Le choix d'une machine CNC commence par l'analyse de pièces représentatives, et non par une simple liste de caractéristiques. Ce guide établit un lien entre la géométrie des pièces et les exigences du processus, d'une part, et le format de la machine, la course des axes, la capacité de la table, la puissance de la broche, le couple à basse vitesse et la précision, d'autre part. Il aborde le positionnement, la répétabilité, l’interpolation circulaire, la dérive thermique, les options de commande CNC, les servomoteurs et moteurs de broche, les systèmes de refroidissement et d’évacuation des copeaux, les changeurs d’outils automatiques, la capacité du magasin, les porte-outils, les pré-régleurs et l’assistance technique. Il en résulte un cadre pratique permettant d’équilibrer les capacités, la fiabilité, la flexibilité, le coût du cycle de vie et les exigences de production tout au long de la durée de vie de la machine.
Les machines CNC se déclinent sous de nombreuses formes, et chacune d'entre elles offre des performances optimales dans un domaine d'application spécifique. La première étape lors de l'achat d'une machine consiste donc à définir les pièces et les opérations représentatives qu'elle devra traiter.
Utilisez le plan de modernisation ou de développement de la production de l'entreprise pour identifier les opérations qui passeront aux équipements CNC, puis appliquez la technologie de regroupement pour classer les pièces candidates. Étant donné que les dimensions des pièces et les charges de travail totales peuvent varier considérablement, affinez les regroupements jusqu'à obtenir un ensemble pratique de pièces types.
Chaque type de machine a ses applications spécifiques. Les centres d’usinage horizontaux conviennent aux carters, corps de pompes, corps de vannes et enveloppes, tandis que les centres d’usinage verticaux conviennent aux couvercles, plaques, enveloppes et cames plates qui sont principalement usinées d’un seul côté. L’usinage d’une pièce destinée à un centre horizontal sur un centre vertical peut nécessiter des modifications du dispositif de fixation et du point de référence, ce qui réduit l’efficacité et la précision. L'usinage d'une pièce conçue pour un centre vertical sur un centre horizontal peut nécessiter un dispositif de fixation à plaque angulaire qui réduit la rigidité du système. Une machine horizontale de taille comparable peut coûter entre 80% et 100% de plus et son fonctionnement est également plus onéreux, bien que sa gamme de processus plus étendue se traduise souvent par une répartition dans l’atelier d’environ 60% à 70% de centres horizontaux et 30% à 40% de centres verticaux.
Les principaux critères relatifs aux dimensions de la machine sont les courses des axes commandés et la puissance du moteur de broche.
Les courses des axes X, Y et Z définissent l'enveloppe d'usinage disponible. La pièce à usiner doit normalement pouvoir s'y insérer. Pour un boîtier de 450 × 450 × 450 mm, un centre d'usinage doté d'une table de 500 × 500 mm laisse suffisamment d'espace pour le dispositif de fixation. Une machine dotée d'une table de cette taille offre généralement une course de 700 à 800 mm sur l'axe X, de 550 à 700 mm sur l'axe Y et de 500 à 600 mm sur l'axe Z.
Il peut arriver qu'une pièce soit plus grande que la course d'un axe, à condition que la zone d'usinage requise reste dans les limites autorisées. L'acheteur doit néanmoins vérifier la charge admissible de la table, l'espace libre nécessaire au changement d'outil, ainsi que tout risque d'interférence entre la pièce en rotation et les protections ou les accessoires de la machine.
La puissance de la broche est un indicateur de la capacité d’usinage et, indirectement, de la rigidité d’usinage. Les centres d’usinage modernes utilisent de puissants moteurs à courant alternatif ou continu à vitesse variable, mais le couple disponible peut être limité à basse vitesse car la puissance délivrée par le moteur diminue à mesure que la vitesse baisse. Il est donc nécessaire de vérifier le couple à basse vitesse pour les grands diamètres et les enlèvements de matière importants, en particulier lors de l’alésage. La puissance de la broche peut varier considérablement entre les tours CNC à grande vitesse et à faible charge et les tours conventionnels de même taille nominale. Le choix doit tenir compte de la surépaisseur de la pièce brute, du taux d’enlèvement de matière requis, de la précision visée et de l’outillage disponible.
Si un petit nombre de pièces spéciales ne peut être usiné à l'aide des trois axes linéaires, les axes rotatifs A, B ou C, ou les axes auxiliaires U, V ou W, peuvent nécessiter la commande d'une machine spéciale.
Choisissez la classe de précision en fonction des caractéristiques critiques des pièces types. Les centres d'usinage sont généralement classés en deux catégories : les modèles standard et les modèles de précision.
