Maîtriser l'usinage CNC 5 axes : Guide expert pour la fabrication de précision

Introduction à l'usinage CNC 5 axes

Lorsque l'on parle d'usinage CNC multi-axes ou d'usinage multiple, l'usinage CNC 5 axes est toujours mentionné parmi les méthodes de fabrication avancées. L'usinage CNC 5 axes complet signifie la capacité de traitement d'une machine à déplacer un outil ou une pièce dans cinq axes différents simultanément. L'usinage CNC 5 axes est considéré comme une version plus évoluée et sophistiquée du processus d'usinage CNC.

Qu'est-ce qu'une machine CNC 5 axes ?

Comme nous le savons tous, l'usinage CNC 5 axes est réalisé par des machines CNC 5 axes. De nos jours, les machines CNC 5 axes sont considérées comme incroyablement excellentes pour créer des formes complexes avec une meilleure finition de surface. On peut en apprendre beaucoup sur l'usinage CNC 5 axes une fois qu'on comprend comment les machines CNC 5 axes fonctionnent dans un atelier d'usinage CNC.

Dans le processus d'usinage 5 axes, il y a deux axes supplémentaires par rapport aux axes X, Y et Z. Les deux axes supplémentaires peuvent être soit A et B, A et C, ou B et C. Ils sont impliqués pour compléter le processus d'usinage de formes hautement complexes. La question est maintenant de savoir comment les deux autres axes sont déployés dans le processus d'usinage CNC 5 axes ?

Les deux axes supplémentaires sont utilisés par le mouvement d'une table sur laquelle le matériau de travail est fixé. Ainsi, la table peut tourner dans les deux sens à 360 degrés autour de l'outil de coupe, donnant à la machine l'accessibilité à la coupe latérale. Pendant ce temps, si nous considérons un mouvement d'un seul axe comme soit en position A, B ou C, la rotation est limitée à 180 degrés. Dans le processus d'usinage 5 axes, soit il y a un pivotement de la tête d'outil contre le matériau de travail immobile, soit il y a la rotation ou le mouvement d'une table à un angle qui donne à la table une position inclinée. Selon les exigences des caractéristiques, la table peut s'incliner à différents angles pour atteindre les formes complexes. Selon la taille et le poids de l'objet soumis au produit de fabrication requis, le choix de soit le pivotement ou la rotation de la table est décidé. Si le travail est plus lourd, alors il est soumis au pivotement, sinon, l'usinage 5 axes procède avec l'inclinaison de la table pour effectuer le processus d'usinage requis. Il existe également différentes variétés d'usinage 5 axes dues aux types de machines CNC 5 axes.

Quels sont les types de machines CNC 5 axes ?

Pour répondre aux différents besoins du marché, les fabricants d'équipements CNC ont fourni différents types de machines CNC 5 axes. Parmi les types, il y a une différence fondamentale dans la flexibilité de la rotation de la table ou du mouvement de l'outil de coupe dans différentes directions. Ils sont principalement conclus comme les cinq types suivants de machines CNC 5 axes.

1. Type tête de broche à double pivot

Dans ce type, deux coordonnées de rotation contrôlent directement la direction de l'axe de l'outil.

2. Type tête oscillante à pas

Les deux axes de coordonnées sont au sommet de l'outil, mais l'axe de rotation n'est pas perpendiculaire à l'axe linéaire.

3. Type double table rotative

Concernant ce type d'usinage 5 axes, deux coordonnées de rotation contrôlent directement la rotation de l'espace.

4. Type table de travail à pas

Les deux axes de coordonnées sont sur la table de travail, mais l'axe de rotation n'est pas perpendiculaire à l'axe linéaire.

5. Type table rotative + tête de broche pivotante

Dans ce type, les deux coordonnées de rotation agissent à des endroits différents. L'une agit sur l'outil et l'autre sur la pièce.

Usinage CNC 5 axes VS Usinage 3+2 VS Usinage 4+1

Usinage 5 axes = Usinage 5 faces ?

