Usinage CNC 3 axes, 4 axes et 5 axes :explication des principales différences

"La complexité des pièces, la vitesse d'usinage, la précision et la flexibilité globale de la production dépendent fortement du nombre d'axes sur lesquels l'outil de coupe peut se déplacer. ?"        

Dans la fabrication, les machines CNC sont dotées de capacités d'axes variées :2 axes, 3 axes, 5 axes, 9 axes ou même 12 axes. Cependant, les machines jusqu'à 5 axes sont les plus courantes. Cela pourrait vous dérouter quant à celui que vous devriez utiliser pour obtenir les meilleurs résultats, tout en gardant le coût dans les limites de votre budget. Vous avez donc besoin d'une compréhension approfondie des différences entre le fraisage 3, 4 et 5 axes .

Passons en revue les avantages, les inconvénients et les applications industrielles de l'usinage 3, 4 et 5 axes.

Qu'est-ce que cela signifie par usinage à 3, 4 et 5 axes ? 

Les machines CNC sont dotées de différentes capacités d'axe d'usinage, les axes 3, 4 et 5 étant les plus courants. Chaque axe définit la capacité de déplacer les outils de coupe dans une direction particulière. 

L'usinage sur 3 axes signifie que l'outil se déplace dans 3 directions linéaires, X, Y et Z.  

• Axe X : Direction horizontale de gauche à droite  
• Axe Y : Sens avant vers arrière
• Axe Z : Direction haut et bas (verticale) 

Fondamentalement, une fraiseuse à 3 axes couvre des directions tridimensionnelles par rapport au travail stationnaire. Cela crée des formes moins compliquées, et si vous souhaitez usiner différents côtés de la pièce, cela nécessite un repositionnement.

Dans les fraiseuses 4 axes, cela implique une capacité de mouvement supplémentaire en plus de celle-ci :Axe , où l'œuvre peut tourner autour de l'axe des x. Par conséquent, les machines à 5 axes peuvent faire pivoter la pièce dans deux directions (A &B ou C ) :Autour des axes X et Y (ou Z), permettant plus de complexité sans configuration ni repositionnement supplémentaire.   

Une fraiseuse CNC à 4 ou 5 axes peut usiner le plan, la profondeur et le contour en une seule configuration, ce qui la rend idéale pour les conceptions complexes avec des détails extrêmes. Il peut effectuer un usinage sur plusieurs côtés, créer des éléments angulaires et des profils complexes. 

Différences clés entre l'usinage 3 axes, 4 axes et 5 axes

Tout d’abord, il existe différents types de machines CNC, et le fraisage en fait partie. Dans cette catégorie, le fraisage est en outre classé en fonction de la capacité des axes, comme le fraisage à 3, 4 et 5 axes.  Chacun a des capacités différentes. 

Leur complexité d'installation, leur capacité d'usinage, leur programmation CNC, leur fonctionnement, leur coût, leur efficacité en termes de temps, leur précision et leurs exigences de maintenance sont également différents. Comprendre ces différences est crucial avant de décider lequel convient le mieux à la fabrication de vos pièces et produits. 

Configuration et programmation de la machine 

Les axes d'usinage étant plus hauts dans les fraiseuses 4 et 5 axes, ils sont plus complexes à mettre en place. Ils nécessitent un maintien précis de la pièce et un alignement du centre de la pièce avec l'axe de rotation. En revanche, un fraisage CNC 3 axes a une configuration beaucoup plus simple. Cependant, cela nécessite un nouveau serrage pour le fraisage multiface. 

En 3 axes, les codes G&M de base pour les mouvements linéaires suffisent. Mais vous avez besoin de codes complexes et longs pour les axes supérieurs, comme l'ajout d'un nouvel angle de rotation fixe après une coupe linéaire via l'indexation ou un mouvement continu pour une coupe et une rotation simultanées. 

Complexité opérationnelle

Étant donné que les centres d'usinage et les fraiseuses CNC à 5 axes impliquent des programmes complexes, leur fonctionnement est plus difficile que celui des machines à 3 axes. De petites erreurs dans la configuration ou le code peuvent entraîner une précision et un échec. De plus, le risque de collision d’outils est accru en raison de la complexité du parcours d’usinage. 

Par conséquent, l’exploitation d’une fraiseuse CNC à 5 ou 4 axes nécessite des techniciens et des ingénieurs experts possédant une vaste expérience. 