Le positionnement et la répétabilité combinent les erreurs des composants mobiles sur chaque axe. La répétabilité est particulièrement importante car elle indique si un axe peut revenir de manière constante à des positions arbitraires sur toute sa course. Les contrôleurs CNC offrent souvent une compensation de l’erreur de pas et du jeu. Ces fonctions permettent de corriger les erreurs systématiques stables, mais elles ne peuvent pas corriger entièrement les pertes aléatoires causées par les zones mortes de l'entraînement, les jeux, la déformation élastique, la variation de la rigidité de contact, la charge de la table, la distance parcourue ou la vitesse de positionnement. Une répétabilité élevée dépend donc toujours d'une conception mécanique et d'un réglage rigoureux.
La précision de l'interpolation circulaire évalue conjointement la suivi du servomoteur et l'interpolation CNC. Une pièce d'essai cylindrique standard, d'un diamètre généralement compris entre 200 et 300 mm sur une machine de petite ou moyenne taille, est usinée à l'aide d'une fraise de finition, puis mesurée à l'aide d'un appareil de contrôle de circularité. La différence radiale entre les cercles d'enveloppe maximal et minimal correspond à la précision circulaire.
Une série d'erreurs de positionnement sur toute la course constitue l'enveloppe d'erreur de positionnement sur toute la course et détermine la précision de positionnement.
La précision de positionnement de la machine permet d'estimer la précision des pièces concernées. Par exemple, la précision de l'entraxe entre deux alésages réalisés par un déplacement sur un seul axe peut être comprise entre 1,5 et 2 fois la précision de positionnement sur cet axe, bien que des facteurs liés au processus aient également leur importance. Un centre d'usinage standard permet généralement de produire des pièces de classe 8 en série, tandis qu'un centre de précision permet de produire des pièces de classe 6 à 7.
La plupart des entraînements d'alimentation CNC standard utilisent un système de régulation en boucle semi-fermée et ne permettent pas de détecter directement l'allongement thermique de la vis à billes. Le coefficient de dilatation linéaire de la vis à billes étant d'environ 11,2 × 10-8/K, une augmentation locale de la température de 1 °C à 2 °C en fonctionnement continu peut décaler le point zéro de la machine et le système de coordonnées de la pièce. Si le point zéro de la pièce se trouve à environ 400 mm de l’extrémité fixe de la vis à billes, une élévation de 2 °C peut entraîner une dérive d’environ 8,9 µm. Sur un centre horizontal qui indexe un boîtier de 180° pour usiner des alésages aux deux extrémités, cela peut doubler l’erreur de coaxialité. La précontrainte de la vis à billes peut réduire l’erreur thermique et augmenter la rigidité de l’entraînement, mais elle augmente le coût. La précision de la machine à elle seule n’est pas suffisante ; un plan de processus adapté est également nécessaire.
Le CNC doit être adapté à la machine et à l'application.
Les commandes sont configurées pour le tournage, le fraisage, l'alésage, la rectification, le poinçonnage et d'autres opérations. Choisissez la version adaptée au type de machine.
Les commandes disponibles présentent de grandes différences en termes de performances et de prix. À titre d’exemple historique, une commande FANUC 15 pouvait offrir une avance de coupe maximale de 240 m/min avec un pas de commande de 1 µm, tandis qu’une commande FANUC 0 n’offrait que 24 m/min. Une machine standard ne nécessitant que 20 m/min ne tirerait que peu d’avantages d’un système plus onéreux. Évaluez conjointement les performances et le coût plutôt que de choisir systématiquement le système le plus récent ou présentant les spécifications les plus élevées.
Les fonctions de base sont incluses dans le système choisi, tandis que les fonctions optionnelles entraînent un surcoût. Choisissez les options en fonction des besoins réels de la machine en termes de performances. Par ailleurs, précisez toutes les fonctions requises dès la commande initiale. Omettre la compensation d’inclinaison ou la fonction de décalage d’outil peut s’avérer impossible ou coûteux à corriger lors de la mise en service. L’utilisation du même modèle de commande que celui déjà installé dans l’usine simplifie également l’exploitation, la programmation et la maintenance.
Les entraînements d'avance courants comprennent les moteurs pas à pas, les servomoteurs à courant continu et les servomoteurs à courant alternatif. Les moteurs pas à pas sont peu coûteux mais présentent des performances limitées, telles que des vitesses rapides de l'ordre de 6 à 8 m/min, une résolution minimale d'environ 0,01 mm et une tendance à osciller à basse vitesse ; ils sont principalement utilisés dans des systèmes économiques en boucle ouverte. Les servomoteurs à courant continu ont été largement utilisés et coûtent moins cher que les servomoteurs à courant alternatif, mais leur réponse est moins bonne et les balais ainsi que les commutateurs augmentent le risque de panne. Les servomoteurs à courant alternatif dominent désormais les applications CNC.
