Composants usinés CNC : types, matériaux et guide de conception

Composants en acier usinés CNC

Les composants usinés par commande numérique (CNC) sont des pièces produites en enlevant de la matière d'une pièce solide à l'aide de machines-outils à commande numérique. La machine suit des trajectoires d'outil programmées pour découper la matière brute selon la forme et les dimensions requises.

Une pièce typique peut être usinée à partir d'un bloc d'aluminium, d'une barre d'acier, d'une ébauche de laiton ou d'une pièce en plastique technique. Une fraise permet ensuite d'enlever de la matière pour former des cavités, des rainures, des épaulements et des surfaces planes. Les forets créent des trous, tandis que les tarauds réalisent des filetages internes.

La géométrie de la pièce détermine le type d'usinage. De nombreuses pièces prismatiques peuvent être fabriquées sur une fraiseuse 3 axes, tandis qu'une machine 4 axes permet de faire pivoter la pièce pour accéder à d'autres faces. La machine-outil 5 axes permet de minimiser les changements de dispositif de bridage pour les surfaces complexes et angulaires.

Outre les pièces de production, les pièces usinées par commande numérique peuvent également être des assemblages sur mesure comportant des caractéristiques complexes. Une seule face d'un corps de vanne peut être soumise à fabrication à la demande, comme le fraisage, le perçage, l'alésage et le taraudage, tandis qu'un arbre ne peut être que tourné et fileté.

Un composant typique peut être fabriqué à partir d'un bloc d'aluminium, d'une barre d'acier, d'une ébauche de laiton ou d'une pièce en plastique technique. Selon sa géométrie, la pièce peut nécessiter des opérations d'usinage telles que le fraisage, le tournage, le perçage, l'alésage, le taraudage ou d'autres procédés.

Que sont les composants usinés CNC ?

Composants usinés CNC

Les pièces usinées par commande numérique (CNC) sont produites par enlèvement de matière à partir d'un matériau solide, grâce à des machines-outils à commande numérique. La machine CNC est programmée avec la forme et la taille souhaitées, puis déplace le matériau pour effectuer l'usinage.

Le matériau utilisé peut être une barre, une plaque, un bloc de métal ou une ébauche de plastique. Les opérations CNC consistent à enlever de la matière par tournage, fraisage, perçage, alésage et filetage.

Un arbre en acier peut être une barre ronde, par exemple. La machine peut être tournée à ses extrémités et usinée à différents diamètres, réaliser une rainure, percer un trou et fileter. Le surfaçage, le fraisage de poches, le perçage et le taraudage peuvent être nécessaires pour un carter en aluminium.

Comment sont fabriqués les composants usinés par commande numérique ?

Conception de pièces

Le processus débute par un modèle CAO et un dessin technique. Le concepteur spécifie la géométrie, les dimensions, le matériau, la finition de surface, etc., du composant.

La conception doit également tenir compte du mode de maintien et d'usinage de la pièce. La profondeur des poches, l'étroitesse des rainures, les caractéristiques internes et les surfaces difficiles d'accès peuvent influencer le choix et le réglage des outils.

Un outil de coupe long, par exemple, peut être nécessaire pour réaliser une poche profonde. Le concepteur peut prévoir un accès adapté ou réduire la profondeur de l'élément si atteindre la profondeur maximale n'est pas indispensable.

Planification du parcours d'outil

Une fois la conception terminée, un programmeur CNC écrit la séquence d'usinage dans un logiciel de FAO. Il sélectionne les outils appropriés et détermine la profondeur de coupe pour chaque élément.

En général, la trajectoire d'outil commence par des opérations d'enlèvement de matière importantes. Les opérations de finition donnent la forme finale à l'outil.

Si le boîtier doit être usiné, le programmeur devra peut-être commencer par la pièce brute, puis ébaucher le profil extérieur et les cavités. Les opérations suivantes, conformément au dessin, peuvent être effectuées après le perçage, le taraudage et la finition.

Configuration de la machine

L'opérateur configure la machine à commande numérique selon le processus prévu. Les outils de coupe sont insérés dans la machine et la pièce est maintenue dans un étau ou un mandrin, montée dans un dispositif de fixation ou dans tout autre dispositif de maintien approprié.

