Le fraisage CNC, un type d'usinage CNC, est couramment utilisé dans l'industrie manufacturière en raison de sa grande efficacité de coupe et de sa précision avec les outils de fraisage multipoints.
Alors que la plupart des gens sont plus familiers avec l’impression 3D pour créer des objets physiques précis, le fraisage CNC existe depuis bien plus longtemps et reste largement utilisé aujourd’hui. Les fraiseuses CNC ont été utilisées commercialement pour la première fois en 1952. Depuis lors, de nombreux progrès ont été réalisés, notamment le développement de machines et d'automatisations plus complexes.
Dans cet article, nous examinerons en profondeur le fraisage CNC : comment fonctionnent les fraiseuses, quels produits elles peuvent fabriquer et si le fraisage est le bon choix pour vos pièces.
Qu'est-ce que le fraisage CNC ?
Le fraisage CNC est un processus de fabrication dans lequel un outil de coupe, monté sur une broche rotative, enlève sélectivement de la matière d'une pièce. Cette opération est automatisée par des systèmes à commande numérique par ordinateur (CNC). Contrairement au tournage CNC, où la pièce tourne contre un outil de coupe fixe, dans le fraisage CNC, la pièce est montée de manière rigide sur une table fixe. Pourtant, les fraiseuses modernes permettent à cette table de se déplacer linéairement ou de tourner sur différents plans, permettant à l'outil de travailler sous différents angles.
Les fraiseuses CNC avancées, comme les fraiseuses CNC 5 axes ou multiaxes, offrent des capacités améliorées grâce à l'inclinaison de l'outil et à la rotation de la pièce, permettant de créer des formes complexes avec plus de précision et d'efficacité sans déplacer la pièce vers une autre machine.
Comment fonctionnent les fraiseuses CNC ?
Un aperçu complet du processus de fraisage vous aidera à avoir une idée complète de son fonctionnement. Généralement, le processus peut être décomposé en 3 étapes comme ci-dessous.
Étape 1 : Créer un modèle CAO
Lorsqu'ils reçoivent des dessins 2D ou des concepts de conception initiaux, les ingénieurs utilisent des logiciels de CAO tels qu'Autodesk Inventor ou SolidWorks pour créer un modèle 3D détaillé de la pièce. Ce modèle CAO comprend tous les détails essentiels, tels que les dimensions, les caractéristiques critiques, les tolérances, les lignes de construction et les indications de filetage. Les logiciels de CAO permettent aux concepteurs de visualiser, d'analyser et d'affiner efficacement leurs conceptions avant le début du processus de fabrication.
Étape 2 : Convertir le modèle CAO en format compatible CNC
Les fraiseuses CNC ne peuvent pas interpréter directement les modèles CAO, il est donc nécessaire de convertir ces modèles dans un format compatible avec les machines. Cette conversion est effectuée par un logiciel CAM, qui traduit le modèle CAO en instructions lisibles par machine.
En important le modèle CAO dans un système CAM, un programme CNC est généré. Ce programme est souvent écrit en code G, qui se concentre principalement sur les paramètres de fonctionnement de l'outil tels que la vitesse de broche, la direction du mouvement et la profondeur de coupe, et en code M, qui traite diverses tâches telles que les changements d'outils, la mise sous et hors tension de la machine, et d'autres fonctions auxiliaires.
De nombreux progiciels de FAO incluent une fonction de simulation qui permet aux concepteurs ou aux ingénieurs de vérifier leurs programmes CNC et de s'assurer qu'ils fonctionnent comme prévu. Cela permet d’identifier les problèmes potentiels avant le début de la fabrication, ce qui permet d’économiser du temps et des ressources.
Étape 3 : configurer la fraiseuse et effectuer l'opération de fraisage
L'opérateur fixe les outils de coupe à la broche et positionne solidement la pièce sur la table de travail. Ils importeront ensuite le programme CNC dans la fraiseuse et commenceront le fraisage. Les fraiseuses modernes sont hautement automatisées et souvent équipées de changeurs d'outils automatiques (ATC), qui permettent à la machine de changer d'outil pendant l'opération sans intervention manuelle. Cela minimise les interruptions et réduit les temps d’arrêt.