La puissance du servomoteur dépend de l'amortissement et des charges d'inertie. Vérifiez que :
Une inertie de charge inférieure à celle du rotor n'a que peu d'effet, mais une inertie égale ou supérieure à environ trois fois celle du rotor peut nuire considérablement à la réponse et empêcher le servoamplificateur de fonctionner normalement.
Le choix du moteur de broche doit tenir compte de la puissance de coupe, du débit d'enlèvement de matière et du couple maximal à basse vitesse ; maintenir la puissance d'accélération et de décélération en dessous de la puissance maximale ; maintenir la puissance moyenne lors des démarrages et arrêts fréquents en dessous de la puissance nominale en service continu ; et veiller à ce que la somme de la puissance de coupe à vitesse constante et de la puissance d'accélération reste dans les limites de la puissance disponible.
Optez pour des accessoires peu coûteux indispensables au fonctionnement immédiat, tout en partageant les équipements compatibles entre les machines lorsque cela est possible. Comparez les fonctions de commande onéreuses, telles que la programmation conversationnelle et les graphiques dynamiques, à des solutions de programmation hors machine, car la programmation directement sur la machine réduit le temps de production. La mesure automatique, les palpeurs et la détection de l'usure ou de la rupture des outils doivent être choisis pour leur fiabilité éprouvée plutôt que pour leur caractère novateur.
Le refroidissement, la protection et l'évacuation des copeaux méritent également une attention particulière, car de nombreux dysfonctionnements trouvent leur origine dans ces systèmes. Les systèmes d’alimentation en liquide de refroidissement à buses multiples et les protections étanches permettent de mieux gérer les pièces de tailles variées et les coupes à grande vitesse que de simples tuyaux et écrans de protection. Choisissez une capacité adaptée à la production. À des températures ambiantes comprises entre 38 °C et 40 °C, un climatiseur pour armoire électrique peut s’avérer indispensable pour garantir un fonctionnement fiable des semi-conducteurs.
Le changeur d'outils automatique (ATC) est un élément essentiel des centres d'usinage, des centres de tournage et des presses à poinçonner CNC équipées d'un système de changement automatique de poinçons. Il peut représenter entre 30% et 50% de l'investissement total dans la machine. Ses principaux indicateurs de performance sont le temps de changement d'outil et le taux de défaillance. L'expérience sur le terrain attribue plus de la moitié des pannes des centres d'usinage au changeur d'outils automatique ; c'est pourquoi la conception la plus simple et la plus fiable, adaptée à l'application, est généralement la meilleure.
La capacité des magasins varie de moins de 20 outils à 40, 60 ou 100, tandis qu'un magasin central d'un FMC peut en contenir près de 1 000. Un centre d'usinage autonome qui ne sera pas intégré à un FMC ou à un FMS ne devrait normalement pas être équipé d'un magasin inutilement volumineux, car cela entraînerait une augmentation des coûts, de la complexité, du taux de défaillance et de la charge de gestion.
Déterminez la taille du magasin en fonction des outils nécessaires à l'usinage complet d'une pièce type, en prévoyant une réserve modeste. Environ 20 outils suffisent généralement pour un centre vertical, et environ 40 pour un centre horizontal. Les pièces complexes peuvent souvent être divisées en deux ou trois programmes, en fonction du traitement thermique, des changements de repère ou de la séparation entre l'ébauche et la finition, en veillant à ce que chaque programme ne dépasse pas 40 outils. Pour des volumes annuels de plusieurs milliers de pièces, l’utilisation d’outils combinés à arêtes multiples dédiés peut s’avérer économique. Les programmes utilisant plus de 50 outils compliquent également considérablement la programmation, la validation, la conception des montages et les révisions.
Les tours simples de type CNC peuvent être équipés de quatre outils, tandis que les centres de tournage complexes peuvent en accueillir des dizaines, fixes ou motorisés. L'outillage motorisé est coûteux et n'offre pas nécessairement une productivité élevée ; il convient donc davantage aux travaux complexes, variés et en petites séries qu'à une production plus simple en volumes moyens ou élevés.
Après avoir choisi la machine et le système ATC, sélectionnez des porte-outils et des outils de coupe normalisés. Les systèmes des centres d'usinage sont hautement normalisés et respectent généralement les exigences de la norme ISO. Un porte-outil permet de relier la grande variété d'outils de coupe à la broche, au magasin et au mécanisme de manutention.
