Usinage CNC expliqué : Fabrication de précision pour pièces métal et plastique

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 métal et plastique sur mesure. À partir de modèles CAO, les machines CNC retirent précisément la matière d'un bloc plein à l'aide d'une variété d'outils de coupe.

Globalement, l'usinage CNC produit des pièces aux tolérances serrées et aux propriétés matériaux impressionnantes. Il convient aux pièces unitaires et aux productions de faible à moyen volume (jusqu'à 1 000 pièces), grâce à sa grande répétabilité. Cependant, il comporte plus de restrictions de conception que l'impression 3D, en partie à cause de 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 relation avec les avantages et limitations clés. Nous expliquons aussi les différences principales entre les deux configurations principales de machines CNC : le fraisage et le tournage.

Usinage CNC : Le guide fabrication & design

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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 le tournage. En raison des caractéristiques de chaque type de machine, le fraisage et le tournage sont chacun idéalement adaptés à la fabrication de géométries différentes.

Voyons comment les pièces sont fabriquées avec ces deux configurations 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 machines de fraisage CNC utilisent des outils de coupe rotatifs pour retirer la matière d'une pièce montée sur la table 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 de la table et/ou de la tête d'outils (axes A et B). Les machines 5 axes peuvent produire des pièces à haute complexité géométrique et peuvent éliminer le besoin de plusieurs étapes d'usinage.

Voici un aperçu de la façon dont une machine de fraisage CNC transforme un modèle CAO en pièce sur mesure.

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

• Un bloc de matière — appelé brut ou pièce brute — est découpé à la taille et placé sur la plateforme de construction, soit dans un étau, soit directement monté sur la table.

• Il est crucial de positionner et aligner précisément la pièce brute pour usiner des pièces précises. On peut utiliser des outils de métrologie spéciaux (palpeurs tactiles) pour aider au positionnement et à l'alignement.

• Des outils de coupe spécialisés, tournant à très haute vitesse (milliers de tr/min), retirent la matière du bloc. D'abord, la machine retire la matière rapidement à moindre précision pour obtenir une géométrie approximative. Ensuite, elle effectue quelques passes de haute précision pour produire la pièce finale.

• Si le modèle a des caractéristiques inaccessibles à l'outil de coupe en une seule configuration, l'opérateur doit retourner la pièce brute et répéter ces étapes.

Après l'usinage, il faut ébarber une pièce fraisée. L'ébavurage est le processus manuel de retrait des petits défauts d'une pièce finie. Ces défauts, généralement présents sur les arêtes vives, proviennent de la déformation de la matière pendant l'usinage. Par exemple, quand une mèche traverse un trou débouchant, elle laisse des marques qu'il faut retirer.

Ensuite, il faut inspecter les dimensions critiques de la pièce si des tolérances étaient spécifiées sur le plan technique. Après cette étape, votre pièce est prête à l'emploi ou pour le post-traitement. Il y a beaucoup à explorer concernant le post-traitement pour les pièces usinées CNC (fraisées et tournées), nous vous recommandons de rafraîchir ou d'approfondir vos connaissances.

Comment fonctionne le tournage CNC ?

Les machines de tournage CNC utilisent des outils de coupe stationnaires pour retirer la matière d'une pièce montée sur un mandrin rotatif. C'est une méthode idéale pour fabriquer des pièces symétriques par rapport à leur axe central. Les pièces tournées sont généralement produites plus vite et à moindre coût que les pièces fraisées.

Typiquement, les systèmes de tournage CNC — aussi appelés tours — servent à créer des pièces cylindriques. Les centres de tournage multi-axes modernes, équipés d'outils de fraisage CNC, peuvent fabriquer des pièces non cylindriques. Ces systèmes combinent la haute productivité du tournage CNC avec les capacités du fraisage CNC et peuvent fabriquer une très large gamme de géométries avec symétrie de rotation, comme les arbres à cames et les compresseurs radiaux.

Voici un aperçu de la façon dont une machine de tournage CNC fabrique des pièces.

• L'opérateur génère le G-code à partir d'un modèle CAO et charge la machine avec un cylindre de matière première (brut).

• La pièce se met à tourner à grande vitesse et un outil de coupe stationnaire trace un profil, retirant progressivement la matière jusqu'à obtenir la géométrie conçue.

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

• Si vous devez retourner ou déplacer la pièce, vous devez répéter ce processus. Sinon, une fois l'enlèvement de matière terminé, la pièce devrait être prête à l'emploi ou pour un post-traitement ultérieur.

