 5 axes ?

Les techniques d'usinage CNC 5 axes emploient un centre d'usinage à commande numérique (CNC) pour positionner ou synchroniser une pièce sur 5 axes différents, facilitant l'accès des outils de coupe. Cela permet d'usiner la pièce avec trois axes principaux – X, Y et Z – ainsi que deux axes rotatifs supplémentaires (A et C ou B et C).

Consultez le schéma ci-dessous pour comprendre le fonctionnement.

Le contrôle du mouvement d'une pièce sur plusieurs axes donne à l'outil de coupe la flexibilité d'être multidirectionnel. Il peut ainsi atteindre la plupart des angles, même négatifs, et exploiter pleinement les outils de coupe standards sur une plus large gamme de formes et dimensions.

Versions 3+2 axes

Dans la version 3+2 axes, 3 des axes peuvent être contrôlés simultanément tandis que les 2 axes restants servent au positionnement de la pièce.

Fonctionnement :

• Utilisation de X, Z et C ensemble, tandis que Y et A servent au positionnement.
• Utilisation de Y, Z et A ensemble, tandis que X et C servent alors au positionnement.

Versions 4+1 axes

Pour les versions 4+1 axes, 4 axes peuvent être contrôlés simultanément tandis que l'axe restant sert au positionnement.

Fonctionnement :

• Utilisation de X, Z, A et C ensemble, tandis que Y sert au positionnement.
• Utilisation de X, Y, Z et A ensemble, tandis que C sert au positionnement.

Versions 5 axes complets (simultanés)

Enfin, il existe les versions 5 axes complets où les 3 axes linéaires et les 2 axes rotatifs peuvent être contrôlés simultanément.

Dans cette configuration, les axes sont organisés en 3 axes linéaires (généralement X, Y et Z) et 2 axes rotatifs (généralement A et C). L'axe A est l'axe de basculement tandis que l'axe C est l'axe de rotation. Une table de travail y est généralement présente pour le montage de la pièce.

Axes de rotation

Sur les machines-outils CNC 5 axes à table Trunnion, la table fournit deux axes rotatifs à l'outil :

• Axe A – Basculement de la surface de table vers l'opérateur ou à l'opposé (ex: Hwacheon M2-5AX, M3-5AX, M4-5AX. Sur la D2-5AX, la table bascule à gauche ou à droite du point de vue opérateur).

Selon le modèle, une large plage d'angles de basculement est possible. Généralement, les machines offrant une plage plus large de ±120° (comme les M3-5AX et M4-5AX) sont exceptionnelles. Ces conceptions permettent d'incliner la pièce pour accéder à des angles encore plus complexes.

Pour des modèles comme la D2-5AX, la table est montée longitudinalement face à l'opérateur, avec une plage de basculement de +30° vers la droite et -110° vers la gauche.

• Axe C – Rotation de la surface supérieure de table (où la pièce est fixée) vers la gauche (sens horaire) ou la droite (sens antihoraire). La rotation peut atteindre 360° maximum, offrant un cercle complet sans retour à la position zéro. Cela permet de positionner la pièce à n'importe quelle position angulaire. Les 3 axes linéaires positionnent le mouvement linéaire requis. L'axe de basculement fournit l'angle d'inclinaison requis.

Ensemble, les 3 axes linéaires (X, Y, Z) et les axes rotatifs A et C des machines 5 axes permettent de manœuvrer la pièce aux angles et positions idéaux pour la coupe.

#2 Quand avez-vous besoin d'une machine-outil CNC 5 axes ?

Grâce à leur plus grande flexibilité et adaptabilité, les machines-outils 5 axes sont utiles pour une large gamme d'opérations d'usinage dans de multiples industries pour des besoins spécifiques.

Voici les 7 applications les plus courantes :

1) Opérations de coupe, perçage ou taraudage sur les 5 faces avec angles spécifiques

L'usinage 5 axes est prévalent dans l'aéronautique, le médical, l'automobile, la pièce générale, le moule et matrice, le pétrole et gaz. Ces pièces ont souvent des formes inhabituelles, des contours et surfaces complexes, ou des surfaces, positions et emplacements avec des angles spécifiques. Exemples : turbines aéronautiques/navales, impulseurs, fusées de direction nécessitant des opérations sur les 5 faces et angles additionnels.