Beaucoup de gens ne peuvent toujours pas distinguer entre l'usinage CNC 5 axes et l'usinage 5 faces, bien qu'ils aient exploré l'industrie du traitement CNC pendant de nombreuses années. Ils les confondent souvent ou pensent que l'usinage CNC 5 axes fait référence à l'usinage 5 faces. En fait, ils sont différents l'un de l'autre. Dans cette section, nous expliquerons leurs différences en détail.

Usinage CNC 3+2 axes

L'usinage CNC 3+2 signifie les trois axes d'un centre d'usinage, plus un rotatif et un basculant. L'usinage CNC 3+2 est également connu sous le nom d'usinage cinq faces. Cela signifie que vous pouvez usiner cinq faces d'une pièce en une seule configuration.

Dans cette version du processus d'usinage CNC, trois axes sont utilisés simultanément tandis que les deux autres axes sont utilisés pour repositionner la pièce soumise à la fabrication. Par exemple, si nous contrôlons les axes X, Y et C en même temps, alors les axes Z et A seront utilisés à des fins de positionnement.

Usinage CNC 4+1 axes

L'usinage CNC 4+1 signifie qu'il utilise une structure de machine 5 axes mais maintient l'un des axes rotatifs ou basculants fixe. L'usinage 4+1 est plus performant que l'usinage CNC 3+2. Cependant, ce n'est toujours pas du vrai usinage CNC 5 axes complet.

Dans ce processus d'usinage, il est clair que les quatre axes seront employés en même temps tandis qu'un seul axe reste immobile et sera déployé pour la fonction de positionnement. Par exemple, nous pouvons aller avec les axes X, Y, B et C simultanément tandis que l'axe Z sera utilisé pour régler la position du matériau.

Usinage CNC 5 axes complet

Concernant l'usinage 5 axes complet, il fait référence au fait que les cinq axes de la machine bougent simultanément (3 axes linéaires, un rotatif et un basculant). Il est capable de produire des pièces très complexes. C'est de l'usinage par liaison 5 axes.

Dans ce cas, les cinq axes travaillent en même temps pour obtenir des résultats haut de gamme. Les trois axes conventionnels tels que X, Y et Z sont déployés pour le mouvement translationnel tandis que les deux autres axes, communément appelés B et C, sont utilisés pour l'inclinaison ou la rotation complète de l'outil ou du poste de travail selon les caractéristiques de la machine CNC.

L'usinage CNC 5 axes est une méthode appropriée pour l'usinage de surfaces complexes, formes inhabituelles, usinage de cavités, trous obliques, etc. Alors que l'usinage 5 faces est similaire mais plus performant que l'usinage 3 axes. Il ne peut traiter que cinq faces mais échouerait à atteindre certains usinages spéciaux en une seule configuration.

La procédure de programmation des machines CNC 5 axes est assez similaire aux machines CNC 3 axes traditionnelles dans laquelle l'utilisateur crée d'abord le modèle CAO du produit désiré. Ensuite, le logiciel génère le code G pour le modèle de pièce en conséquence. Cependant, les machines CNC 5 axes impliquent des valeurs angulaires en plus des valeurs axiales ce qui rend le code G un peu plus complexe. Les angles sont définis en fonction de la configuration de la table et de la tête de la machine CNC 5 axes.

Les outils utilisés dans les machines 5 axes sont également améliorés par rapport à leur géométrie et leurs formes. Des formes et géométries d'outils de coupe plus rapides donnent de meilleurs résultats sous forme de tolérance et d'ajustements des produits finis. Cependant, le type de matériaux reste similaire aux méthodes conventionnelles qui dépendent de la résistance du matériau de coupe.

Bonus :

1. L'usinage 5 axes ou usinage cinq axes est parfois abrégé en disant simplement usinage CNC 5X.
2. Dans la production réelle, 90% du travail effectué par une machine 5 axes est en fait juste de l'usinage 5 faces (positionnement seulement). Savez-vous pourquoi ? En raison de la structure et des exigences réelles des pièces, la fonction de liaison cinq axes n'a pas été mise en œuvre. C'est pourquoi les gens confondent l'usinage CNC 5 axes et l'usinage 5 faces.