Vitesse de production 

Comme les machines à 4 et 5 axes sont capables de faire tourner la pièce et d'enlever de la matière sous plusieurs angles, elles sont plus rapides et précises. Un seul passage de machine peut fonctionner avec de nombreux outils différents et couper le travail sur plusieurs côtés simultanément. Ce processus continu élimine les multiples configurations et alignements, différents outils se déplacent sur des chemins prédéterminés et retirent le matériau du travail ; pendant ce temps, l’œuvre elle-même tourne sur plusieurs côtés, jusqu’à ce que la forme finale soit obtenue. Cependant, si vous devez usiner un seul côté de la pièce, les fraiseuses à 3 axes offrent toujours une bonne vitesse de production.

Efficacité des coûts

L'usinage 4 axes et 5 axes est plus cher que l'usinage CNC 3 axes, mais il vaut la peine de le choisir pour les applications nécessitant des niveaux élevés d'exactitude et de précision pour la fonctionnalité. Par exemple, des lobes de came complexes, des profils fraisés hélicoïdaux, etc.  Parallèlement, les formes et profils simples sont rentables et mieux fabriqués avec des machines à 3 axes. 

Précision et exactitude

Les opérations d'usinage à 4 et 5 axes fournissent des résultats plus précis et précis pour le prototypage et la fabrication à grande échelle. La différence de tolérance entre le fraisage CNC à 3, 4 et 5 axes est d'environ ±0,001″, ±0,001″/±0,01° et ±0,0005″/±0,008° simultanément. En particulier, le risque d'erreur est plus élevé si vous utilisez des machines à 3 axes pour des tâches multifaces, car elles doivent serrer à plusieurs reprises.

Pièces/produits avec des conceptions complexes 

Comme mentionné précédemment, les fraiseuses à 4 et 5 axes sont fortement préférées pour usiner des conceptions très complexes avec des détails. Les fraiseuses à 3 axes ne fonctionnent que sur un côté de la pièce à la fois (2,5 D), ou nécessitent une réinstallation pour façonner un autre côté. Pendant ce temps, les axes 3+1 ou 3+2 permettent la rotation du travail et le fraisage continu. 

• 3 axes : Conceptions simples avec des fonctionnalités telles que des profils plats, des poches et des fentes, des trous verticaux, des bossages, des chanfreins, des surfaces étagées, etc. 
• 4- Axes : Conceptions avec motifs radiaux, rainures en spirale ou hélicoïdales, trous latéraux, coupes en angle, etc. 
• 5 - Axes : Conceptions complexes avec des caractéristiques complexes telles que des surfaces de forme libre, des contre-dépouilles, des trous inclinés sur plusieurs axes, etc. 

Qualité de finition de surface

Les opérations CNC à 5 ou 4 axes peuvent obtenir une finition fine et semblable à un miroir, une valeur Ra jusqu'à 0,4 µm. Cela est dû aux angles d’outils optimaux, aux outils plus courts et à la coupe continue. En revanche, le fraisage 3 axes peut produire des surfaces avec une valeur de rugosité minimale de 1,6 µm. 

Applications du fraisage 3 contre 4 contre 5 axes 

Le processus d'usinage CNC lui-même a des applications dans plusieurs secteurs, quelle que soit la capacité des axes. La seule différence est que les machines à axes supérieurs sont utilisées pour produire des pièces usinées CNC complexes et critiques, tandis que les axes inférieurs (comme 3) sont principalement utilisés pour fabriquer des éléments moins critiques en termes de précision et présentant des caractéristiques géométriques simples.  Par exemple, de simples plaques et boîtiers pour l'électronique sont rentables à fabriquer avec une CNC à 3 axes, tandis que des articles tels que des implants médicaux personnalisés ou des composants de moteurs d'avion sont fabriqués avec une CNC à 5 axes ou même plus en raison de la nécessité d'une grande précision.

Le tableau suivant illustre la différence d'application entre le fraisage CNC à 3, 4 et 5 axes dans les industries courantes avec des exemples ;

Industrie Applications de fraisage 3 axes Applications de fraisage 4 axes Applications de fraisage 5 axes Automobile Supports d'étrier de frein, plaques de montage moteur, pièces de moyeu de roue. et supports personnalisés. Culasses, moules, prototypes de test, composants de transmission. contre-dépouilles, profils de moules à finition miroir, outils de fond, aubes de turbine, pièces de compresseur, vannes complexesÉnergiePièces standard, supports, vannes simples, blocs-cylindresCorps de vannes, rotors, roues.Aubes de turbine, pièces de compresseur, vannes complexes

Avantages et inconvénients du fraisage 3 axes 

Avantages 

• La CNC 3 axes est simple et économique ; il n'a pas besoin d'opérateurs hautement qualifiés ni de programmation complexe. 
• Il fait un excellent travail avec l'usinage de surfaces planes, comme le perçage, l'aplatissement, le rainurage, etc.
• La configuration des outils est beaucoup plus simple et rapide que celle des machines à axes plus élevés. 
• Il peut être utilisé pour l'usinage sur plusieurs faces en resserrant la pièce et en ajustant l'outil.