2) Besoin de solutions d'ingénierie plus flexibles

L'usinage simultané 5 axes est courant dans la fabrication de moules/matrices et pièces aéronautiques. La capacité à positionner ou déplacer la pièce sur divers axes offre aux ingénieurs concepteurs une plus grande liberté pour concevoir les formes les plus difficiles. Les pièces peuvent être plus complexes, aboutissant à de meilleures solutions d'ingénierie dans pratiquement toutes les industries.

3) Production de volumes élevés à faible variété

Les pièces fabriquées en volumes plus petits mais répétitifs augmentent. Les industries évitent les gros volumes, préférant des lots plus petits reproductibles just-in-time. Les fabricants doivent être très flexibles pour assurer des changements de production rapides. Cela évite les stocks coûteux et permet une tarification plus flexible.

4) Commandes de pièces aux formes complexes

L'usinage 5 axes est idéal pour les entreprises nécessitant des pièces très complexes et précises : aéronautique, médical, automobile, pétrole & gaz, semi-conducteurs, électronique. Ces fabricants ont besoin du savoir-faire et de l'équipement adéquats pour produire des pièces avec précision et performance constante durable.

Avec la bonne machine, de bons logiciels CAO/FAO, outillages et opérateurs/programmeurs formés, ces fabricants peuvent rendre leur production rentable tout en se démarquant des entreprises standards.

5) Réduire les délais et augmenter l'efficacité

Avec moins de fixations standards nécessaires pour fabriquer même les pièces les plus complexes, les machines-outils CNC 5 axes remplacent le besoin de déplacer la pièce sur plusieurs machines par une seule machine. La capacité d'usinage en une seule mise en place offre des avantages commerciaux significatifs, surtout quand les tailles de lots diminuent alors que les pièces deviennent plus complexes.

6) Améliorer la qualité et la précision des pièces

En éliminant le besoin de multiples mises en place sur diverses machines, les erreurs humaines et machines sont réduites. Cela améliore la précision de votre pièce usinée grâce aux fonctions d'usinage 5 faces et 5 axes en une seule mise en place. Ces machines permettent aussi l'utilisation d'outils standards, ce qui se traduit par des économies (pas d'outils spéciaux comme outils très longs ou outils de forme).

7) Plus de flexibilité, vitesse de production et précision

Si une machine 3+2 axes améliore les machines 3 et 4 axes standards, une machine 4+1 offre une flexibilité encore meilleure – on estime qu'elles peuvent produire 85% de toutes les pièces requises par l'industrie. C'est un atout pour les fabricants de pièces devant répondre à tous types de travaux sans être trop sélectifs. Une machine 3+2 axes (généralement un centre 3 axes standard avec table 2 axes optionnelle) nécessite chaque nouvel outil en position de départ et est limitée en taille de pièce et complexité. Une machine 5 axes simultanée complète est nécessaire pour les formes très complexes : roues de turbine, sections de moules pneus, pièces de rechange humaines, etc. Elles couvrent les 15% restants, soit 100% des besoins d'usinage standard à complexe.

#3 Quels sont les avantages des machines-outils CNC 5 axes ?

Avec l'usinage simultané 5 axes, votre machine-outil CNC peut travailler sur des surfaces de contours extrêmement complexes, difficiles voire impossibles à produire avec des machines plus simples. L'usinage des 5 faces d'une pièce en une seule mise en place permet d'effectuer des opérations sur les 5 faces en une seule mise en place, économisant temps de préparation, re-serrage et efforts.

Au-delà, l'usinage 5 axes augmente votre flexibilité et précision en éliminant le déplacement des pièces sur plusieurs machines. Cela réduit encore le besoin de diverses fixations et mises en place.

1) Mise en place machine minimisée

Avec un processus de mise en place unique (dénommé « Done-in-One »), vous réduisez significativement le temps de préparation et augmentez l'efficacité humaine et machine. Cela réduit aussi les erreurs humaines et machines provenant de multiples mises en place par étape d'usinage. L'équipement de serrage plus simple pour positionner la pièce fait gagner du temps, réduit les coûts et les erreurs potentielles.