Prix des machines CNC 5 axes

Les prix des machines CNC 5 axes sont généralement très élevés et varient beaucoup selon les caractéristiques et le type de machine CNC. Le coût va de 10 000 $ à 500 000 $ selon différents facteurs. Cependant, les petites industries avec une faible capacité de fabrication peuvent acquérir les services d'une telle technologie innovante à des tarifs horaires. Les entreprises qui fabriquent des machines CNC 5 axes fournissent généralement de telles solutions personnalisées concernant l'usinage CNC 5 axes.

Types de configuration pour centre d'usinage 5 axes

Table-table, tête-table et tête-tête sont des exemples de combinaisons courantes de machines CNC 5 axes.

La première configuration est la configuration table-table, également caractérisée comme une machine à table trunnion. Les deux axes rotatifs sont contenus dans la table trunnion et la tête est toujours stationnaire, faisant tourner la pièce sur la table. Cette configuration est basée sur une machine CNC 3 axes standard, avec les deux axes rotatifs utilisés pour positionner la pièce dans l'orientation désirée. La machine CNC trunnion offre de meilleures capacités de sous-coupe, des volumes de travail plus importants, et une meilleure vitesse et durabilité. La machine à tête pivotante ou articulée, qui est disponible en configuration tête-tête ou tête-table, est la deuxième configuration de machine 5 axes.

Contrairement à une machine tête-tête de style trunnion, où la tête effectue toutes les rotations, la table est statique. La machine tête-table, mais de l'autre côté, est composée d'une tête basculante et d'une table rotative, ce qui permet l'utilisation d'outils plus courts ou de longueur plus standard. Les machines à tête pivotante peuvent déplacer la tête d'outil autour du bloc pour s'adapter dans de petits espaces. Le pivotement de la broche configure les axes rotatifs de sorte que des matériaux plus lourds puissent être traités et formés dans les machines CNC 5 axes facilement.

Pourquoi choisir l'usinage CNC 5 axes ?

Les avantages des machines CNC 5 axes sont vastes. Ces machines sont utilisées dans différents groupes de fabrication tels que les instruments médicaux qui nécessitent des formes très lisses et complexes, l'équipement aérospatial qui nécessite une finition de surface haut de gamme et des extrémités lisses, d'autres secteurs qui nécessitent une tolérance serrée et fabriquent des produits en vrac.

L'un des besoins de base du processus d'usinage 5 axes est l'agilité pour effectuer des processus soustractifs et obtenir ces géométries complexes qui sont assez difficiles à obtenir avec l'usinage CNC 3 axes conventionnel. Par exemple, lorsque nous avons besoin d'opérations de coupe, perçage et taraudage toutes en même temps sur différentes faces d'une pièce de matériau à différents angles, alors une simple machine CNC nécessite beaucoup d'efforts pour le faire. L'utilisateur doit changer les positions de la pièce pour créer des angles tout au long du processus de coupe s'il opte pour un processus d'usinage CNC simple. Cela prendra beaucoup de temps et d'efforts. C'est là que les machines CNC 5 axes finissent le travail efficacement.

La machine CNC 5 axes peut créer de telles formes et angles en une seule fois, réduisant ainsi le temps et les efforts avec une précision et des qualités de finition de surface accrues. Lorsque différentes formes et géométries sont atteintes, et que le délai d'exécution diminue, cela augmente le volume de production avec même une production mixte. Les industries comme l'aérospatiale, l'automobile, le médical et d'autres similaires qui exigent que leurs produits soient des profils hautement précis et exacts, l'usinage 5 axes sert le mieux. Comme l'implication humaine est réduite dans le processus d'usinage, une haute tolérance et des standards sont atteints avec les machines CNC 5 axes. Quiconque avec la bonne machine, de bonnes connaissances en CAO (conception assistée par ordinateur) et sélection de matériaux peut utiliser les machines CNC 5 axes pour créer leurs produits en dehors de la fabrication de l'entreprise.