Les coordonnées de travail et les décalages d'outils sont ensuite déterminés. Ces positions indiquent l'emplacement des outils et de la pièce à usiner par rapport à la machine.

L'opérateur surveille également le mouvement de l'outil lors des premières passes, avant la première passe de coupe. Cela permet de détecter les décalages, les positions d'outil et les problèmes de réglage incorrects avant qu'ils n'affectent la pièce.

Usinage et contrôle

La machine CNC exécute ensuite les procédures souhaitées. L'opérateur observe le processus de découpe et vérifie la pièce en cours de production.

L'inspection peut être effectuée après les opérations clés, plutôt qu'à la fin de la fabrication du composant. Par exemple, après un alésage, un alésage critique peut être mesuré, puis l'opération suivante peut être réalisée.

Les pièces usinées sont contrôlées afin de vérifier leur conformité au plan technique, à l'aide d'outils de mesure appropriés. Ces outils peuvent inclure des pieds à coulisse, des micromètres, des comparateurs d'alésage, des comparateurs de hauteur et des machines à mesurer tridimensionnelles.

Meilleures pratiques de conception pour les composants usinés CNC

La production d'une pièce usinée par commande numérique est facilitée lorsque le dessin correspond aux capacités de la machine et de l'outillage. De petits choix de conception peuvent engendrer un réglage supplémentaire, nécessiter une fraise plus petite ou engendrer des contrôles supplémentaires.

N'imposez des tolérances strictes que sur les fonctions opérationnelles.

Commencez par les dimensions qui influent sur le fonctionnement du composant. Il peut s'agir d'alésages, de trous à positionner, d'ajustements d'arbre et de surfaces de contact. Les autres dimensions peuvent généralement être représentées avec la tolérance générale indiquée sur le dessin.

Par exemple, si une pièce de quincaillerie n'est pas utilisée dans une dimension extérieure, une tolérance serrée n'est pas avantageuse pour le composant. Elle peut néanmoins servir au contrôle qualité et nécessiter une finition supplémentaire.

Vérifiez la taille du composant par rapport à la machine

Une pièce de grande taille nécessite un espace suffisant pour le montage, la fraise, la broche et le mouvement de l'outil. Un autre problème de hauteur peut survenir lorsqu'on accède à une caractéristique profonde avec un outil long.

Veillez à ce que le motif ne soit pas trop grand et que la partie la plus profonde à usiner ne le soit pas non plus. Une fraise plus courte et plus facile à entretenir pourrait convenir, moyennant une légère modification de la profondeur de la poche.

Choisissez un matériau adapté à la tâche

Ne choisissez jamais un matériau uniquement pour sa résistance. Tenez compte des contraintes auxquelles il sera réellement soumis. Prenez en considération la dureté, la rigidité, l'exposition chimique, la température de fonctionnement, les variations thermiques et l'état de surface.

L'ajout d'une résistance excessive au matériau augmentera le temps d'usinage et l'usure des outils. Si les dimensions de la pièce sont proches, une instabilité thermique du matériau peut également engendrer des problèmes.

Donnez au cutter un accès suffisant

L'outil de coupe doit être en contact direct avec la pièce. Des outils à courte ou longue portée peuvent être nécessaires dans les cavités profondes et étroites, les zones présentant de très petits rayons de courbure internes et les espaces confinés.

Utilisez des ouvertures plus larges et des rayons de courbure plus importants pour les angles rentrants, dans la mesure du possible. Une fraise de grand diamètre est généralement plus facile à utiliser qu'une petite fraise forcée dans un trou.

Réduire les configurations supplémentaires

Inspectez la pièce usinée par le machiniste. Moins de repositionnements et de travaux d'alignement sont nécessaires lorsque la configuration de la machine permet de réaliser plusieurs opérations similaires.

Évitez de placer les éléments essentiels de part et d'autre. Prévoyez une surface dégagée ou un repère pour la seconde configuration si le composant doit être retourné.

Laisser suffisamment de matière pour l'usinage

Il faut prévoir une surépaisseur suffisante dans l'ébauche pour permettre un bon usinage des surfaces. Cette surépaisseur varie selon l'état de la matière première, la taille des pièces, le matériau utilisé et le type d'usinage.