2) Capacité à gérer des designs complexes

Avec l'usinage 5 axes, les formes et designs complexes sont facilement gérables : pièces de systèmes hydrauliques, corps de pompes à eau, carters de boîte de vitesses, roues dentées, moules d'injection, équipements pétrole & gaz, équipements médicaux ou de transfusion sanguine, etc.

3) Précision d'usinage supérieure

En réduisant les réglages manuels requis, l'usinage multi-axes améliore la précision globale de la pièce produite.

4) Meilleure finition de surface

Les machines 5 axes construites avec une qualité mécanique supérieure, comme les centres Hwacheon M2-5AX, M3-5AX, M4-5AX et D2-5AX, offrent la base pour réduire les vibrations, obtenir des surfaces lisses de haute qualité et une précision constante. L'opérateur n'a pas à re-serrer la pièce qui reste fixée pendant tout le cycle d'usinage. Cela améliore grandement la qualité des finitions.

5) Enlèvement de matière plus rapide

Spécialement conçues pour enlever même les matériaux les plus durs rapidement et efficacement, les centres d'usinage CNC 4+1 ou 5 axes complets réduisent significativement l'effort manuel, menant à une plus grande efficacité et stabilité d'usinage.

6) Gain de temps significatif

Il devient crucial d'examiner les coûts d'exploitation et de main-d'œuvre, vu la hausse des coûts, le manque de personnel qualifié et le besoin d'augmenter la productivité usine. Grâce au réglage tout-en-un de ces machines, les opérateurs n'ont pas à re-serrer et déplacer les pièces vers d'autres machines pour l'opération suivante. Ils peuvent se concentrer sur la gestion de machines additionnelles, augmentant leur productivité.

7) Extension de la capacité et flexibilité de production usine

Pour les fabricants de pièces et sous-traitants, l'investissement dans un centre d'usinage 5 axes améliore la flexibilité et l'agilité de vos productions. Avec ses multiples applications, ces machines-outils permettent de maximiser l'utilisation des machines pour gros et petits volumes. Des capacités qui peuvent faire défaut sur des machines standards moins coûteuses aux capacités clairement limitées.

En résumé, une machine-outil CNC 5 axes peut améliorer significativement votre productivité et rentabilité. De plus, elles distinguent votre capacité de fabrication de celle de vos concurrents.

#4 Que considérer dans une machine-outil d'usinage 5 axes ?

Maintenant que vous connaissez les avantages d'un outil d'usinage 5 axes, la question est : comment choisir la bonne machine-outil CNC 5 axes ?

Pour vous aider, voici une liste de contrôle pratique :

1) Puissance de traitement CNC adéquate

Assurez-vous que la puissance de traitement de la commande CNC est suffisante pour calculer et contrôler le nombre d'axes utilisés simultanément.

2) Fonction Look-Ahead adaptée au type de machine

La fonction Look-Ahead pour une machine 4+1 axes doit être d'au minimum 200 blocs. Pour des séquences d'usinage 4 axes plus complexes, 400 blocs sont préférables. Pour une opération 5 axes simultanée complète, une commande CNC à calcul plus rapide est requise. Ce pourrait être la Fanuc 31i B5 avec HAI 600 blocs standard, ou la fonction Look-Ahead optionnelle 1000 blocs, offrant une vitesse de calcul très élevée.

3) Puissance et rigidité suffisantes de la broche machine

La puissance et la rigidité suffisantes de la broche sont un facteur important souvent négligé. Une broche puissante nécessite le support d'une conception mécanique encore plus rigide. Pour garantir une coupe fluide et sans erreur, le cœur du centre d'usinage 5 axes – la broche – doit non seulement être assez puissante pour gérer les contraintes et charges, mais avoir des réserves suffisantes.

Selon le matériau à usiner, une broche moins puissante de 11-15 kW avec un couple max inférieur à 100 Nm peut limiter les capacités de votre machine. De telles machines peuvent être moins chères à court terme, mais pas sur le long terme.