Avantages de l'usinage CNC 5 axes

Lorsque nous arrivons à ce stade, nous pouvons conclure les avantages des machines CNC 5 axes comme suit :

1. Réduire le délai d'exécution et augmenter la vitesse de production
2. Améliorer la précision et la qualité du processus d'usinage
3. Agilité pour obtenir des géométries et formes complexes
4. Étendre la capacité de production
5. Remplacer différents équipements d'usinage par une seule machine CNC 5 axes
6. Réduire les erreurs potentielles à chaque étape du processus d'usinage
7. Durée de vie des outils de coupe plus longue grâce à la sélection automatique d'outils et à la vitesse de coupe optimisée.
8. Finition de surface haut de gamme due à moins de vibrations dans les machines CNC 5 axes

Programmation d'une machine CNC 5 axes

La procédure de création du code G pour la machine CNC commence par un modèle CAO conçu dans n'importe quel logiciel de modélisation. Ensuite, le modèle CAO est généralement transformé en un algorithme, c'est-à-dire un code G qui contient toutes les informations requises telles que la vitesse de la broche, l'avance et les mouvements axiaux des outils de coupe. Les algorithmes utilisés pour contrôler l'outil de coupe à grande vitesse des machines CNC 5 axes ne sont pas très différents de l'usinage 3 axes conventionnel en code G. Cependant, le mouvement de l'outil de coupe à différents angles ou l'inclinaison de la position de la table nécessite l'information des angles d'avancement et des chemins de courbure.

Lors de la programmation sur le 5 axes, nous avons deux possibilités pour contrôler les mouvements et positions de rotation. Nous pouvons utiliser des angles rotatifs ou des vecteurs d'outil pour sortir les données. Les vecteurs d'outil sont essentiellement les commandes qui sont déployées à la fin des axes X, Y et Z qui donnent l'information à l'outil de pivoter ou s'incliner à un angle spécifique. L'application est unique à chaque configuration de machine différente en raison de l'utilisation de vecteurs d'outil IJK. La machine est autorisée à utiliser quels axes qu'elle a disponibles pour positionner l'outil à sa position commandée et angle d'inclinaison car il ne commande aucun appel d'axe spécifique (A, B ou C). Cette flexibilité permet au même programme de pièce d'être partagé sur plusieurs machines dans l'atelier indépendamment de la configuration de la machine.

Il existe différents logiciels de programmation CNC qui peuvent être utilisés pour créer le code G qui est déployé dans les machines CNC 5 axes. Des logiciels comme Autodesk, Mastercam, Siemens NX, PowerMill et Edgecam sont les logiciels les plus couramment utilisés pour programmer les machines 5 axes.

Étapes à considérer lors du processus d'usinage CNC 5 axes

• S'assurer qu'il y a un taux de traitement suffisant de la machine CNC pour contrôler le chemin de l'outil de coupe commandé par le code G téléchargé dans la machine CNC.
• Pour des opérations CNC pleinement fonctionnelles, s'assurer également les fonctions de regard anticipé qui permettent à la machine NC de calculer plus rapidement.
• Choisir le meilleur système de porte-outil pour le processus d'usinage CNC qui assure le mouvement sans vibration de l'outil lors de la création d'un profil sur le matériau.
• Contrôler le débit d'avance pendant la condition pour maintenir la durabilité de l'outil de coupe. Contrôler la vitesse des outils de coupe sur différents matériaux est la clé de base pour augmenter la durée de vie de l'outil de coupe.
• Un autre facteur très important à surveiller est le contrôle de la chaleur de la broche en utilisant un réfrigérant approprié. Donc, différents lubrifiants ou systèmes de jet d'eau sont utilisés pour maintenir la température de la pointe de l'outil de coupe basse et éliminer les copeaux de la position de l'outil de coupe.
• Aussi, avant de soumettre votre pièce à la fabrication directement dans la machine CNC 5 axes, il est préférable de faire une simulation de trajectoire d'outil qui peut garantir que le bon processus est effectué avec des résultats corrects.