Il ne faut pas utiliser une tolérance standard pour toutes les pièces usinées sur une machine CNC. Si la surépaisseur est insuffisante, la surface sera imparfaite ; si elle est excessive, il faudra enlever davantage de matière.

Pour les composants usinés CNC, les modifications faciles et économiques comprennent généralement les tolérances fonctionnelles, les fonctionnalités disponibles, le choix approprié des matériaux, la réduction du nombre de réglages et des dimensions de stock raisonnables.

Règles de conception pratiques pour les composants usinés CNC

Ces règles concernent les caractéristiques qui affectent directement la manière dont une fraise entre, se déplace et sort de la pièce.

Rayon d'angle interne

Rayon d'angle intérieur

Il est impossible d'obtenir un angle intérieur droit avec une fraise classique. Son arête de coupe présente toujours un rayon arrondi.

Utilisez le rayon maximal compatible avec l'élément d'assemblage. Si un angle plus petit est nécessaire, l'usinage peut nécessiter une fraise plus petite et des opérations supplémentaires sur la trajectoire d'outil.

Murs minces et hauts

Structure géométrique d'un composant à parois épaisses

Une paroi haute et mince peut se déplacer sous la pression de coupe. Cela peut entraîner une déformation de la paroi, des vibrations ou une modification de ses dimensions après la coupe.

Augmentez l'épaisseur des parois et/ou diminuez la hauteur des parois non supportées lorsque cela est possible. Une autre solution consiste à utiliser une nervure de renfort pour accroître la rigidité sans augmenter l'épaisseur de l'ensemble.

Cavités profondes

fraisage de cavités profondes

Dans les poches profondes, il faut utiliser des outils de coupe plus longs. Plus un outil est long, plus il est difficile de contrôler sa déviation.

Pour la plupart des pièces usinées CNC, maintenez la profondeur de la cavité à environ quatre fois la largeur de la cavitéLes cavités plus profondes nécessitent des outils plus longs, susceptibles de se plier et de vibrer davantage lors de la coupe. De plus, l'évacuation des copeaux est plus difficile dans les cavités profondes. Élargir la cavité permet à l'outil d'accéder plus facilement et facilite l'évacuation des copeaux.

Texte automatisé

Texte gravé sur la partie

Ajoute des opérations de découpe qui ne contribuent pas à la forme principale de la pièce. Simplifie le lettrage si nécessaire pour l'identification.

Le lettrage en relief ou en gaufrage nécessite un usinage plus complexe car l'outil doit enlever de la matière autour des lettres. La gravure, quant à elle, est généralement plus simple et plus rapide car l'outil ne fait que graver les lettres dans la surface.

Lors de la conception d'une pièce pour l'usinage CNC, il est essentiel de tenir compte des contraintes. Certaines formes ne peuvent être réalisées efficacement avec l'outillage CNC standard. Ces limites doivent être évaluées avant la production de la pièce.

Géométrie de la fraise

La surface obtenue dépend de la forme de l'outil de coupe. Une fraise à bout plat convient aux poches à fond plat, tandis qu'une fraise hémisphérique est utilisée pour les poches courbes.

Les angles intérieurs de l'objet sont également arrondis, avec le même rayon. La conception adaptée aux dimensions standard des outils de coupe offre à l'usinier un plus large choix de modèles.

Accès au cutter

L'outil doit pouvoir accéder librement à la surface. Les zones confinées, les reliefs latéraux profonds ou les contre-dépouilles peuvent bloquer cet accès.

Si la fonctionnalité n'est accessible par aucune voie existante, elle peut nécessiter un outil, une technique d'assemblage ou un processus de fabrication différent.

Déviation de l'outil

Plus le diamètre est petit et la longueur importante, plus la fraise se pliera facilement lors de la coupe. Cela peut affecter le produit fini et augmenter le risque de casse de l'outil. Si possible, utilisez une fraise plus grande avec la portée la plus courte possible.

Déflexion de la pièce

La pièce peut également vibrer pendant la découpe. C'est typique des parois minces, des nervures étroites et des zones où il reste peu de matière derrière la zone de découpe.

Prévoir un support adéquat pour les forces de coupe dans ces sections. Le bridage doit permettre d'accéder aux éléments à usiner sans blocage.