(Le nouveau centre d'usinage 4+1 ou 5 axes Hwacheon D2-5AX est spécialement conçu mécaniquement dès le départ pour supporter une broche de 37 kW et 310 Nm de couple. Bien que cela augmente le coût initial, sa large gamme d'applications et ses économies long terme s'avèrent plus rentables. Toutes les broches Hwacheon sont à entraînement direct sans courroie, conçues et fabriquées en interne.)

4) Système de porte-outil adapté

Vérifiez que les systèmes de porte-outils utilisés sont soit BBT soit HSK pour éliminer les vibrations. Ils doivent assurer la meilleure connexion entre broche et porte-outil en tout temps et sous toutes conditions d'usinage.

5) Capacité d'adaptation du débit de coupe et des conditions

Selon vos besoins d'usinage, vous pouvez souhaiter maintenir une vitesse de coupe constante ou la varier selon les conditions. Dans ce contexte, vous aurez besoin d'une machine capable de mieux contrôler chaque situation pour optimiser le débit de coupe.

(Pour ce faire, Hwacheon a développé ses systèmes HECC (Hwacheon Efficiency Contouring Control), HTLD (Hwacheon Tool Load Detect) ou OPTIMA (Hwacheon Cutting Feed Optimisation System). Ce logiciel d'usinage est livré en standard sur chaque centre d'usinage Hwacheon.)

6) Haut degré de tolérance et durabilité machine

Pour garantir que votre machine-outil offre un haut degré de tolérance et durabilité, considérez sa conception et construction.

Il y a généralement deux étapes :

• La conception mécanique et la construction/assemblage mécanique de la machine
• L'utilisation de systèmes électroniques pour l'optimisation et la calibration – Méfiez-vous des fabricants low-cost qui lésinent sur les aspects mécaniques et utilisent l'électronique pour compenser leurs faiblesses.

(Hwacheon investit dans des conceptions et méthodes de construction mécaniques rigides. Nous moulons plus de pièces pour assurer la supériorité mécanique de nos machines, garantissant longévité et tolérance supérieures.)

7) Contrôle thermique et gestion du refroidissement de la broche

Cœur de toute machine CNC – particulièrement pour une machine-outil CNC 5 axes – il est crucial de gérer le contrôle thermique de la broche et du bâti. Cela prolonge non seulement la longévité de ce mécanisme vital ; cela assure aussi une meilleure qualité et précision pour vos pièces. Pour prévenir la surchauffe de la broche, il est critique que le corps de broche et le nez de broche soient efficacement refroidis. La prévention thermique est nécessaire pendant l'usinage intensif, pour réduire et contrôler la chaleur générée par le moteur et les roulements à haute vitesse et longs cycles.

Rappelez-vous qu'une broche intégrée a le moteur fonctionnant à l'intérieur du corps de broche. Il est donc essentiel que le corps de broche, incluant le nez, soient refroidis par sections. Le système de refroidissement Hwacheon est segmenté – ainsi, le fluide de refroidissement ne devient jamais « chaud ». Cela assure une température contrôlée en permanence. Deuxièmement, et surtout, Hwacheon utilise un système de lubrification et refroidissement par jet d'huile pour les roulements.

Cela non seulement empêche la surchauffe des roulements, mais assure l'arrivée d'huile fraîche en permanence. À l'inverse, certains fabricants utilisent : graissage ou broches lubrifiées air-huile. Ceux-ci n'assurent pas des conditions thermiques sécurisées pour les roulements.

#5 Quels sont les types de machines-outils CNC 5 axes disponibles chez Hwacheon ?

Comme vous le voyez, de nombreux facteurs entrent en jeu dans l'usinage 5 axes. Des techniques utilisées aux types d'outils disponibles, les choix peuvent dérouter les primo-accédants. Forts de près de 70 ans d'expérience comme pionnier de la fabrication de machines-outils CNC en Corée du Sud, nous avons concentré nos forces sur la conception, les tests et le perfectionnement des meilleures machines-outils CNC 5 axes du marché.