Selon le résultat souhaité, le processus peut nécessiter plusieurs passes. Les opérations initiales utilisent généralement des outils de coupe plus gros pour enlever rapidement de la matière et obtenir une forme grossière. Les cycles de finition ultérieurs utilisent des outils plus fins et des vitesses plus lentes pour affiner la surface, amenant la pièce à ses dimensions finales, à sa qualité de surface et aux tolérances requises.
Types d'opérations de fraisage CNC
Le fraisage CNC est un processus polyvalent qui peut effectuer diverses opérations pour créer différentes formes et caractéristiques dans une pièce. Voici quelques types d’opérations courants :
Fraisage simple
Le fraisage simple, également appelé fraisage de dalles, est utilisé pour usiner des surfaces planes parallèles à la table de travail. L'action de coupe se produit principalement sur la circonférence d'une fraise cylindrique, qui est bien adaptée à l'usinage de surfaces larges et planes.
Fraisage du visage
Le surfaçage est similaire au fraisage simple, mais utilise généralement une fraise avec des dents à la fois sur la face (le fond) et sur la circonférence (les côtés). Cette conception permet au surfaçage d'éliminer efficacement la matière et de produire de grandes surfaces planes avec d'excellentes finitions. Il peut être utilisé indépendamment ou après un simple fraisage pour améliorer la finition de surface ou obtenir des contours spécifiques.
Fraisage angulaire
Le fraisage angulaire implique l'utilisation de fraises avec des angles spécifiques, telles que des fraises à angle simple et double, pour usiner des éléments angulaires sur une pièce. Les caractéristiques communes produites par le fraisage angulaire comprennent les rainures en queue d'aronde, les chanfreins et les fentes en forme de V, qui sont orientées selon des angles qui ne sont ni perpendiculaires ni parallèles aux axes principaux de la pièce.
Fraisage de forme
Le fraisage de forme est un processus qui utilise une fraise de forme spéciale pour usiner des profils uniques sur une pièce, tels que des contours, des courbes ou des rainures, en un seul passage. Il est généralement utilisé pour créer des formes complexes telles que des dents d'engrenage ou des surfaces de moule complexes.
Fraisage latéral
Il s'agit du processus de fraisage d'une surface plane ou inclinée sur le côté de la pièce. Cela implique généralement de couper le long du côté de la pièce pour créer des surfaces verticales, inclinées ou profilées.
Fraisage de rainures ou de rainures
Le rainurage consiste à découper des canaux ou des rainures étroites dans une pièce. Cette opération implique généralement l'utilisation d'une fraise en bout ou d'une fraise à fente pour créer des fentes de différentes formes et tailles, telles que des fentes droites, rectangulaires ou en forme de V. Le fraisage de rainures est largement utilisé pour des applications telles que les rainures de clavette, les dents d'engrenage et d'autres caractéristiques nécessitant des rainures précises et droites, et peut également inclure des formes spécialisées telles que le fraisage de rainures en T pour sécuriser les fixations ou les boulons.
Fraisage chevauchant
Le fraisage enjambeur est une opération où deux surfaces parallèles sont usinées simultanément à l'aide de deux fraises latérales montées sur le même arbre, espacées par des collerettes. Il est couramment utilisé pour usiner les côtés opposés d'une pièce afin de garantir qu'ils sont parallèles, et est souvent appliqué pour créer des surfaces carrées ou hexagonales.
Fraisage en groupe
Le fraisage groupé est une opération de fraisage dans laquelle plusieurs fraises sont montées sur la même broche pour usiner plusieurs surfaces ou éléments simultanément en un seul passage. Cette méthode réduit considérablement le temps d’usinage et peut gérer des géométries de pièces complexes et des surfaces multiples.
Quels produits peuvent être fabriqués par fraisage CNC ?