Quels sont les types courants de composants usinés par commande numérique (CNC) ?

Les composants usinés par commande numérique sont généralement classés selon le type d'opération nécessaire à leur fabrication. La pièce peut être principalement fraisée, tournée, percée ou usinée par électroérosion. Certains composants requièrent plusieurs opérations avant d'être finalisés.

Composants de fraisage CNC

Les pièces présentant des faces planes, des cavités, des fentes, des trous, des épaulements et des profils non circulaires sont généralement des composants fraisés. La pièce reste stable pendant que l'outil de coupe parcourt ses différentes zones.

Généralement, des plaques de montage, des supports, des boîtiers, des fixations, des couvercles et des socles de machines.

Par exemple, la réalisation d'une plaque de montage comportant un logement, plusieurs trous taraudés et un perçage pour boulons s'effectue généralement par fraisage et perçage. Si des éléments doivent également être positionnés sur d'autres faces, le plan d'usinage peut spécifier des emplacements supplémentaires pour les pièces.

Composants de tournage CNC

Composants tournés CNC

Les pièces tournées sont principalement rondes et sont fabriquées par rotation du matériau contre l'outil. Les pièces typiques comprennent les arbres, les axes, les bagues, les manchons, les entretoises, les colliers, fabrication de trophées de précisionet des raccords filetés.

Le tournage est un procédé idéal pour les pièces présentant de multiples caractéristiques le long d'un même axe central. Par exemple, un arbre peut avoir des diamètres extérieurs variables, être rainuré ou fileté, et comporter un alésage central. Ces caractéristiques peuvent être réalisées en une seule opération de tournage.

Pièces percées et alésées

Pièce percée CNC

La différence entre percer et aléser un trou réside dans le fait que l'alésage sert à usiner un trou existant pour obtenir un diamètre et une géométrie plus précis, tandis que le perçage sert à créer un trou.

Lorsque le trou fait partie intégrante de l'élément d'accouplement, la distinction est importante. Parfois, un trou de dégagement ne nécessite qu'un perçage ; d'autres fois, il peut être nécessaire d'agrandir l'alésage de précision ou d'ajouter un logement de palier.

Les applications courantes comprennent les carters de machines, les pièces de moteurs, les corps de vannes, les pièces hydrauliques et les paliers.

Composants usinés par électroérosion

Composants usinés par électroérosion

Lorsque la forme à réaliser est difficile à obtenir avec un outil de coupe conventionnel, on utilise l'électroérosion. Ce procédé utilise des décharges électriques pour enlever de la matière conductrice.

Elle convient aux petites pièces internes, aux rainures étroites, aux cavités complexes et aux composants d'outils trempés. Par exemple, l'usinage de pièces internes étroites peut s'avérer difficile si une fraise adaptée ne peut y accéder. Dans ce cas, une modification de la conception peut être nécessaire pour améliorer l'accès à l'outil. L'électroérosion permet d'y remédier sans contraindre un petit outil de coupe à une situation d'usinage inadaptée.

Composants découpés au laser

La découpe laser est principalement utilisée pour les composants en tôle et en plaque planes qui doivent seulement être découpés en profil, en trou ou en fente.

Les composants courants sont les panneaux, les supports, les couvercles, les plaques et les boîtiers.

La pièce découpée au laser peut également être transformée en d'autres produits usinés par commande numérique. Une plaque, par exemple, peut être découpée au laser selon sa forme extérieure, puis usinée pour créer des cavités, des trous taraudés ou des faces aux finitions précises.

Composants de précision personnalisés

Les composants sur mesure sont fabriqués à partir d'un dessin, et non d'un modèle de catalogue. La forme et les propriétés requises déterminent les procédés d'usinage nécessaires.

Une même pièce peut être utilisée pour des opérations de tournage, de fraisage, de perçage, de taraudage, d'alésage, d'électroérosion et de finition. Par exemple, un boîtier rond peut être usiné pour obtenir le diamètre principal et l'alésage avant d'être fraisé pour créer les surfaces de montage et percé pour le perçage.

