La fabrication soustractive est l'une des techniques de fabrication de précision les plus courantes et les plus utilisées. Concrètement, contrairement à l'impression 3D, elle consiste à partir d'un bloc ou d'une structure de matériau solide, que l'on enlève progressivement à l'aide d'une machine jusqu'à obtenir la forme désirée. Le processus est similaire à celui des sculpteurs, à la différence que la fabrication soustractive remplace la sculpture par une machine ou un bras robotisé.
Tournage CNC et fraisage CNC Les machines à commande numérique (CNC) sont les formes de fabrication les plus courantes en usinage soustractif. Bien que ces termes soient souvent utilisés indifféremment, elles sont en réalité différentes et présentent chacune leurs propres avantages, inconvénients et applications. Nous espérons vous fournir ci-dessous les informations de base sur l'utilisation des machines CNC afin de vous accompagner dans votre prochain projet.
Qu'est-ce que le tournage CNC?
Le tournage CNC consiste à maintenir une barre de matériau dans un mandrin et à la faire tourner à une vitesse donnée, tandis qu'un outil de tournage se déplace le long de la pièce pour lui donner la forme souhaitée. Ce procédé présente différentes caractéristiques, notamment le mouvement de rotation de la pièce pendant l'usinage. Dans ce procédé spécifique, l'outil de coupe reste fixe tout en tournant et en se déplaçant le long des autres axes.
Le tournage CNC s'effectue sur une machine appelée tour ou centre de tournage. Le matériau tournant autour d'une broche, le tournage CNC est conçu pour la fabrication de pièces cylindriques ou tubulaires. Qu'il s'agisse de produire un arbre simple, un pied décoratif pour une table ou un connecteur complexe pour l'aérospatiale, le tournage est généralement la méthode d'usinage privilégiée.
Le processus de tournage CNC
Pour commencer le tournage, on utilise une barre ronde. Cette barre est fixée à la broche du tour. La broche est l'élément principal, car elle assure le mouvement de rotation nécessaire.
Tout d'abord, la broche est mise en marche et la pièce est entraînée à tourner à plusieurs milliers de tours par minute (tr/min). Un outil monté sur une tourelle est amené au contact de la pièce. Pendant l'usinage, l'outil se déplace linéairement parallèlement au cylindre et évacue les copeaux de la pièce.
L'outil étant en contact permanent avec la pièce à usiner, le processus est très rapide et permet d'obtenir des coupes très nettes. C'est d'ailleurs pourquoi le tournage CNC est généralement reconnu pour son efficacité et la qualité de ses états de surface.
Types d'opérations de tournage CNC
Le terme « tournage » peut être utilisé pour décrire toutes les opérations d'un tour CNC, mais selon l'outil et le schéma de mouvement de la machine, plusieurs opérations peuvent être réalisées.
- Dressage : Cette opération permet à l’outil de dégager l’extrémité de la pièce afin de créer une surface perpendiculaire à l’axe de rotation. Cette surface est généralement nécessaire pour réaliser ultérieurement des opérations sur une pièce aux dimensions connues.
- Tournage extérieur : L'outil se déplace sur toute la longueur de la pièce pour réduire son diamètre et obtenir la forme cylindrique principale.
- Alésage : pour obtenir des mesures de diamètre intérieur spécifiques, un outil se déplace axialement à travers la pièce pour agrandir un trou préalablement percé.
- Filetage : Cette fonction consiste à déplacer et à couper l’extérieur ou l’intérieur de la pièce à usiner à des vitesses d’avance spécifiques calculées en fonction de la vitesse de rotation de la broche qui coupe les filets de vis dans la pièce.
- Rainurage : Cette opération consiste à retirer une partie d’un côté de la pièce à usiner à l’aide d’une machine-outil, par découpe radiale, ce qui crée un canal ou une rainure.
- Moletage : Outil spécial qui n’enlève pas de matière mais qui imprime un motif de surface (généralement des losanges ou des lignes droites) sur la pièce à usiner afin d’améliorer l’adhérence à sa surface.
