Choisir entre fraisage horizontal et vertical & tournage : Différences clés expliquées

Quand il s'agit de machines de fraisage et tournage CNC, il y a beaucoup de détails qui font une différence significative dans votre flux de travail. Aucune machine ne peut gérer toutes les opérations de fabrication possibles, il est donc sage de noter les caractéristiques les plus adaptées à vos opérations.

Il y a beaucoup de tels calculs à garder à l'esprit, mais l'une des distinctions les plus importantes lors du choix d'une configuration d'usinage est de savoir si la configuration doit être verticale ou horizontale.

Les centres d'usinage horizontaux (HMC) et les fraiseuses verticales (VMC) diffèrent de plusieurs façons au-delà de leur orientation seule. Les deux types de fraiseuses ont des composants différents et sont adaptés à différentes opérations de coupe : en règle générale, une fraiseuse horizontale peut couper des rainures profondes avec un minimum de vibrations ou déformation d'outil, tandis qu'une fraiseuse verticale peut être meilleure pour les détails fins.

Cet article examine les différences clés entre les machines de fraisage horizontal et vertical. Il examine les avantages et limitations de chaque processus, liste quelques machines courantes sur le marché, et offre des conseils pour choisir entre fraisage horizontal et vertical.

Qu'est-ce qu'une fraiseuse verticale ?

Une fraiseuse verticale est une machine dans laquelle la broche (qui porte le porte-outil, qui tient à son tour l'outil de coupe) est orientée verticalement. C'est la configuration la plus courante pour une fraiseuse CNC, et peut être utilisée pour le fraisage, rainurage, perçage ou alésage.

Les fraiseuses verticales constituent en fait la majorité des machines de fraisage dans des industries comme la métallurgie, ce qui s'explique par leurs coûts inférieurs comparés aux systèmes horizontaux. Comme l'indique le nom, les fraiseuses verticales ont une orientation verticale sur leur tête de coupe ou broche. Les spécificités des commandes de fraisage peuvent varier d'une machine à l'autre.

Fraiseuses verticales populaires incluent les gammes Integrex, VCN et VTC de Mazak ; les séries VF, VR et Universal de Haas (3ERP utilise des modèles des gammes VF et Universal) ; le FANUC ROBODRILL ; et les gammes CMX V, DMV et NVX de DMG MORI.

Les deux principaux types de fraiseuses verticales sont les fraiseuses à tourelle et les fraiseuses à lit.

Fraiseuse à tourelle

Avec les fraiseuses à tourelle, la broche reste fixe en place, tandis que la partie lit de la machine tient le matériau. Ce lit se déplace horizontalement ou verticalement, permettant à la machine de manipuler la position du matériau dans les deux directions. La fraiseuse à tourelle est un dispositif extrêmement polyvalent mais peut être limitée par la taille des pièces qu'elle produit.

Fraiseuse à lit

Les fraiseuses à lit déplacent le matériau le long de l'axe horizontal avec une broche restreinte à l'axe vertical. La broche peut monter et descendre selon les besoins et usiner le matériau en forme. Les fraiseuses à lit ont une assez bonne gamme de mouvement, car la partie broche se combine avec le mouvement horizontal du lit permettant le fraisage d'une grande variété de formes et profondeurs.

Qu'est-ce qu'une fraiseuse horizontale ?

Une fraiseuse horizontale peut effectuer de nombreuses opérations similaires à une fraiseuse verticale, mais elle est configurée différemment, avec la broche orientée horizontalement. Plus robustes et solides que les fraiseuses verticales, ces machines peuvent gérer des opérations de coupe puissantes et des pièces lourdes.

Les fraises de la fraiseuse horizontale ressemblent un peu à la lame d'une scie circulaire, avec une différence cruciale : elles sont généralement plus épaisses, plus petites et leur forme offre un fraisage plus rapide que les broches de leurs homologues verticales.

L'utilisation de l'arbre et sa longueur peuvent aussi signifier qu'une fraiseuse horizontale peut utiliser plusieurs fraises à la fois.

Pour des opérations de fraisage plus complexes, certaines fraiseuses horizontales ont une table rotative, pour que l'outil de coupe puisse approcher la pièce sous différents angles. Cette configuration de fraisage horizontal est appelée table universelle.

Fraiseuses horizontales populaires incluent les gammes FF, HCN et MEGA de Mazak ; les séries EC et Universal de Haas (3ERP utilise l'Universal) ; et les gammes NH, NHX et i-Series de DMG MORI.

Qu'est-ce que le tournage CNC ?

Pour les centres de tournage CNC, tout comme les fraiseuses, ils peuvent aussi être divisés en configurations horizontales et verticales.

Tournage horizontal

Les centres de tournage horizontaux sont le type le plus répandu dans la plupart des industries. Ils ont une broche orientée horizontalement, avec des outils montés sur le côté du porte-outil. Cela les aide à couper à travers l'objet traité. Tout comme son homologue de fraisage, ce type de centre de tournage bénéficie aussi de la gravité qui éloigne les copeaux de la pièce.