L'aspect essentiel de ce type de travail consiste à adapter chaque caractéristique au processus approprié. Il n'est pas toujours possible d'utiliser des processus distincts pour chaque caractéristique, notamment lorsque la pièce présente des formes arrondies, plates, internes et détaillées.

Quels matériaux sont couramment utilisés pour les composants usinés par commande numérique ?

Le choix du matériau dépend des contraintes auxquelles le composant est soumis. La résistance, le poids, la résistance à la corrosion, la résistance à l'usure, la température, les propriétés électriques et les exigences d'usinage sont autant d'éléments qui influencent ce choix.

Quels sont les principaux avantages des composants usinés par commande numérique (CNC) ?

L'usinage CNC offre des avantages pratiques pour la production de composants précis, homogènes et adaptés à l'application.

• Haute précision
• Haute répétabilité
• Production plus rapide
• Flexibilité de conception
• Large sélection de matériaux
• exigences d'outillage faibles
• Prototypage facile
• Adapté à différents volumes de production

Comment choisir un fournisseur fiable de composants usinés CNC ?

Un fournisseur de machines CNC de qualité doit être capable de démontrer ses méthodes de travail, de la conception à la livraison, en passant par le contrôle qualité et les matériaux. Ne vous fiez pas uniquement au prix ou aux délais ; observez le processus concret du fournisseur.

Expérience d'usinage

Vérifiez que le fournisseur possède l'expérience nécessaire pour produire des pièces présentant les mêmes matériaux, géométries et tolérances. Par exemple, le processus d'usinage de l'aluminium 6061 est très différent de celui utilisé pour fabriquer une petite pièce comportant des cavités profondes et des tolérances de positionnement serrées, comme le Ti-6Al-4V.

Un fournisseur efficace doit maîtriser le choix des outils, le bridage, la séquence d'usinage et les conditions de coupe. Il est important de discuter avec lui de la réalisation des caractéristiques complexes avant la mise en production, plutôt que lorsque la caractéristique apparaît sur la machine.

Contrôles de qualité

Le contrôle qualité doit être équivalent à celui requis sur votre dessin. Le diamètre critique peut être mesuré avec des micromètres, la position des éléments avec des comparateurs de hauteur, le diamètre du trou taraudé avec des calibres de filetage, et les dimensions complexes ainsi que les tolérances de position par un contrôle CMM.

S'il s'agit d'une pièce de précision, renseignez-vous sur les contrôles effectués avant l'expédition. Les vérifications habituelles comprennent :

• Dimensions critiques
• Le diamètre et l'emplacement des trous.
• La taille et la profondeur du filetage.
• Planéité et perpendicularité
• Rugosité de surface
• Dimensions de la pièce par rapport au dessin
• Certification des matériaux
• Traitement de surface
• Défauts mécaniques – marques visuelles et d'usinage

Si la commande de production est importante, les rapports d'inspection ou les rapports CMM peuvent être utilisés pour enregistrer les dimensions des caractéristiques critiques.

Capacité matérielle

Assurez-vous que le fournisseur utilise régulièrement le matériau désigné et qu'il peut en assurer la traçabilité si nécessaire. L'influence des différents matériaux sur l'usure des outils, la vitesse de coupe, le liquide de refroidissement, la formation de bavures et l'état de surface est également à prendre en compte.

Par exemple, l'acier inoxydable s'usine différemment de l'aluminium, et le titane dégage beaucoup plus de chaleur lors de la découpe. La planification du processus doit tenir compte de ces différences.

Capacité de production

Assurez-vous que le fournisseur puisse répondre à vos besoins en termes de volume de production et de délais de livraison. Un fournisseur peut être compétent pour les prototypes, mais moins performant pour des productions de 5 000 pièces.

Renseignez-vous sur la disponibilité de la machine, son installation, le contrôle qualité et le délai de production. Le temps d'usinage ne se limite pas au délai de livraison ; il faut également prendre en compte les opérations secondaires, le contrôle qualité et la finition.

Soutien à l'ingénierie

Idéalement, le dessin devrait être examiné par un fournisseur qualifié avant le début de la découpe afin de garantir l'utilisation du procédé de fabrication approprié. Ce dernier devrait être en mesure d'identifier les problèmes tels que des tolérances inutilement serrées, des cavités profondes et étroites, des angles internes difficiles d'accès, un accès insuffisant aux outils ou des caractéristiques d'usinage indésirables nécessitant de multiples réglages.