Matériaux compatibles avec le tournage CNC
Le tournage CNC permet d'usiner une grande variété de matériaux. Il utilise une pièce en rotation équipée d'un outil de coupe rigide. Les plastiques souples comme les superalliages trempés peuvent être usinés grâce au tournage CNC.
Les métaux qui peuvent être utilisés comprennent : l'aluminium (6061, 7075), le laiton, l'acier à faible teneur en carbone, l'acier inoxydable (303, 304, 316), le titane et le magnésium.
Les plastiques utilisables comprennent : l'ABS, le nylon, le polycarbonate, le PEEK, le PTFE (Téflon) et l'acrylique.
Le matériau choisi détermine généralement la vitesse de coupe et le type d'outil utilisé. Avec de l'aluminium tendre, le tournage est plus rapide et l'outil s'use moins. C'est différent du tournage d'acier inoxydable traité thermiquement.
Avantages et inconvénients du changement
Avantages:
- La vitesse:Pour les pièces cylindriques, le tournage est nettement plus rapide que le fraisage car l'action de coupe continue enlève rapidement de la matière.
- Finition de surface:La rotation continue permet d'obtenir des finitions exceptionnellement lisses et de haute qualité, sans les marques d'outils visibles souvent laissées par le fraisage.
- Rentable:Pour les pièces rondes, les tours sont généralement moins chers à utiliser et à installer que les fraiseuses complexes.
- Exactitude:Idéal pour obtenir des tolérances serrées sur les diamètres et la concentricité.
Inconvénients:
- Limites géométriques :Vous êtes en grande partie limité aux pièces à symétrie de révolution. Il vous est difficile de faire pivoter un parallélépipède rectangle ou une forme organique complexe dépourvue d'axe central.
- Usure de l'outillage :Le contact constant peut entraîner une accumulation de chaleur, nécessitant des stratégies de refroidissement robustes et une usure potentiellement plus rapide des outils sur les matériaux plus durs.
Qu'est-ce que le fraisage CNC ?
En fraisage CNC, on effectue une opération inverse à celle du tournage. Au lieu de tourner, la pièce est immobile et un outil de coupe se déplace d'avant en arrière pour enlever de la matière.
Dans le secteur manufacturier, les fraiseuses sont des machines indispensables. Elles peuvent usiner n'importe quelle surface plane et réaliser des poches, des trous et des contours en zigzag complexes et tridimensionnels. Lors de l'usinage de pièces en cylindres, la fraiseuse permet de créer des cubes et toute forme non ronde. Elle peut ainsi fabriquer des supports, des boîtiers et des pièces de formes non conventionnelles.
Le nombre d'axes sur lesquels peuvent se déplacer les fraiseuses est également un élément important de leur catégorisation.
- Fraisage 3 axes : Sur trois des axes, l’outil peut se déplacer selon les directions X (gauche/droite), Y (avant/arrière) et Z (haut/bas). Ce type de fraisage est standard pour les pièces relativement simples.
- Fraisage 5 axes : Outre les 3 axes déjà décrits, et les 2 autres axes X et Y, la machine dispose d’un axe de rotation ou d’un mécanisme d’inclinaison, soit sur l’outil de coupe, soit sur la table. Cette configuration permet à la fraise d’approcher la pièce depuis quasiment n’importe quelle direction, ce qui rend possible la fabrication de géométries complexes telles que les aubes de turbines et les implants médicaux sophistiqués.
Le processus de fraisage CNC
En fraisage CNC, le processus commence par l'usinage d'une ébauche, fixée sur la table de la machine à l'aide d'un étau, comme illustré ci-dessus à droite. Sur une fraiseuse 3 axes classique, la pièce est maintenue rigidement, à l'instar d'un tour.
Ensuite, une fraise cylindrique, qui ressemble en tous points à un foret mais peut effectuer des coupes latérales, est mise en rotation à grande vitesse sur la broche de la machine. L'ordinateur à commande numérique (CNC) dirige alors la broche vers un ensemble de coordonnées. Pendant sa rotation, l'outil exerce une pression sur le matériau, ce qui permet d'enlever une certaine quantité de matière.
Le procédé diffère également par son caractère intermittent. L'outil est doté de plusieurs arêtes de coupe, et chaque arête peut usiner, mais elle doit sortir de la pièce pour permettre à la broche de se centrer. Sur un tour, l'usinage se fait en une seule passe continue, ce qui est impossible avec cet outil.