Outils de coupe pour le processus d'usinage CNC

Les matériaux d'outils de coupe utilisés pour couper ou façonner le travail soumis dans les machines CNC 5 axes ne sont pas différents des machines CNC 3 axes. Cependant, les stations de porte-outil sont assez différentes et la capacité de changement d'outil en CNC 5 axes est grandement améliorée. Ils incluent également des changements de pièce automatique ou un changeur de palette automatique qui réduit l'interaction humaine avec l'outil de coupe et le matériau pendant le processus de fabrication. Cette flexibilité permet également la production High Mix ou Low Volume qui augmente l'efficacité de toute entreprise de fabrication. En usinage CNC 5 axes, il y a 60 à 120 stations d'outillage dans le changeur d'outil automatique. Un plus grand nombre de stations d'outillage fournit l'ajustement pour travailler sur des designs assez complexes.

La sélection du matériau d'outil de coupe dépend de différents facteurs tels que les matériaux d'outil devraient être 40 à 60 pour cent plus résistants que le matériau sur lequel il travaille. De même, il devrait avoir une conductivité thermique élevée avec un faible coefficient de frottement. Aussi, les fabrications de matériaux d'outil de coupe devraient être faciles pour qu'ils puissent être facilement accessibles. Certains des matériaux de coupe utilisés en usinage CNC sont donnés ci-dessous :

Acier au carbone

Ce matériau est le matériau de coupe le plus populaire utilisé en usinage CNC en raison de sa disponibilité et de son faible coût. Il contient une petite quantité de manganèse et de silicium avec 0,6 à 1,5 % de teneur en carbone.

Acier rapide

Ce matériau est le deuxième plus abondamment utilisé en usinage CNC en raison de sa durabilité et de sa haute résistance à l'usure. Il contient du tungstène, du chrome, du molybdène avec une quantité raisonnable d'acier au carbone.

Carbures cémentés

Ces matériaux sont utilisés pour des opérations de coupe à très haute vitesse puisque ce matériau a une haute résistance thermique et peut supporter des températures comme 1000 degrés Celsius. Sa composition implique principalement du tungstène, du titane et du tantale.

Céramiques

Ce matériau est chimiquement inerte et ne subit aucune corrosion, donc il peut durer plus longtemps par rapport aux outils de coupe métalliques dans les environnements corrosifs. Ces outils sont même dix fois plus rapides que l'acier rapide. Leur matériau est principalement composé de nitrure de silicium et d'oxyde d'aluminium.

D'autres matériaux d'outils de coupe incluent la pointe de diamant, les nitrures de bore-carbone ou les cermets.

Géométries des outils de coupe

Les outils de coupe 5 axes sont légèrement différents des outils conventionnels puisqu'ils sont soumis à la coupe d'angle, ils doivent donc être plus flexibles avec leurs formes pour effectuer le travail.

Fraises en bout : Ce sont des outils de coupe rotatifs qui peuvent être utilisés pour enlever des matériaux, surtout dans les machines CNC 5 axes. La fraise en bout comme le foret est utilisée pour des opérations d'usinage plus polyvalentes. Les fraises en bout sont des outils de coupe latéraux qui coupent dans n'importe quelle direction, par opposition aux forets, qui ne peuvent couper qu'axialement au matériau. Différentes catégories de fraises en bout sont :

Fraises hémisphériques : Ce type de fraise en bout a une action de contour 3-D idéale qui génère des profils courbes de premier niveau. L'inclinaison de l'axe de l'outil permet aux goujures de saisir le matériau, l'éloignant de la pièce plutôt que de le pousser, l'empêchant de s'accumuler sur elle-même, l'outil et la surface de la pièce.