Puisque la frontière entre les systèmes de fraisage et de tournage CNC tend à s'estomper, le reste de ce guide se concentrera principalement sur le fraisage CNC, car c'est le procédé de fabrication le plus couramment utilisé.

Guide rapide des paramètres d'usinage CNC

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

Les machines CNC ont une zone de construction relativement grande, surtout comparées aux imprimantes 3D. Les systèmes de fraisage CNC peuvent usiner des pièces jusqu'à 2 000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40"), les systèmes de tournage CNC pouvant usiner des pièces jusqu'à Ø 500 mm (Ø 20'').

On peut fabriquer des pièces avec une haute précision et des tolérances serrées en 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 .001''). Si aucune tolérance n'est spécifiée sur le plan technique, l'opérateur usinera généralement la pièce avec une précision de 0,125 mm (.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.

Les outils à bout plat, à bout torique et à bout hémisphérique sont utilisés pour usiner des rainures, gorges, cavités et autres parois verticales. Comme chacun a des capacités géométriques différentes, ils peuvent usiner de nombreux types de caractéristiques. Les outils à bout hémisphérique sont aussi couramment utilisés en usinage CNC 5 axes pour fabriquer des surfaces courbes et des géométries libres.

Les forets sont, bien sûr, l'outil le plus couramment utilisé pour créer des trous rapidement et efficacement. Vous trouverez toutes les tailles de forets standard ici. Pour créer des trous aux diamètres non standards, on peut utiliser un outil à bout plat plongeant (suivant un chemin hélicoïdal).

Le diamètre de la tige des fraises à rainurer 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 retirant la matière sur les côtés d'une paroi verticale.

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

Les fraises à surfacer sont utilisées pour retirer la matière de grandes surfaces planes. Elles ont un diamètre plus grand que les fraises en bout, nécessitant moins de passes pour usiner de grandes zones. Cela réduit le temps total d'usinage pour produire des pièces à surfaces planes. Les opérateurs effectuent souvent une étape de surfacage pendant le cycle d'usinage pour préparer les dimensions du bloc.

Vous trouverez une gamme tout aussi étendue d'outils de coupe utilisés en tournage CNC, couvrant tous vos besoins d'usinage tels que le surfacage, le filetage et le rainurage.

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

Bien que l'usinage CNC offre une grande liberté de conception, les machines de tournage et de fraisage ne peuvent pas fabriquer toutes les géométries. Contrairement à l'impression 3D, plus le design est complexe, plus il coûtera cher à usiner. Cela est dû aux étapes supplémentaires requises pour les pièces plus complexes.

Les principales restrictions de l'usinage CNC concernent 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 angles internes vifs particulièrement difficiles.

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

De plus, 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 casser sous la force du tournage ou du fraisage. Nous recommandons de concevoir les pièces métal avec une épaisseur de paroi minimale de 0,8 mm et les pièces plastique avec une épaisseur de 1,5 mm.

Comprendre jusqu'où vous pouvez complexifier votre design pour différents types de machines, ainsi que les restrictions à garder à l'esprit, est crucial pour garantir que vos pièces sortent comme conçues et au niveau de qualité recherché. Pour des directives supplémentaires sur la façon dont la conception peut vous faire économiser beaucoup de temps et d'argent en usinage CNC, consultez cet article.

Quelles sont les caractéristiques de l'usinage CNC ?

Une force clé de l'usinage CNC est sa capacité à produire de façon constante des pièces robustes à partir d'une très large sélection de matériaux. Les machines CNC peuvent traiter praticamente tous les matériaux d'ingénierie.

Contrairement à l'impression 3D, les pièces fabriquées par usinage CNC ont des propriétés physiques entièrement isotropes, identiques à celles du matériau massif dont 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 les plastiques, car ils ont une rigidité et des températures de fusion plus basses, bien qu'un cas d'usage courant où nous voyons un mérite est l'usinage CNC de prototypes fonctionnels en plastique avant de se lancer dans des productions à plus grande échelle par moulage par injection.

Combien coûtent les matériaux pour l'usinage CNC ?

Il existe une multitude de matériaux disponibles pour l'usinage CNC, ce qui signifie que le coût varie considérablement entre les matériaux. Chaque matériau a son propre prix, et les propriétés physiques de chaque matériau influencent le coût global d'usinage.

L'aluminium 6061 est l'option la plus économique pour produire des pièces métal, avec un coût brut approximatif de 25 $ pour un brut de 150 x 150 x 25 mm. L'ABS est l'option la moins chère, coûtant environ 17 $ pour un brut de même taille. En termes de facilité d'usinage affectant le coût, l'acier inoxydable est un bon exemple. Il est bien plus dur que l'aluminium et donc plus difficile à usiner, augmentant le coût total.