Types d'opérations de fraisage CNC
Comme pour le tournage, le fraisage désigne également un certain nombre d'opérations spécifiques qui peuvent être réalisées pour conférer des caractéristiques spécifiques à une pièce.
- Fraisage en bout : On utilise des fraises de grand diamètre qui tournent autour d’un axe perpendiculaire aux surfaces de la pièce. Leur principal objectif est d’aplanir la face supérieure de la pièce pour obtenir une finition lisse.
- Fraisage de plaques : Ce type de fraisage utilise une fraise parallèle à la pièce. Il permet d’enlever rapidement de grands volumes de matière.
- Fraisage angulaire : L’outil réalise des chanfreins, des rainures ou des queues d’aronde selon un certain angle par rapport à la pièce à usiner.
- Fraisage de formes : Utilise une fraise spéciale qui est le positif de la forme souhaitée (par exemple un rayon de courbure positif) pour découper différentes formes en une seule passe.
- Fraisage en chevauchement : deux fraises ou plus sont montées sur le même arbre, pour usiner simultanément deux surfaces parallèles.
- Fraisage en série : Ce procédé est similaire au fraisage à cheval, mais avec plusieurs fraises qui effectuent plusieurs opérations différentes simultanément.
Matériaux compatibles avec le fraisage CNC
Les matériaux utilisables sur les fraiseuses et les tours sont sensiblement les mêmes. Comme les pièces sont fixes, le fraisage d'objets volumineux, encombrants ou lourds est plus sûr et plus facile ; il serait trop dangereux de les faire tourner sur un tour.
- Métaux : Acier et ses alliages, acier à outils, aluminium, laiton, cuivre, titane et Inconel.
- Plastiques : Delrin, nylon, PEHD, UHMW et PVC.
- Matériaux composites : Fibre de carbone et fibre de verre, bien que ces matériaux soient abrasifs et nécessitent probablement des outils spéciaux.
Avantages et inconvénients de la mouture
Avantages:
Polyvalence : La capacité de créer n'importe quelle forme.
Capacité multifonctionnelle : Un seul appareil permet d'effectuer une grande variété de tâches différentes : perçage, alésage et taraudage.
Évolutivité : Permet de créer des tonnes de copies et de passer facilement à la création de quelque chose de nouveau.
Inconvénients:
Coût : Leur coût d’utilisation et d’achat est élevé, surtout pour les machines à 5 axes. Leur programmation est également plus onéreuse que celle des tours.
Déchets : Les usines produisent souvent de grandes quantités de déchets de matériaux coûteux sous forme de rebuts.
Marques d'outils : Les coupes peuvent être très visibles et des traitements supplémentaires peuvent être nécessaires pour lisser la surface.
Principales différences : Tournage CNC vs Fraisage CNC
Le tournage et le fraisage sont deux formes d'usinage soustractif à commande numérique, mais il existe des différences entre eux. Connaître ces différences peut contribuer à améliorer l'efficacité de votre chaîne de production.
1.Mouvement
La principale différence réside dans l'élément mobile de la fraiseuse.
-Le tournage signifie que la pièce tourne et que la machine-outil reste immobile.
-Le fraisage signifie que la pièce reste immobile et que la machine fait tourner l'outil.
Cette différence à elle seule suffit à modifier la production de l'atelier.
2.Outillage
Le tournage utilise des outils de coupe à un seul point. Il faut savoir que seule la pointe affûtée de l'outil entre en contact avec la matière. C'est ainsi que l'on obtient des coupes lisses et continues.
Le fraisage utilise des outils de coupe à plusieurs points de coupe. Les fraises en bout et les fraises à surfacer en sont des exemples ; elles possèdent toutes deux des arêtes de coupe le long de la goujure. C’est ainsi que l’on peut enlever de grandes quantités de matière non cylindrique.
3. Formes des pièces
Le tournage est réservé aux pièces présentant une symétrie de rotation, c'est-à-dire les cylindres, les tubes et les sphères. Si les deux pièces ont des sections transversales identiques quel que soit leur emplacement le long de l'axe de rotation, alors elles sont prêtes pour le tournage.
