L'usinage CNC expliqué : processus clés, opérations et avantages

La fabrication moderne de produits exige des processus et techniques garantissant précision et exactitude, face à la complexité croissante des designs. Par conséquent, le développement et l'innovation dans les techniques de fabrication s'accélèrent, notamment avec l'introduction de l'automatisation.

Grâce à l'automatisation, l'usinage CNC est devenu un processus de fabrication courant, réputé pour sa précision, son exactitude et sa capacité à réaliser des designs de produits complexes. Cet article aborde les bases de l'usinage CNC, son processus, ses applications et ses avantages.

Que signifie Commande Numérique par Ordinateur (CNC) ?

La commande numérique par ordinateur (CNC) consiste à piloter une machine-outil via un micro-ordinateur qui y est rattaché. Ce micro-ordinateur répond à un langage de programmation appelé G-code et M-code, qui contient les instructions sur les paramètres d'usinage tels que la vitesse d'avance, la vitesse de broche, l'outil de coupe et le flux de liquide de refroidissement.

Le micro-ordinateur transmet ensuite ces instructions à la machine-outil. L'usinage CNC ne nécessite donc pas de manœuvre manuelle, ce qui le rend apte à créer des pièces sans erreur, quelle que soit la complexité du design du produit.

Qu'est-ce que l'usinage CNC ?

L'usinage CNC est un processus de fabrication soustractif qui consiste à retirer de la matière d'une pièce brute selon les instructions issues d'un modèle CAO pour obtenir un produit fini. La machine CNC enlève de la matière par des opérations d'usinage telles que le tournage, le perçage ou le fraisage, conformément aux codes (G-code et M-code) dérivés du modèle CAO et contenant les instructions sur les paramètres d'usinage.

Le processus d'usinage CNC est compatible avec de nombreux métaux, plastiques, bois et matériaux composites. Aux côtés des procédés additifs et formateurs, comme l'impression 3D et le moulage par injection, il constitue un pilier incontournable de la fabrication de pièces. Toutefois, l'usinage CNC présente des avantages par rapport à ces méthodes, comme une tolérance élevée. Poursuivons la lecture.

4 étapes principales du processus d'usinage CNC

Il y a quatre étapes fondamentales à l'usinage CNC, quel que soit le procédé utilisé. Voici la procédure pas à pas de leur fonctionnement général :

Étape 1 : Préparer un modèle CAO

Cette étape consiste à créer un modèle de design 2D ou 3D du produit. De nombreux logiciels conviennent, les plus populaires étant AutoCAD et SolidWorks. Il est également possible de convertir des designs 2D en 3D selon les exigences du produit.

Bien que certains designs puissent être simples, la préparation de certains modèles CAO peut requérir des connaissances avancées, surtout pour les designs de produits complexes.

Le modèle CAO doit être correctement conçu et montrer sans effort à l'opérateur les caractéristiques critiques telles que les tolérances, les lignes de construction, les filetages et autres paramètres pour une opération d'usinage efficace.

Étape 2 : Conversion en format compatible CNC

Les machines CNC ne comprennent pas le modèle CAO. Il faut donc transformer le modèle CAO en un format compatible CNC pour que la machine puisse l'interpréter. Pour cette étape, on utilise un logiciel de FAO tel qu'AutoCAD, Fusion 360 ou d'autres services en ligne de conversion de fichiers.

Ce logiciel convertit en format compatible CNC et 지시 la machine CNC sur les paramètres tels que les mouvements de rotation et linéaires, la séquence de coupe, le parcours d'outil, la pièce, la vitesse de la machine, etc., associés à l'opération d'usinage.

Étape 3 : Mise en place et exécution

Cette étape consiste à choisir le bon type de machine CNC et à configurer certaines opérations avant le début de l'usinage. Le choix de la machine dépend de la pièce, de la complexité du design du produit et du coût. Ensuite, la pièce est fixée sur la machine.