Tournage vertical

Les centres de tournage verticaux sont aussi appelés tours à tourelle verticale ou VTL. Les centres de tournage verticaux et horizontaux sont très similaires mais leur configuration et forme sont renversées, permettant à la poupée fixe de reposer au sol et au plateau de devenir une table rotative horizontale. Les centres de tournage verticaux inversés sont comme les réguliers mais avec positions inversées pour la broche et le mandrin.

Usinage vertical – Avantages et inconvénients

Le fraisage vertical est le plus applicable aux projets où le focus principal de l'objet est sur un côté particulier. Cela peut être quelque chose comme une grande plaque métallique ou un matrice d'enfoncement.

Avantages

1. Simplicité : Les fraiseuses verticales ont aussi l'avantage d'être généralement moins complexes que les fraiseuses horizontales, étant à la fois moins chères et plus faciles à utiliser et entretenir pour cette raison.
2. Polyvalence : Avec les centres d'usinage verticaux, il y a des variances selon le type. Les fraiseuses à tourelle sont généralement limitées à des projets de plus petite taille en raison du mouvement biaxial qui peut être difficile avec de plus grandes pièces. En contraste, les fraiseuses à lit sont mieux adaptées aux projets nécessitant des pièces plus lourdes et grandes (bien que encore loin d'être aussi performantes que les fraiseuses horizontales pour de tels articles).
3. Emprise au sol : Les fraiseuses verticales ont une emprise au sol bien plus faible que leurs homologues horizontaux. Cela, avec le prix, les rend désirables pour les petits ateliers. Elles ont aussi plus d'utilisateurs et donc un plus grand vivier de machinistes qualifiés.
4. Coût : Les centres d'usinage verticaux sont plus courants que les horizontaux et moins chers — tant en coût machine qu'en maintenance.
5. Détail : Les fraiseuses verticales sont bonnes pour fraiser des détails fins sur des pièces avec tolérances serrées.

Inconvénients

Là où les VMC manquent, c'est la capacité à produire en volumes et complexités plus élevés. Les matériaux plus lourds peuvent aussi poser problème pour les opérations de la fraiseuse verticale car ils peuvent être plus difficiles à lever et abaisser.

1. Accès : Une fraiseuse verticale excelle au fraisage sur une face (ex: matrices d'enfoncement) mais est moins équipée pour fraiser sur toutes les faces d'une pièce, nécessitant une nouvelle configuration de bridage.
2. Puissance : Pour des pièces très grandes et lourdes, les fraiseuses verticales peuvent peiner, surtout les fraiseuses à tourelle qui doivent constamment déplacer la pièce.
3. Vitesse : Les fraiseuses verticales sont précises mais peuvent être plus lentes qu'une fraiseuse horizontale quand la production de gros volumes est requise.

Fraisage horizontal – Avantages et inconvénients

Malgré le prix plus élevé, les fraiseuses horizontales sont le choix préférable pour des projets plus complexes.

Avantages

Les machines sont plus polyvalentes et peuvent travailler sur plus de faces que les verticales. Elles sont aussi meilleures pour les articles lourds et ceux où couper une ou plusieurs rainures dans un matériau est souhaitable. Les fraiseuses horizontales ont une meilleure propension à créer des rainures également.

Autres avantages :

1. Puissance : La stabilité de l'arbre permet des coupes lourdes, permettant un enlèvement rapide de matière en grandes sections — même de matériaux durs.
2. Vitesse : L'enlèvement rapide de matière rend les fraiseuses horizontales idéales pour la production de gros volumes (de pièces relativement simples).
3. Fraisage en grappe (Gang milling) : Les machines peuvent aussi permettre des fraises supplémentaires pour diverses applications, particulièrement l'insertion de rainures plus efficacement. Sur certaines fraiseuses horizontales, les lits peuvent être rotatifs pour permettre le fraisage à plusieurs angles plutôt que strictement sur un plan horizontal. Ce mouvement du lit ajoute aussi un peu plus de polyvalence à l'arsenal de la machine.
4. Évacuation des copeaux : Les fraiseuses horizontales ont aussi une évacuation des copeaux bien meilleure. Cela vient de la configuration utilisant la gravité pour laisser tomber les copeaux. De plus, cela favorise une meilleure finition de surface et une plus longue durée de vie de l'outil.

Inconvénients

En termes d'inconvénients, le plus critique est les coûts plus élevés associés aux fraiseuses horizontales.

1. Coûts : Ces coûts peuvent être 3 à 4 fois ceux des fraiseuses verticales. Les HMC peuvent aussi être plus difficiles à surveiller, les pièces étant obstruées et la vue du projet limitée par le design.
2. Complexité : Une fraiseuse horizontale peut être plus difficile à opérer qu'une fraiseuse verticale.
3. Emprise au sol : Une fraiseuse horizontale prend plus d'espace au sol que les fraiseuses verticales, ce qui les rend difficiles à installer dans les petits ateliers.