Fraises en V : Ce sont aussi une sorte de fraises en bout et sont généralement disponibles en deux variantes, c.-à-d., 90° ou 60° qui dépendent complètement de la dépression requise sur le matériau en fabrication.

Fraises multi-goujures : Lorsque plus de bords sont en jeu avec plus de goujures sur un outil de coupe, le processus d'usinage peut maintenir des vitesses et avances plus élevées. De plus, les goujures supplémentaires augmentent la surface de coupe de l'outil, résultant en une durée de vie plus longue de l'outil. Ces avantages s'additionnent pour des taux d'enlèvement de métal significativement plus élevés, une meilleure finition de surface et un contrôle des coûts globaux.

Forets hélicoïdaux : Cet outil de coupe a deux goujures avec deux côtés pour enlever le matériau du travail. Ce sont le type d'outils de coupe le plus courant utilisé en usinage CN. Il a trois parties majeures comme les autres outils de coupe, queue, corps et arête de coupe.

Prix des machines CNC 5 axes

Le coût d'achat d'une machine CNC 5 axes varie beaucoup. Il peut varier de mille dollars à cinq cent mille dollars. Le prix dépend de la taille, des caractéristiques et du type de machine CNC. Certains facteurs importants pour la variation de prix des machines CNC 5 axes sont :

• Type de matériau de la pièce, c.-à-d., s'il s'agit d'acier, aluminium, titane ou autres
• Conception de la machine CNC comme trunnion ou type pivotant
• Catégorie d'axes telle que 3+2, 4+1 ou machine CNC 5 axes complet
• Taille de la machine et autres caractéristiques comme la capacité de porte-outil et la puissance de la broche

Quelques comparaisons simples pour les différents types de machines CNC 5 axes sont données ci-dessous :

• Machine de fraisage CNC 5 axes 3+2 peut coûter entre 35 000 $ – 200 000 $
• Machine de fraisage CNC 5 axes type trunnion coûte environ 200 000 $ – 500 000 $
• Machine de fraisage CNC 5 axes type tête pivotante coûte presque 150 000 $ – 500 000 $
• Prix des machines de fraisage CNC 5 axes mini varient de 3 000 $ – 10 000 $
• Machine de fraisage CNC 5 axes 3+2 petite peut être achetée dans une fourchette de 25 000 $ – 40 000 $

Généralement, les prix des machines CNC 5 axes sont assez élevés mais quiconque nécessite des services de machine CNC 5 axes peut également obtenir de la fabrication CNC personnalisée à des tarifs horaires.

Services d'usinage CNC 5 axes sur mesure

Le besoin d'usinage CNC 5 axes a grandi dans le monde entier en raison de sa finition lisse, tolérance précise et moins chronophage. Cependant, pour la fabrication de faible volume, les machines CNC peuvent être très coûteuses à l'achat et ne pas tirer le maximum de la machine CNC quand il n'y a pas assez de travail, ou vous n'en avez pas besoin pour longtemps. Donc, les grandes entreprises ou fabricants fournissent également des services d'usinage CNC. Les services sont facturés sur une base horaire. Les prix pour l'utilisation horaire de machines 5 axes peuvent à nouveau varier selon le type de machine CNC. Cependant, le client obtient des solutions personnalisées et une fabrication de pièces personnalisées en obtenant ces services. Le prix d'un service d'usinage CNC 5 axes peut aller de 50 $ à 200 $ qui peut être négocié et traité directement avec l'entreprise fournissant le service.

Conclusion

L'usinage CNC 5 axes est en fait différent de l'usinage CNC 5 faces. Il y a 5 types différents de machines CNC 5 axes. Du point de vue professionnel, l'usinage multi-axes comme l'usinage 3+2 et l'usinage 4+1 ne sont pas tout à fait de l'usinage 5 axes COMPLET. Ce qu'ils peuvent faire, c'est de l'usinage 5 faces. Mais l'usinage 4+1 CNC est plus performant que l'usinage 3+2.