Étape 4 : Usiner la pièce

L'opérateur monte les outils de coupe nécessaires et lance le processus. Le processus est automatisé et s'exécute jusqu'à ce que le programme informatique le juge terminé. Pendant et après le processus d'usinage, les mécaniciens effectuent plusieurs niveaux d'inspection pour l'assurance qualité.

Le rôle important des mécaniciens dans l'usinage CNC

Même si le processus d'usinage CNC est automatisé, des mécaniciens CNC sont présents pour gérer les pannes prévues et imprévues. Voici les rôles importants des mécaniciens CNC :

• Trouver les spécifications du produit.
• Lire les plans, croquis et fichiers CAO/FAO.
• Créer des modèles IAO.
• Aligner et ajuster les outils de coupe et autres matériaux de la machine.
• Installer, utiliser et démonter les outils de machine CNC.
• Surveiller la vitesse de la machine.
• Inspecter et tester les produits finis pour détecter les défauts.
• S'assurer qu'une pièce est conforme au modèle CAO.

Types de machines CNC

Chaque processus d'usinage CNC a sa machine. Par exemple, les machines pour le fraisage CNC sont appelées centres de fraisage CNC, et celles pour le tournage CNC sont appelées tours CNC. Cependant, le type de machines CNC se distingue surtout par les axes selon lesquels elles peuvent se déplacer et pivoter. Voici les plus courantes utilisées dans la fabrication de pièces :

Machines CNC à 2 axes

Les machines CNC à 2 axes ne peuvent usiner une pièce que sur les axes X et Z, c'est-à-dire verticalement et horizontalement. Ce sont les machines CNC les plus simples utilisées dans la fabrication de pièces.

Machine CNC à 3 axes

Les machines CNC à 3 axes vont plus loin que les machines à 2 axes car elles peuvent se déplacer sur les axes X, Y et Z. Ce sont les machines les plus couramment utilisées en usinage CNC. Cependant, leur capacité à usiner des pièces aux designs complexes peut être limitée en raison de leur absence de rotation.

Machines CNC à 4 axes

La machine CNC à 4 axes dispose d'une broche qui peut se déplacer le long des trois axes. En termes simples, la machine peut monter et descendre, aller de gauche à droite, d'avant en arrière, et pivoter autour des axes X et A. Tout cela se fait sans que la pièce ne bouge. Ce sont les machines CNC les plus courantes pour l'usinage de pièces complexes grâce à leur vitesse, précision et exactitude.

Machines CNC à 5 axes

Une machine CNC à 5 axes a une broche et un outil de coupe qui peuvent se déplacer comme la machine à 4 axes. Cependant, contrairement à la machine à 4 axes, elles peuvent pivoter autour de n'importe quels deux des trois axes. Elles sont considérées comme les machines multi-axes CNC les plus complètes en raison de leur capacité à aborder la pièce sous tous les angles sans repositionnement manuel pendant l'usinage. L'usinage CNC 5 axes permet des opérations parfaites de précision et de pièces complexes.

3 logiciels de support courants pour l'usinage CNC

Selon les exigences du processus d'usinage CNC, chaque usinage utilise un ou plusieurs des logiciels ci-dessous :

1. Logiciel CAO

Le logiciel CAO permet à l'opérateur de produire des modèles 2D et 3D de composants physiques utilisés dans la conception et la fabrication de produits. Outre cela, ils servent à fournir des données de conception aux fabricants. Exemples : AutoCAD (2D et 3D), Inventor (3D), Blender et SketchUp.

2. Logiciel FAO

Le logiciel FAO convient à la création de G-codes à partir de modèles CAO pour piloter les machines CNC. Par conséquent, une machine CNC bénéficie d'automatisation. Principaux exemples : Fusion 360, SolidWorks et AutoCAD.