Tournage horizontal – Avantages et inconvénients

Les centres de tournage horizontaux sont souvent assez flexibles et ont des lits plus longs, ce qui les rend plus adaptés aux pièces longues comme les arbres. Cela leur donne une utilité et polyvalence supplémentaires. Ils peuvent aussi utiliser des pièces comme des chargeurs de barres et ont généralement des contre-pointes, rares pour les tours verticaux.

Les centres de tournage horizontaux existent depuis plus longtemps et ainsi la majorité des machines et experts tendent à opérer avec cette configuration. Cela signifie aussi qu'il y a une plus grande richesse d'informations disponibles sur ces machines et leurs opérations spécifiques. L'embauche et la formation tendent donc à s'orienter vers cela, ce qui peut être un avantage de la machine elle-même.

Les machines horizontales peuvent être limitées. Pour l'usinage de pièces courtes à grand diamètre, surtout si ce sont des pièces lourdes, les centres de tournage verticaux fonctionnent mieux. L'écoulement des copeaux et le nettoyage sont aussi un problème avec les configurations horizontales.

Tournage vertical – Avantages et inconvénients

Cette configuration est particulièrement bénéfique pour l'usinage de gros objets lourds et courts. L'attraction vers le bas de la gravité contribue au placement de la pièce dans le bridage. Un autre avantage est que la présence de la gravité dirige les copeaux loin de la pièce et dans le bac ou convoyeur.

Beaucoup de pièces auto sont faites verticalement et typiquement avec une double broche. Un avantage est que la gravité travaille pour vous ; quand vous mettez la pièce dans le mandrin, elle se place d'elle-même.

Avoir la broche verticale, par opposition à horizontale, permet à la broche d'être supportée à 360°, éliminant l'affaissement de broche et augmentant le poids maximum admissible sur la broche. Le support additionnel dissipe aussi les forces de coupe créées par des coupes lourdes et/ou interrompues. L'élimination de l'affaissement de broche permet aussi d'atteindre de meilleures précisions de planéité et perpendicularité.

Les centres de tournage verticaux ont aussi une emprise au sol bien plus faible que leurs homologues horizontaux, permettant aux ateliers d'optimiser l'espace au sol. Souvent un tour vertical prend la moitié de l'emprise d'un tour horizontal, ce qui peut lui donner un avantage dans les petits ateliers.

Les machines verticales inversées sont aussi une option car elles peuvent permettre une automatisation intégrée indisponible avec l'horizontale. Ici, la broche vient chercher la pièce, alors qu'en horizontal il faut un robot ou portique pour la charger.

Les copeaux peuvent poser problème pour les tours verticaux et centres de tournage si la pièce traitée est concave. Cela résulte souvent en des copeaux piégés internement. Un autre problème qui peut survenir est celui des copeaux tombant dans la broche elle-même. Les mesures de protection et garde doivent être efficaces.

Comment choisir entre fraisage vertical et horizontal ?

Le choix entre fraiseuse verticale et horizontale dépend de facteurs comme :

1. taille de la pièce
2. complexité de la pièce
3. budget
4. quantité
5. disponibilité de l'atelier
6. matériau

En règle générale, le fraisage vertical est souvent meilleur pour :

• pièces détaillées
• pièces ne nécessitant du travail que sur une face
• matériaux tendres
• pièces courantes pour budget limité

Le fraisage horizontal est meilleur pour :

• enlèvement rapide de matière
• pièces grandes et lourdes
• matériaux durs
• pièces nécessitant travail sur plusieurs faces
• opérations nécessitant outils de coupe personnalisés ou spécialisés

Dans de nombreux cas, un atelier considérera votre projet et déterminera le meilleur équipement à utiliser pour le fraisage.

Pour plus d'informations sur les différents types de fraiseuses et leurs applications, consultez notre guide sur ce qu'est le fraisage CNC et comment il fonctionne.

Note finale

Il est aussi important de garder à l'esprit qu'il existe divers types de pièces additionnelles et têtes de coupe qui peuvent modifier une fraiseuse horizontale pour faire du fraisage vertical, ou vice versa. Cela peut servir de solution moins chère quand un type de machine rencontre un obstacle possible.

Cependant, bien que de tels outils soient excellents, ils restent une solution limitée comparée à avoir l'appareil réel sous la main. De même, les centres de tournage verticaux inversés peuvent aussi être quelque chose à examiner, car ils peuvent ajouter de l'automatisation supplémentaire au processus.

Espérons que les informations fournies aident. 3ERP offre des services de fraisage CNC et de tournage CNC pour le prototypage rapide et la production. Contactez nos ingénieurs si vous avez besoin de suggestions de fabrication supplémentaires.