Examinons trois points :
Mélanger deux séries de porte-outils sur une même machine n’est pas rentable et difficile à gérer. L’outillage modulaire coûte plus cher à l’achat, mais offre une plus grande flexibilité lorsqu’il est acquis sous forme de système. Par exemple, une barre d’alésage conventionnelle de Ø60 peut coûter environ 120 USD, tandis qu’un ensemble modulaire composé d’une tige, d’une rallonge et d’une tête de coupe peut dépasser les 200 USD. Pour un magasin de 30 outils, cependant, 30 tiges modulaires, 50 à 60 rallonges et 70 à 80 têtes de coupe peuvent remplacer 100 ensembles monoblocs et simplifier la gestion informatique. Les outils simples utilisés de manière répétée sans réassemblage, tels que les porte-forets à mandrin, sont souvent plus économiques sous forme d’unités monoblocs.
Pour la production en série de plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers de pièces par an, un outil combiné coûtant trois à dix fois plus cher qu'un porte-outil standard peut tout de même se justifier s'il remplace trois à cinq outils et regroupe plusieurs opérations en une seule.
La mesure radiale et axiale des outils doit être effectuée hors machine dans la mesure du possible, afin de ne pas gaspiller le temps de broche, qui est coûteux, pour la mise en place. Les systèmes de préréglage peuvent utiliser des systèmes de mesure optiques, à réseau de diffraction ou inductifs. Les versions gérées par ordinateur associent un logiciel de gestion des outils à des supports codés montés sur les porte-outils.
Choisissez un prérégleur pour outil de tournage, centre d’usinage ou universel dont le cône de broche correspond à celui de la machine CNC, afin de pouvoir saisir directement les décalages mesurés. Les prérégleurs sont disponibles en versions standard et de précision, les modèles haut de gamme offrant une précision de mesure pouvant atteindre 0,001 mm. Cette précision statique ne garantit pas l’obtention d’une cote usinée identique. Un alésage peut être de 0,01 à 0,02 mm plus petit que la valeur préréglée en fonction de l’état des arêtes et du matériau, et la répétabilité de la charge de la broche peut ajouter un écart supplémentaire de 0,005 à 0,008 mm. Une tolérance de perçage proche de 0,01 mm peut néanmoins nécessiter des essais de coupe et des réglages sur la machine. Dans la mesure du possible, un seul prérégleur devrait pouvoir être utilisé sur plusieurs machines.
Une bonne machine ne suffit pas à elle seule à garantir le succès technique ou économique. Les nouveaux utilisateurs ont également besoin d'opérateurs, de programmeurs et de personnel de maintenance mécanique et électrique qualifiés.
Les constructeurs de machines proposent de plus en plus souvent un accompagnement avant et après-vente, comprenant notamment l'analyse des processus pour des pièces types, des essais de faisabilité, la conception de l'outillage, la programmation, l'installation, la mise en service, les essais de découpe et le lancement de la production. La formation et l'accompagnement pratique destinés au personnel de maintenance, aux programmeurs et aux opérateurs revêtent une importance particulière. Il est essentiel d'investir dans les compétences du personnel pour utiliser efficacement les équipements CNC.
Faites-nous part de votre dessin, de votre matériau, de votre objectif de tolérance ou de votre question sur l'application. Notre équipe d'ingénieurs peut vous aider à examiner l'itinéraire d'usinage et vous suggérer une prochaine étape pratique.
Technologie de l'usinage
Les fraises se distinguent par leur matériau, la forme de leur arête de coupe, leur diamètre, leur longueur et le nombre de cannelures, et chacun de ces facteurs influe sur les performances de l'outil. Ce guide...
Lire l'articleTechnologie de l'usinage
Les systèmes de fabrication flexibles associent des équipements CNC, des systèmes automatisés de manutention, de stockage et de détection, ainsi qu'un contrôle informatique hiérarchisé, afin de produire efficacement des familles de pièces variées. Ce guide...
Lire l'articleTechnologie de l'usinage
L'alésage consiste à retirer une fine couche d'un trou préparé afin d'améliorer son diamètre, sa géométrie et son état de surface. Ce guide présente les classes IT pouvant être obtenues...
Lire l'articleTechnologie de l'usinage
Le choix d'un taraud pour un filetage intérieur CNC ne se limite pas à la simple correspondance de la taille du filetage. La longueur du chanfrein détermine le comportement de coupe et la profondeur programmée, tandis que...
Lire l'article