3. Logiciel IAO

Le logiciel IAO permet aux concepteurs de produits de simuler les performances d'un produit envisagé. Par conséquent, ils peuvent améliorer les designs de produits et aident les ingénieurs à résoudre des problèmes d'ingénierie. Exemples : analyse par éléments finis, dynamique multi-corps et dynamique des fluides computationnelle.

Différents types d'opérations d'usinage CNC

L'usinage CNC comprend plusieurs techniques impliquant l'enlèvement soustractif d'une partie d'une pièce brute pour obtenir le produit souhaité. Toutefois, le style d'enlèvement dépend du processus. Les opérations d'usinage CNC courantes utilisées dans la fabrication de pièces incluent :

Perçage CNC

Le perçage CNC consiste à utiliser un outil de coupe rotatif pour créer des trous cylindriques dans une pièce immobile. C'est une opération d'usinage CNC importante utilisée pour fabriquer des produits nécessitant de l'assemblage.

Fraisage CNC

Le fraisage CNC est l'opération d'usinage la plus courante qui implique l'utilisation d'un outil de coupe capable de tourner et de se déplacer le long d'axes pour enlever de la matière d'une pièce. La facilité de coupe dépend de la sophistication de la machine CNC.

Tournage CNC

Le tournage CNC est une opération d'usinage qui consiste à faire tourner une pièce tout en l'avançant vers un outil de coupe conçu pour réaliser la pièce usinée.

Autres opérations d'usinage

• Rectification
• Brochage
• Rodage
• Sciage
• Honing

Matériaux compatibles avec l'usinage CNC

–Métaux : cuivre, alliages d'acier inoxydable, titane, laiton, alliages d'aluminium, acier, magnésium, etc.

–Plastiques : acétal, PEEK, polycarbonate, nylon, acrylique, PVC, polypropylène, etc.

–Composites : époxy, phénoliques, fibre de verre et fibre de carbone.

–Bois : bois dur et contreplaqué.

–Mousse : mousse rigide et mousse à sculpter.

L'usinage CNC est compatible avec de nombreux matériaux. Cependant, avant de choisir un matériau pour l'usinage CNC, considérez les éléments suivants :

• Dureté
• Propriétés mécaniques
• Fonctions de la pièce
• Tolérance dimensionnelle
• Température de fonctionnement
• Coût

Quels sont les avantages de l'usinage CNC ?

L'usinage CNC a de larges applications dans la fabrication industrielle de pièces en raison de plusieurs avantages. Voici quelques bénéfices du processus par rapport aux autres opérations de fabrication.

Précision et exactitude

L'usinage CNC est précis, permettant aux fabricants de produire des pièces conformes au design prévu. De plus, il offre une haute précision et tolérance ; vous pouvez donc fabriquer différents lots d'un produit sans perdre en exactitude. En outre, étant un processus automatisé, il réduit les erreurs pendant l'usinage.

Rapide et efficace

Vous pouvez obtenir une pièce usinée CNC en quelques jours. C'est donc une efficacité de production. Toutefois, la vitesse et l'efficacité dépendent du type de machine CNC et de la complexité du produit.

Rentabilité

L'usinage CNC a un coût d'investissement initial élevé. Cependant, son coût opérationnel est plus faible. De plus, le taux de rendement élevé, l'absence quasi totale d'erreur humaine et le faible coût de production augmentent sa rentabilité. En outre, pour la plupart des opérations d'usinage, peu de formation est requise, et celle-ci est largement disponible en ligne.

Meilleures capacités

La plupart des machines CNC peuvent emporter de nombreux outils pour différents usages. De plus, elles disposent de logiciels sophistiqués leur permettant de travailler sur différents produits et pièces complexes. Elles ont donc des capacités accrues et une compatibilité avec des pièces de tailles, formes ou textures variées.

Large gamme de matériaux compatibles

Les opérations d'usinage sont compatibles avec une large base de matériaux. Les exemples courants sont le métal, le plastique et le composite.