Le fraisage CNC est un processus automatisé qui, une fois configuré, peut fonctionner en continu pendant des jours, produisant des pièces de manière cohérente et efficacement. Grâce à l'utilisation de modèles numériques et à l'usinage autonome, l'erreur humaine est minimisée, ce qui se traduit par une précision exceptionnellement haute . Les fraiseuses modernes sont devenues de plus en plus avancées, capables de créer des formes carrées, des biseaux, des angles, des fentes, des courbes complexes et même des formes rondes.
De plus, le fraisage CNC peut fonctionner avec une large gamme de matériaux, notamment les métaux, les plastiques, les élastomères, les céramiques et les composites. Cette polyvalence rend le fraisage CNC adapté à la fabrication de presque toutes les pièces. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples typiques d'applications :
Aérospatial
Le fraisage CNC est applicable à la fabrication de nombreux composants aéronautiques adoptant des matériaux tels que le titane et l'aluminium. Ces matériaux sont légers et durables. Le processus de fraisage peut répondre aux exigences strictes d’exactitude et de précision. Les composants du moteur, les composants du train d'atterrissage et les panneaux de carburant sont produits par cette technique.
Automobile
L'industrie automobile utilise le fraisage en raison de l'exigence d'efficacité sans perte de précision. Par conséquent, il convient aux produits fabriqués selon ce procédé, notamment les panneaux de commande, les essieux et les moules automobiles.
Électronique
La grande polyvalence et la précision de la fraiseuse CNC la rendent idéale pour l'industrie électronique. La fraiseuse CNC façonne non seulement les conducteurs et les métaux nécessaires à la transmission, mais également les cartes polymères qui abritent ces conducteurs.
Médical
Le fraisage CNC permet de fabriquer des pièces à partir de nombreuses qualités de titane et d'acier inoxydable, qui sont souvent utilisées dans la fabrication de dispositifs médicaux, tels que des scalpels et des implants. Les pièces médicales telles que les prothèses nécessitent une conception précise et unique. Par conséquent, le fraisage CNC est la meilleure méthode pour de telles pièces.
Prototypage et fabrication de moules
Le fraisage est bien adapté au prototypage et à la fabrication de moules en raison de sa haute précision, de sa flexibilité et de son efficacité. Les fraiseuses CNC peuvent gérer une variété de formes et de matériaux complexes, fournissant ainsi des résultats d'usinage précis. Cela permet aux concepteurs de transformer rapidement leurs idées en prototypes physiques ou en moules, facilitant ainsi une évaluation et une optimisation plus approfondies, accélérant ainsi le processus de développement de produits et réduisant les coûts de fabrication.
Bien que les fraiseuses CNC soient très polyvalentes, elles présentent des limites. Le plus gros inconvénient est peut-être le coût. Même les machines CNC les plus basiques adaptées à la production de masse ont un prix élevé, et les coûts ne font qu'augmenter à mesure que les machines deviennent plus avancées, tant en termes d'achat que de maintenance.
Une autre limitation est liée à la taille et à la géométrie des pièces. La taille de la pièce est limitée par les dimensions de la machine CNC et la géométrie est limitée par les capacités physiques de l'outil de coupe. Par exemple, la réalisation de caractéristiques telles que des contre-dépouilles ou des zones en retrait sous la surface d'une pièce nécessite des outils spéciaux ou des machines multi-axes coûteuses.
Le fraisage CNC n'est pas non plus entièrement exempt d'erreurs humaines. L'utilisation de ces machines de haute technologie nécessite des compétences, et la configuration d'une fraiseuse pour un travail spécifique peut s'avérer longue et complexe, exigeant des opérateurs expérimentés.
Le fraisage CNC est-il le bon choix pour vos pièces ?
Maintenant que nous avons une compréhension générale du fraisage CNC, la question demeure : le fraisage CNC est-il le bon choix pour votre projet ? Examinons les aspects clés pour vous aider à décider :
Géométrie de la pièce
Le fraisage CNC excelle dans la production de formes complexes et non symétriques. Si vos pièces présentent des géométries complexes, des angles vifs ou des caractéristiques multi-surfaces, le fraisage CNC est probablement une bonne solution. Cependant, pour les pièces rondes ou symétriques, le tournage CNC pourrait être plus efficace.