Le fraisage, c'est tout le contraire. Il s'agit de pièces 3D, de plaques et autres formes asymétriques complexes. Si une pièce présente de nombreuses caractéristiques 2D, comme des faces planes et des découpes variées, le fraisage est probablement la solution idéale.
4. Formation des copeaux
Le tournage produit des copeaux continus, longs et filiformes. Ceci est dû à l'engagement constant de l'outil. Souvent, ces copeaux s'enroulent autour de l'outil, un phénomène appelé « nid d'oiseau ».
-Fraisage : Produit des copeaux courts et fragmentés grâce à l’action de coupe intermittente. Ceux-ci sont plus faciles à évacuer de la zone de coupe.
Choisir le bon processus pour votre projet
Choisir entre le fraisage et le tournage CNC n'est pas toujours une décision binaire simple. La plupart des machines modernes sont des centres d'usinage « fraisage-tournage » qui intègrent les deux fonctionnalités. Elles permettent la rotation de la pièce pour les opérations de tournage, tout en utilisant des porte-outils motorisés pour fraiser des surfaces planes ou percer des trous latéralement.
Toutefois, si vous devez prendre une décision concernant un processus primaire, vous devez tenir compte des facteurs suivants :
Forme de la pièce
Analysez la forme de la pièce. Est-elle circulaire ou arrondie ? Ressemble-t-elle à une vis, un boulon ou un piston ? Si oui, commencez par le tournage. Si la pièce est carrée, rectangulaire ou de forme asymétrique, comme des supports, des collecteurs ou des couvercles sur mesure, commencez par le fraisage.
Volume de production
À volume de production plus ou moins équivalent, le tournage est plus rapide et moins coûteux pour les grandes séries de production incluant des pièces cylindriques. Le tour suisse est un type de centre de tournage capable de réaliser des milliers de pièces de précision par heure et est très spécialisé. Le fraisage, bien que plus lent pour les grandes séries, est indispensable pour les géométries complexes.
Ressources financières
Les fraiseuses 3, 4 ou 5 axes sont plus coûteuses à mettre en place et à programmer que les centres de tournage. En concevant votre pièce de manière à ce qu'elle soit tournée plutôt que fraisée, vous réaliserez probablement des économies sur les coûts de production.
Conclusion
La maîtrise des techniques de fabrication CNC vous permet de concevoir avec une efficacité accrue. Vous pouvez ainsi adapter vos pièces au processus d'usinage spécifique utilisé, éliminant les productions inutiles, optimisant la cadence de production et réduisant les coûts. La connaissance des différences entre la précision de rotation d'un tour et la capacité de contournage d'une fraiseuse vous permet de sélectionner l'outil d'usinage le plus adapté à votre application.
Si vous hésitez encore sur le procédé idéal pour votre prototypage, n'attendez plus ! Contactez notre équipe d'experts pour obtenir des conseils sur la conception en vue de la fabrication ou demandez un devis en nous envoyant vos fichiers CAO.
Foire aux questions
Q: Existe-t-il un tournage par interpolation de fraisage ?
A : Oui, il existe une méthode appelée tournage par interpolation, où une fraiseuse peut imiter un tour, mais à un rythme nettement plus lent et avec moins de précision.
Q: Le tournage CNC coûte-t-il moins cher ?
A : Généralement, non. Pour la plupart des pièces cylindriques adaptées à un budget donné, le tournage est plus efficace et moins coûteux. Le fraisage est réservé aux pièces qui ne peuvent pas être tournées.
Q: Qu'est-ce qu'une machine de tournage-fraisage ?
A : Un centre d'usinage hybride capable d'effectuer des opérations de tournage et de fraisage en une seule configuration. La pièce à usiner tourne pour le tournage, et la machine dispose également d'outils rotatifs pour le perçage ou le fraisage sans avoir à transférer la pièce sur une autre machine.
Q: Quel procédé offre le meilleur résultat ?
A: Le tournage offre une meilleure finition sur les pièces cylindriques car la coupe est continue. Le fraisage, quant à lui, laisse des marques d'outil là où la fraise est en rotation constante.