Par exemple, si la tolérance est de ±0.01 mm et qu'elle est modifiée à ±0.05 mm, le temps d'usinage et les exigences d'inspection peuvent parfois être réduits sans affecter la fonction du composant.

Liste de contrôle des fournisseurs

Lorsque vous recherchez un fournisseur de composants usinés CNC, examinez :

• Expérience similaire en matière de pièces et de matériaux
• La possibilité de disposer d'une machine CNC et d'outillage.
• Inspection des dimensions critiques
• La disponibilité de la machine à mesurer tridimensionnelle pour les pièces complexes.
• Inspection de l'état de surface
• Inspection des filetages et des trous.
• Les matériaux sont certifiés et leur traçabilité est assurée.
• Capacité d'inspection du premier article
• Capacité de production
• Un soutien en ingénierie et en conception pour la fabrication (DFM) est fourni dans les deux sens.
• Se conforme aux recommandations des rapports d'inspection, selon les besoins
• Temps de production réalistes

Conclusion

Les composants usinés par commande numérique peuvent aller d'une petite goupille ou bague à un boîtier complet comportant trous, poches, filetages et surfaces usinées. D'un projet à l'autre, ce qui varie est la combinaison du matériau, de la géométrie, des dimensions requises, de l'état de surface, du volume de production et de l'utilisation prévue de la pièce.

La conception d'une pièce usinée par CNC commence par un dessin qui définit clairement les caractéristiques à contrôler. Le choix du matériau influe sur la coupe et la pièce finie. La géométrie détermine l'accès aux outils et le nombre de réglages. Les tolérances et les exigences de finition de surface influent sur l'usinage et le contrôle de la pièce. Le volume de production influe également sur le choix de la méthode d'usinage la plus appropriée.

Il est préférable de vérifier ces points avant la production plutôt qu'après l'usinage de la pièce. Un élément difficile d'accès, une tolérance trop faible ou un matériau mal adapté à l'application peuvent engendrer des coûts supplémentaires sans pour autant améliorer la pièce.

Pour la coutume Usinage Service CNC, Boda Tech Nous proposons des services d'usinage pour différents matériaux, dimensions de pièces, géométries et exigences de production. Vous pouvez nous soumettre votre dessin CAO et les détails de votre projet afin que nous puissions discuter des besoins d'usinage de votre pièce.

FAQ

Quelles pièces peuvent être produites par usinage CNC ?

L'usinage CNC est utilisé pour une vaste gamme de pièces, allant des simples goupilles et plaques aux arbres, boîtiers, supports, bagues, raccords et composants de machines. Ce même procédé est également utilisé pour les composants présents dans les équipements automobiles, médicaux, électroniques et industriels.

Comment choisir un matériau pour une pièce usinée par CNC ?

Commencez par définir la fonction du composant. L'aluminium convient aux composants légers, et l'acier aux composants robustes. Les pièces exposées à la corrosion sont généralement en acier inoxydable ; si une résistance élevée associée à un faible poids est requise, le titane est la solution idéale. Les pièces en plastique sont disponibles dans de nombreux matériaux, tels que le POM, le nylon, le PTFE et le PEEK, selon les propriétés de friction, d'isolation, de poids ou de résistance chimique recherchées.

Quelle précision peut atteindre une pièce usinée par CNC ?

Cependant, la tolérance dépendant des conditions d'usinage, il est difficile de définir une valeur unique applicable à toutes les pièces usinées CNC. L'état, le matériau, la géométrie, le réglage et le contrôle de la machine sont autant de facteurs qui peuvent l'affecter. Une tolérance dimensionnelle extrêmement faible peut nécessiter un usinage plus précis et des contrôles machine plus poussés, ce qui allonge les délais et augmente les coûts de production.

L'usinage CNC est-il une bonne option pour les pièces prototypes ?

Une machine CNC est une solution idéale pour la production de prototypes, car la pièce peut être usinée directement à partir du fichier CAO, sans moule de production. L'échantillon usiné permet aux ingénieurs de vérifier les dimensions, l'assemblage, l'ajustement et le fonctionnement avant le lancement de la production en grande série.