Volume de production
Le fraisage CNC est idéal pour les petites et moyennes séries de production. Si votre projet implique des pièces personnalisées, des prototypes ou des quantités limitées, le fraisage CNC est souvent considéré comme une option économique et efficace. Cependant, pour des volumes de production plus importants, d’autres méthodes comme le moulage par injection ou l’estampage peuvent s’avérer plus rentables.
Sélection des matériaux
Le fraisage CNC est polyvalent et fonctionne avec une large gamme de matériaux, notamment les métaux, les plastiques, les céramiques et les composites. Si votre projet nécessite une découpe précise dans différents matériaux, le fraisage CNC peut être une solution fiable.
Considérations budgétaires
Bien que le fraisage CNC offre une précision et une flexibilité élevées, il peut être plus coûteux, en particulier pour les conceptions simples ou les grands volumes de production. Il est important de peser le rapport coût-bénéfice en fonction de la complexité de votre projet et de la quantité requise.
Exigences de tolérance
L'un des principaux atouts du fraisage CNC est sa capacité à atteindre une haute précision et des tolérances serrées, même jusqu'à ±0,01 mm (±0,0004 pouces). Cependant, il est important de déterminer si votre projet nécessite réellement ce niveau de précision, car des tolérances plus élevées nécessitent davantage de ressources d'ingénierie et entraînent des coûts plus élevés.
Lorsque vous évaluez si le fraisage CNC est le bon choix pour vos pièces, pensez à l'application spécifique. Par exemple, si vos pièces sont autonomes et n’ont pas besoin d’être intégrées à d’autres composants, elles ne nécessiteront peut-être pas de tolérances extrêmement strictes. Dans de tels cas, choisir des tolérances standardisées avec une fraiseuse 3 axes peut être une solution plus rentable. En revanche, si votre projet implique des secteurs comme l'aérospatiale, le médical ou l'automobile, où la précision est primordiale, même les plus petits écarts peut conduire à des défaillances fonctionnelles. Dans ces cas-là, l’utilisation de fraiseuses multi-axes peut être plus appropriée.
Si vous n'êtes pas sûr des exigences de tolérance de vos pièces, collaborer avec un partenaire d'usinage CNC expérimenté peut vous aider à prendre la bonne décision. En discutant en détail des objectifs et des spécifications de votre projet, vous pouvez déterminer les tolérances idéales sans trop dépenser en précision inutile.
Chiggo est un partenaire de fabrication sur mesure de confiance pour le fraisage et l'usinage CNC personnalisés. Avec des fraiseuses à 3, 4 et 5 axes, nous fournissons un prototypage, un outillage et une production finale rapides à des coûts d'usinage compétitifs. Demandez un devis de fraisage CNC dès aujourd'hui et notre équipe vous répondra dans les 12 heures.
Types de fraiseuses CNC
Il existe plusieurs fraiseuses CNC parmi lesquelles choisir, chacune adaptée à différentes tâches. En fonction du design et de la fonctionnalité, il en existe deux types principaux :
Fraiseuse verticale
Dans une fraiseuse verticale, la broche, qui maintient l'outil de coupe, est orientée verticalement. Cette configuration offre une meilleure visibilité pendant l'usinage, ce qui la rend idéale pour travailler sur des pièces plus petites ou des tâches nécessitant une précision détaillée. Les fraiseuses verticales sont le type de fraiseuse CNC le plus courant et sont fréquemment utilisées pour la découpe de fentes, le perçage et le contournage.
Ils ont un encombrement réduit et des coûts inférieurs, tant en termes d'achat initial que de maintenance continue. Cependant, les broyeurs verticaux peuvent avoir des difficultés avec des pièces très grandes ou lourdes, et bien qu'ils offrent une grande précision, ils peuvent être plus lents que les broyeurs horizontaux lorsqu'il s'agit de production à grande échelle.