Procédés de fabrication alternatifs à l'usinage CNC

L'usinage CNC est un processus polyvalent largement accepté dans la fabrication de pièces et produits. Cependant, parfois, ce n'est pas la meilleure méthode. Voici plusieurs méthodes alternatives à considérer :

Impression 3D

L'impression 3D est un processus de fabrication additive qui consiste à fondre, déposer et solidifier un matériau selon les instructions d'un modèle CAO ou numérique 3D. Comme l'usinage CNC, elle est automatisée. Cependant, contrairement à l'usinage CNC, elle est plus adaptée aux designs simples.

Moulage par injection

Le moulage par injection est un processus de fabrication plastique qui consiste à fondre et injecter du matériau dans un moule préparé et à le laisser solidifier. Il fonctionne selon le même mécanisme que d'autres processus de fabrication, comme le soufflage, le surmoulage et le moulage par insertion. C'est une partie importante de la fabrication en série de produits.

Moulage sous pression

Le moulage sous pression est similaire au moulage par injection. Cependant, il convient aux métaux comme l'aluminium. Il consiste à fondre le métal et à l'injecter dans un moule préparé. La méthode d'injection peut être à basse ou haute pression, selon la qualité du produit.

Brève histoire de l'usinage CNC

Avant l'ère électronique, les concepteurs créaient des pièces à la main ou avec des machines à commande manuelle. Les processus de fabrication utilisés à cette époque étaient limités en exactitude, précision, adéquation aux produits complexes et, surtout, production de masse. En conséquence, des recherches et développements ont été menés pour introduire de nouveaux processus de fabrication.

Le premier aperçu de la commande numérique est survenu lorsque John T. Parsons, en collaboration avec le MIT, a développé des machines à commande numérique pour la fabrication de pièces dans l'US Air Force dans les années 1940. Ces machines permettaient aux fabricants de contrôler un ensemble d'outils à l'aide d'instructions provenant de cartes perforées. Cependant, elles manquaient encore d'automatisation complète. Par conséquent, elles étaient utilisées avec la présence d'opérateurs.

Avec l'invention d'ordinateurs plus rapides, la machine CNC a commencé à utiliser des codes numériques au lieu de cartes perforées pour contrôler les outils de machine. L'usinage CNC peut produire des pièces plus rapidement et plus précisément que le système d'usinage précédent.

Conclusion

L'usinage CNC est un ensemble de processus largement accepté dans la fabrication de pièces et produits en raison de sa précision, exactitude et tolérance. Il facilite ainsi la création de produits de complexité variable pour les concepteurs et fabricants.

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FAQ

Que sont le M-code et le G-code ?

D'un côté, les G-codes sont un ensemble de codes qui indiquent à une machine CNC comment se déplacer. De l'autre, le M-code exécute les opérations non-coupe de la machine.

Quels sont les principaux défis de l'usinage CNC ?

La personnalisation n'est pas particulièrement aisée avec l'usinage CNC. Les mécaniciens doivent modifier les fichiers CAO à l'étape initiale pour apporter de légers ajustements aux produits finis. De plus, l'amélioration technologique ne permet qu'à un opérateur qualifié d'écrire les programmes.

Dans quelles industries l'usinage CNC est-il utilisé ?

L'usinage CNC a des applications dans de nombreuses industries manufacturières. Les industries courantes adoptant ce processus incluent l'automobile, l'aérospatiale, le militaire, la défense, la marine et le médical.

Quels sont les termes techniques de l'usinage CNC ?

Terminologies courantes en usinage CNC :

-CAO : Conception Assistée par Ordinateur
-FAO : Fabrication Assistée par Ordinateur
-IAO : Ingénierie Assistée par Ordinateur
-CN : Commande Numérique Distribuée
-G-code : Codes Géométriques
-M-code : Codes Machines Divers

Quelles sont les tendances dans l'industrie de l'usinage CNC ?

Les tendances incluent l'automatisation complète de la procédure, l'ajout de plus d'axes aux machines CNC et le développement de plus de fonctionnalités pour une personnalisation facile.