Inconvénients 

• Il est difficile de former des éléments géométriques complexes avec le fraisage sur 3 axes, comme des cavités profondes, des contours irréguliers, des éléments angulaires et des contre-dépouilles. 
• Il a un temps de cycle plus long et une précision dimensionnelle relativement faible 

Avantages et inconvénients du fraisage 4 et 5 axes

Avantages 

• Quatre axes permettent une rotation du travail autour de l'axe X, et cinq axes permettent une rotation autour des axes X et Y. Donc, une plus grande flexibilité dans le processus de fraisage.
• Une précision et une cohérence accrues, même pour les conceptions complexes. 
• Vous pouvez usiner tous les côtés de la pièce sans modifier ses orientations, ce qui réduit le temps de cycle et augmente la précision.
•  Il est facile d'effectuer des opérations d'usinage en angle et des contours complexes. 
• Cela réduit les coûts d'installation et de montage, car vous pouvez effectuer une rotation continue du travail et du fraisage. 
• En particulier, les fraises maintiennent un angle de contact optimal qui permet d'obtenir une qualité de finition de surface supérieure.

Inconvénients 

• Des opérateurs hautement experts et une modélisation FAO complexe sont nécessaires pour faire fonctionner des fraiseuses à 4 et 5 axes. 
• Ils peuvent être coûteux pour des prototypes et des produits plus simples en raison des coûts élevés de machines et de configuration initiale. 
• Le coût de production n'est justifié que pour les pièces de qualité industrielle et les applications d'usinage CNC nécessitant un haut niveau de précision en termes de fonctionnalité. 

Comment choisir entre le fraisage 3, 4 et 5 axes ?

Il n’est pas possible de déterminer directement lequel est le meilleur entre le fraisage à 3, 4 et 5 axes. La bonne option dépend des exigences et de la complexité du travail que vous souhaitez usiner. 

Certaines considérations critiques sont les suivantes : 

Complexité de conception

Tout d’abord, réfléchissez au type de caractéristiques géométriques de votre conception :des caractéristiques 2,5D simples et plates ou des caractéristiques complexes telles que des contre-dépouilles et des contours irréguliers ? En cas de complexité, vous devez usiner votre pièce avec un fraisage à axes plus élevés (4 ou 5). Par exemple, des aubes de turbine et des outils de moulage de plastique.

Tolérance et répétabilité 

 Avez-vous besoin de tolérances très strictes comme 0,0005″ pour les performances et la fonctionnalité, ou simplement des tolérances générales suffisent ? Si oui, les machines à 4 et 5 axes ne peuvent fournir cela qu’avec une excellente cohérence. Sinon, choisissez le fraisage 3 axes. 

Industrie des applications 

Il est également essentiel de prendre en compte l’industrie pour laquelle vous fabriquez. S'il s'agit de pièces/prototypes destinés à des industries sensibles à la précision comme l'aérospatiale, le médical ou la défense, vous devrez peut-être choisir des axes plus élevés. Sinon, vous pouvez opter pour des machines à 3 axes. 

Volume et coût de production 

Le volume de production et le coût sont liés les uns aux autres. En particulier dans l'usinage d'axes plus élevés, les volumes importants réduisent considérablement le coût de production par pièce. Car les coûts de programmation, d’étape et d’outillage sont répartis sur plusieurs lots. Pour les petits lots, vous pouvez toujours utiliser des fraiseuses à 3 axes en ajustant la configuration, même pour les conceptions d'un niveau de complexité modéré. 

Services d'usinage multi-axes chez RapidDirect 

Si votre conception est prête et que vous ne savez pas quelle fraiseuse peut fournir les résultats souhaités aux meilleurs prix. Vous pouvez obtenir des devis comparatifs en téléchargeant votre conception ici . Chez RapiDirect, nous fournissons non seulement des services d'usinage CNC, mais nous vous aidons également à choisir la bonne méthode d'usinage et à optimiser le budget de votre projet. 

De plus, nous disposons d'une installation d'usinage interne avec des fraiseuses à 3, 4, 5, 6 axes et même plus élevés, capables de créer des modèles 3D complexes dans la réalité avec la plus grande précision. Nos ingénieurs et opérateurs ont plus d'une décennie d'expérience dans l'usinage multi-axes que vous pouvez exploiter pour le succès de vos projets d'usinage CNC.