Fraiseuse horizontale
Les fraiseuses horizontales peuvent effectuer bon nombre des mêmes opérations que les fraiseuses verticales, mais avec une configuration différente. La broche est positionnée horizontalement et ces machines sont mieux adaptées au traitement de pièces plus lourdes. La stabilité de la broche horizontale permet une coupe robuste, permettant l'enlèvement rapide de grandes quantités de matériau. Cela rend les fraiseuses horizontales idéales pour la production en grand volume de pièces relativement simples. De plus, leurs capacités supérieures d’élimination des copeaux permettent d’obtenir de meilleurs états de surface et de prolonger la durée de vie des outils. Cependant, les fraiseuses horizontales sont plus chères et peuvent être difficiles à installer dans des ateliers d'usinage plus petits.
Les fraiseuses CNC peuvent également être classées en fonction du nombre d'axes de translation et de rotation le long desquels elles peuvent se déplacer, souvent appelés degrés de liberté. Les types courants de fraiseuses CNC comprennent :
Fraiseuses 3 axes
Les fraiseuses à 3 axes permettent à l'outil de coupe de se déplacer le long des axes X, Y et Z. Ce type d'usinage est le plus courant en raison de ses coûts de démarrage inférieurs et de sa facilité d'utilisation. Il peut produire la plupart des formes standards et est plus simple à programmer et à utiliser. La relative simplicité du mouvement le rend adapté à de nombreux projets qui ne nécessitent pas de géométries complexes mais bénéficient d'un débit de pièces et d'une efficacité de processus élevés.
Fraiseuses 4 axes
La fraiseuse 4 axes possède toutes les capacités d'une fraiseuse 3 axes, avec un axe supplémentaire appelé axe A. Cela permet la rotation de la pièce à couper autour de l'axe A, ce qui s'avère particulièrement utile lorsque les pièces doivent être coupées autour d'un cylindre ou sur le côté d'une pièce.
Fraiseuses 5 axes
Ces machines fonctionnent le long des trois axes linéaires (X, Y, Z) et ajoutent deux axes de rotation (choisis parmi les axes A, B et C), qui peuvent faire tourner le banc de la machine, la tête de l'outil ou les deux. Cette capacité élimine le besoin de plusieurs configurations et permet d'usiner sur cinq faces en une seule configuration. En conséquence, les fraiseuses 5 axes peuvent produire des géométries très complexes avec une grande précision, ce qui les rend idéales pour les composants aérospatiaux, les pièces en titane, les dispositifs médicaux et les composants de turbines à gaz.
Quels sont les axes de rotation et linéaires dans le fraisage CNC ?
Axes linéaires :
Les axes linéaires des fraiseuses CNC sont responsables du mouvement de l'outil de coupe le long de trajectoires droites. Imaginez que vous êtes l'opérateur face à la machine :
L'axe X est parallèle à votre corps, se déplaçant de gauche à droite.
L'axe Y est perpendiculaire à vous et avance et recule.
L'axe Z, parallèle à la broche, monte et descend.
Axes de rotation :
L'axe A fait référence au mouvement de rotation autour de l'axe X, permettant à l'outil de coupe ou à la pièce de tourner horizontalement.
Tournant autour de l'axe Y, l'axe B assure une rotation verticale, permettant des angles d'usinage plus flexibles.
L'axe C ajoute la possibilité de tourner autour de l'axe Z, donnant à l'outil ou à la pièce une pleine capacité de rotation dans le plan perpendiculaire à l'axe Z.
Composants d'une fraiseuse CNC
Pièces de base du moulin CNC
Quel que soit le type de fraiseuse, voici les composants essentiels qui composent une fraiseuse CNC standard :
Bâti de la machine : Le bâti de la machine est la base sur laquelle tous les autres composants de la machine sont montés. Il est généralement fabriqué en acier lourd ou en fonte pour fournir une base stable et absorber les vibrations.