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

Matériau	Caractéristiques	Comparatif coût
Aluminium 6061	Bon rapport résistance/poids, excellente usinabilité, faible dureté	$
Acier inoxydable 304	Excellentes propriétés mécaniques, résistant à la corrosion & acide, 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	$$
Nylon (PA6 & PA66)	Excellentes propriétés mécaniques, haute ténacité, mauvaise résistance à l'humidité	$$
POM (Delrin)	Haute rigidité, excellentes propriétés thermiques & électriques, relativement fragile	$$

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

Il y a beaucoup à apprendre sur tous les matériaux que Hubs propose pour l'usinage CNC. Pour plonger en profondeur dans des matériaux individuels ou des groupes 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 sortant tout droit de la machine auront généralement des traces d'outils visibles, ce qui n'est pas toujours souhaitable selon vos exigences. Il existe de nombreuses méthodes de post-traitement pour améliorer l'apparence de la surface d'une pièce et renforcer sa résistance à l'usure, à la corrosion et aux produits chimiques. L'anodisation, le grenaillage et le revêtement par poudre sont tous des méthodes viables pour finir vos pièces sur mesure.

Comme ceci est un guide plus général, nous n'aborderons pas en profondeur le post-traitement et les finitions de surface. Vous pouvez explorer les techniques et finitions les plus courantes pour l'usinage CNC dans cet explicatif pratique.

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

Bien que l'usinage CNC soit un procédé de fabrication viable et même idéal pour de nombreuses applications, du prototypage à la production à moyenne échelle de pièces finales, il n'est pas sans défauts. Dans cette section, nous couvrons les avantages et limitations de ce procédé 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 le CNC idéal pour des applications haut de gamme comme l'aérospatiale, l'aviation et l'automobile. La plupart des matériaux utilisés en 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 procédé de fabrication le plus rentable pour produire des pièces métal en faible à moyen volume. Cela signifie que vous pouvez utiliser le CNC pour des prototypes unitaires ou pour produire jusqu'à 1 000 unités.

Bien que ces avantages rendent l'usinage CNC attractif 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 bien plus élevé que pour l'impression 3D. Si vous cherchez à produire des prototypes plastique à faible coût, l'impression 3D peut être une meilleure option côté configuration.

Les délais pour l'usinage CNC tendent à être plus longs que pour l'impression 3D, le délai moyen pour le CNC étant de 10 jours contre 2 à 5 jours pour l'impression 3D. Les machines CNC ne sont pas aussi largement disponibles que les imprimantes 3D, car elles nécessitent plus de connaissances expertes pour être exploitées efficacement.

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

Décortiquons les paramètres clés à considérer pour l'usinage CNC de pièces métal et plastique sur mesure.

Paramètre clé CNC	Ce que dit Hubs
Précision dimensionnelle	Typique : ± 0,125 mm (.005'') Maximum : ± 0,02 mm (.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 fréquentes

Quelle est la meilleure application de l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est idéal pour les travaux de fabrication uniques et pour la production à faible-moyen volume de plusieurs centaines à 1000 pièces. Nous recommandons l'usinage CNC pour produire vos prototypes métal, car c'est l'option la plus compétitive en prix. Optez aussi pour l'usinage CNC quand vos pièces doivent avoir des tolérances très serrées.

Quels sont les outils de coupe CNC les plus courants ?

Les machines CNC utilisent une variété d'outils de coupe pour obtenir une gamme plus large de géométries de pièces. Ces outils incluent forets, fraises à rainurer, tarauds, fraises à surfacer et outils à bout plat, torique et hémisphérique.

Quelles industries utilisent le plus l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est un procédé de fabrication soustractive largement utilisé. Un grand nombre d'industries s'appuient sur le CNC, notamment l'aérospatiale, l'automobile, l'aviation, le transport et d'autres secteurs intégraux. Les pièces d'avion, par exemple, doivent être fabriquées avec une précision immense pour garantir le fonctionnement parfait de l'ensemble de la machine.

L'usinage CNC est-il complètement automatisé ?

L'usinage CNC est, pour la plupart, automatisé et repose sur des logiciels préprogrammés. Le logiciel 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 requise, bien que certains processus complexes puissent nécessiter une intervention manuelle supplémentaire si le design de la pièce est unique. Globalement, l'automatisation quasi complète fait de l'usinage CNC un procédé de fabrication répétable et fiable.