VESTA-1000+ Centre d'usinage vertical – 3+1 axes ou 4+1 axes

Modulaire et flexible, le centre d'usinage vertical VESTA-1000+ peut être équipé d'une table rotative NC pour permettre des opérations 3+1 axes simultanément contrôlées. Si une table 2 axes est ajoutée, le VESTA-1000+ permet une production 4+1 axes.

Capable de produire efficacement des pièces complexes plus petites (selon table utilisée et options), le VESTA-1000+ aide les usines dans leurs travaux 4+1. Cependant, il ne remplace pas une machine conçue et construite pour le 4+1 ou l'usinage 5 axes simultané.

D2-5AX – Centre d'usinage 5 axes

De conception compacte, la D2-5AX est un centre d'usinage 5 axes de taille moyenne facilement automatisable, idéal pour la production « High Mix – Low Volume » (forte variété, faible volume).

Avantages clés de la D2-5AX :

• Son axe B bascule vers la droite et la gauche (vu de l'opérateur face à la machine)
• Le vrai 0° est atteint quand la surface de table est positionnée horizontalement
• La table peut se déplacer sur une plage de -30° (surface table pointe à droite) à +110° (surface table pointe à gauche)
• L'axe C rotatif a un mouvement circulaire complet de 360°

M2-5AX / M3-5AX / M4-5AX – Centres d'usinage 5 axes

La série de centres d'usinage 5 axes complets Hwacheon est conçue pour produire les formes et designs les plus complexes. Conçus pour répondre aux standards élevés de la fabrication moules & matrices ou aux demandes de formes et contours très complexes et pour produire les pièces utilisées dans l'aéronautique ou l'industrie navale.

Notre modèle haut de gamme M4-5AX est conçu pour des applications spéciales – il est construit pour l'usinage efficace de matériaux extrêmes comme l'Inconel, le titane ou l'acier inoxydable résistant à la chaleur. Avec une broche intégrée jusqu'à 55 kW, il fournit jusqu'à 1009 Nm de couple et 8 000 tr/min, avec option broche 12 000 tr/min à 420 Nm.

L'axe Z de la machine est conçu avec des glissières boîte pleines pour garantir que la puissance de la broche reste maîtrisée même dans les conditions de coupe les plus critiques. Conçue et construite par Hwacheon, la table Trunnion 2 axes utilise des entraînements à engrenages à rouleaux de grandes dimensions pour ses axes A + C. Avec un poids total jusqu'à 28 500 kg, la M4-5AX est une centrale d'usinage pas facilement disponible sur le marché.

SIRIUS 2500-5AX – Centre d'usinage 5 axes double colonne

Sur ce modèle, la pièce usinée est serrée sur la table (axe X) tandis que la tête machine fournit les axes Y, Z plus A et B. En tant que centre d'usinage double colonne, le Hwacheon SIRIUS 2500-5AX est principalement utilisé pour des pièces ou moules de grande taille. Pour de telles applications, une machine avec table Trunnion deviendrait trop grande et coûteuse à construire.

Si vous souhaitez usiner des pièces plus grandes d'une certaine taille et poids, il est recommandé d'utiliser une tête de fraisage 2 axes.

Conclusion

Nous espérons que cet article complet sur l'usinage 5 axes et les machines-outils disponibles pour de tels travaux vous sera utile.

Une machine-outil CNC 5 axes offre aux usines la possibilité d'entreprendre des travaux qu'elles ne pouvaient pas réaliser auparavant. Pour les fabricants utilisant actuellement l'usinage 3 axes, la progression vers une machine 4+1 ou même 5 axes complets peut être l'étape logique suivante dans votre planification de production et d'investissement.

Compte tenu du coût de telles machines, il est conseillé de bien comprendre quels procédés répondent le mieux à vos besoins de production spécifiques. Vous devez aussi choisir la bonne machine-outil CNC pour réaliser pleinement l'efficacité et la rentabilité de votre production.

Si vous souhaitez en savoir plus sur l'usinage 5 axes, contactez-nous pour une discussion. Nous serons ravis de vous conseiller sur la technologie qui répond le mieux à vos besoins et objectifs de production.