Table de travail : La table de travail d'une fraiseuse CNC se trouve sur le banc de la machine. Il maintient la pièce en place pendant l'usinage. Les fraiseuses CNC standard ont une table de travail qui se déplace dans les directions X et Y, tandis que certaines fraiseuses CNC avancées à 5 axes peuvent faire pivoter le lit pour faciliter les opérations d'usinage plus avancées.
Composants d'entraînement :Les composants d'entraînement sont responsables de l'alimentation et du contrôle du mouvement de divers éléments de la machine. Ces composants comprennent des servomoteurs ou des moteurs pas à pas, des vis à billes et des guides linéaires. Les servomoteurs convertissent l'énergie électrique en mouvement mécanique via des pilotes, permettant un mouvement précis de la table de travail ou de la broche le long des axes de la machine. Les vis à billes et les guides linéaires garantissent que ce mouvement est transmis avec précision à la table de travail et à l'outil de coupe.
Système de liquide de refroidissement : Le système de refroidissement est conçu pour réguler la température pendant l'usinage en fournissant du liquide de refroidissement (généralement un liquide tel qu'une huile soluble dans l'eau ou un liquide de coupe) à la zone de coupe. Ce système permet de réduire la chaleur générée par l'outil de coupe et la pièce, évitant ainsi l'usure de l'outil et la déformation thermique de la pièce. De plus, le liquide de refroidissement aide à éliminer les copeaux et les débris de la zone de coupe, améliorant ainsi la qualité globale de l'usinage et prolongeant la durée de vie de l'outil.
Broche ：La broche comprend une section conique où sont positionnés les porte-outils. Il contient également un ensemble rotatif et un arbre pour fixer l'outil de coupe. La broche maintient l'outil de coupe en place et dirige son mouvement pendant le fonctionnement.
Porte-outil :Le porte-outil est fixé à la broche à l'aide d'un système hydraulique et est conçu pour se fixer sur l'outil.
Interface : L'interface d'une fraiseuse CNC se compose généralement d'un écran et de périphériques d'entrée (tels qu'un clavier ou un écran tactile) connectés à la machine. Cette interface est utilisée pour contrôler directement la machine, et certaines programmations CNC de base peuvent également être effectuées via elle, bien qu'une programmation plus complexe soit généralement effectuée hors ligne.
Modules complémentaires pour fraiseuses CNC
En plus des composants de base d'une fraiseuse CNC, les fraiseuses CNC avancées incluent souvent une variété d'équipements complémentaires qui peuvent améliorer considérablement l'efficacité. Certains modules complémentaires courants incluent :
Changeurs d'outils automatiques (ATC) : Les changeurs d'outils automatiques sont des dispositifs qui basculent automatiquement entre différents outils de coupe pendant le processus d'usinage. Au lieu d'arrêter manuellement la machine pour changer d'outil, l'ATC sélectionne l'outil approprié dans une bibliothèque d'outils et l'installe dans la broche selon les besoins. Cela accélère le processus d'usinage, réduit les temps d'arrêt et permet d'effectuer efficacement des opérations plus complexes sans intervention manuelle.
Systèmes de gestion des copeaux : Des systèmes de gestion des copeaux, notamment des convoyeurs et des souffleurs d'air, sont souvent ajoutés pour éliminer efficacement les copeaux et les débris de la zone de coupe. Cela permet de garder la zone de travail propre et permet à la machine CNC de fonctionner en continu sans arrêts fréquents pour le nettoyage manuel, ce qui entraîne une disponibilité d'usinage plus élevée.
Bras robotiques : les bras robotiques imitent les mouvements et les fonctionnalités d'un bras humain et sont utilisés pour automatiser diverses tâches, telles que le chargement de matières premières, le retrait de pièces finies, le repositionnement de pièces et même le changement d'accessoires ou d'outils. En intégrant des bras robotisés dans les opérations CNC, les fabricants peuvent automatiser les tâches répétitives, augmenter l'efficacité de la production, permettre une fabrication sans éclairage et réduire le besoin d'intervention manuelle.
