Comment concevoir des pièces pour l'usinage CNC
Dans ce guide complet de conception pour l'usinage CNC, nous avons rassemblé des pratiques et des conseils de conception de base et avancés pour vous aider à obtenir les meilleurs résultats pour vos pièces sur mesure.
Quelques étapes simples permettent d'optimiser vos conceptions pour l'usinage à commande numérique (CNC). En respectant les principes de conception pour la fabrication (DFM), vous exploiterez pleinement les vastes possibilités de l'usinage CNC. Cela peut toutefois s'avérer complexe, car il n'existe pas de normes spécifiques à l'ensemble du secteur.
Cet article vous propose un guide complet des meilleures pratiques de conception pour l'usinage CNC. Pour compiler ces informations exhaustives et actualisées, nous avons sollicité l'avis d'experts du secteur et de prestataires de services d'usinage CNC. Si vous souhaitez optimiser vos coûts, consultez ce guide pour concevoir des pièces économiques pour l'usinage CNC.
Quel est le processus d’usinage CNC ?
L'usinage CNC est une technologie de fabrication soustractive. En CNC, on enlève de la matière d'un bloc massif à l'aide de divers outils de coupe tournant à grande vitesse (plusieurs milliers de tours par minute) pour produire une pièce à partir d'un modèle CAO. Les métaux et les plastiques peuvent être usinés par CNC.
Les pièces usinées par commande numérique (CNC) présentent une grande précision dimensionnelle et des tolérances serrées. L'usinage CNC convient aussi bien à la production en grande série qu'aux pièces uniques. De fait, il s'agit actuellement de la méthode la plus rentable pour la fabrication de prototypes métalliques, même comparée à l'impression 3D.
Quelles sont les principales limitations de la conception CNC ?
La CNC offre une grande flexibilité de conception, mais il existe quelques restrictions. Ces limitations concernent la mécanique de base du processus de coupe et concernent principalement la géométrie et l'accès aux outils.
Géométrie de l'outil
Les outils de coupe CNC les plus courants (outils de fraises en bout et forets) ont une forme cylindrique et une longueur de coupe limitée.
Au fur et à mesure que la matière est retirée de la pièce, la géométrie de l'outil est transférée à une pièce usinée. Cela signifie, par exemple, que les coins internes d'une pièce CNC ont toujours un rayon, quelle que soit la taille de l'outil de coupe utilisé.
Accès aux outils
Pour enlever de la matière, l'outil de coupe s'approche de la pièce directement par le haut. Les éléments inaccessibles de cette manière ne peuvent pas être usinés CNC.
Il existe une exception à cette règle : les contrefaçons. Vous trouverez une section consacrée aux contrefaçons vers la fin de cet article.
Nous vous recommandons d'aligner tous les éléments de votre modèle (trous, cavités, parois verticales, etc.) selon l'une des six directions principales. Cependant, considérez cette règle comme une recommandation et non comme une contrainte, car les systèmes CNC 5 axes offrent des capacités avancées de maintien des pièces.
L'accès aux outils est également un problème lors de l'usinage d'éléments présentant un rapport profondeur/largeur important. Pour atteindre le fond d’une cavité profonde, par exemple, vous avez besoin d’outils à portée étendue. Cela signifie une plus grande amplitude de mouvement pour l'effecteur final, ce qui augmente le broutage de la machine et diminue la précision atteignable.
Cela simplifiera la production si vous concevez des pièces pouvant être usinées CNC avec l'outil ayant le plus grand diamètre possible et la longueur la plus courte possible.
directives de conception CNC
L'absence de normes spécifiques à l'ensemble du secteur constitue un défi fréquent lors de la conception de pièces pour l'usinage CNC. Les fabricants de machines et d'outils CNC améliorent constamment les capacités de cette technologie, repoussant sans cesse les limites du possible. Le tableau ci-dessous récapitule les valeurs recommandées et réalisables pour les caractéristiques les plus courantes des pièces usinées CNC.
Cavités et poches
Profondeur de cavité recommandée : 4 fois la largeur de la cavité
Les fraises en bout ont une longueur de coupe limitée (généralement 3 à 4 fois leur diamètre). La déviation de l'outil, l'évacuation des copeaux et les vibrations sont plus importantes lorsque le rapport profondeur/largeur des cavités est faible.
Limiter la profondeur de la cavité à quatre fois sa largeur garantit de bons résultats.
Si des profondeurs plus importantes sont nécessaires, envisagez de concevoir des pièces avec une profondeur de cavité variable.
Fraisage de cavités profondes : les cavités dont la profondeur est supérieure à six fois le diamètre de l’outil sont considérées comme profondes. Un rapport diamètre de l’outil/profondeur de la cavité pouvant atteindre 30:1 est possible grâce à un outillage spécialisé (profondeur maximale : 35 cm avec une fraise de 1 mm de diamètre).
Cavités et poches
Rayon de courbure vertical
Recommandé : ⅓ fois la profondeur de la cavité (ou plus)
L'utilisation de la valeur recommandée pour les rayons des angles internes garantit l'utilisation d'un outil de diamètre approprié et est conforme aux directives relatives à la profondeur de cavité recommandée.
Augmenter légèrement le rayon des angles au-delà de la valeur recommandée (par exemple de 1 mm) permet à l'outil de suivre une trajectoire circulaire plutôt qu'un angle droit. Cette méthode est préférable car elle offre une finition de surface de meilleure qualité. Si des angles internes vifs à 90 degrés sont nécessaires, il est conseillé d'ajouter une gorge en T plutôt que de réduire le rayon des angles.
Rayon du sol
Recommandée: Rayon de 0.5 mm, 1 mm ou nul
Réalisable: rayon quelconque
Les fraises en bout possèdent un tranchant inférieur plat ou légèrement arrondi. D'autres rayons de courbure peuvent être usinés à l'aide d'outils à bout sphérique. Il est recommandé, lors de la conception, d'utiliser les valeurs préconisées, car elles sont privilégiées par les machinistes.
Parois minces
Épaisseur minimale de la paroi
Épaisseur recommandée : 0.8 mm (métaux), 1.5 mm (plastiques)
Faisable : 0.5 mm (métaux), 1.0 mm (plastiques)
Diminuer l'épaisseur de paroi réduit la rigidité du matériau, ce qui accroît les vibrations lors de l'usinage et diminue la précision atteignable. Les matières plastiques sont sujettes à la déformation (due aux contraintes résiduelles) et au ramollissement (dû à l'élévation de température) ; une épaisseur de paroi minimale plus importante est donc recommandée. Les valeurs admissibles mentionnées ci-dessus doivent être examinées au cas par cas.
des trous
Diamètre
Recommandé : foret standard
Faisable : tout diamètre supérieur à 1 mm
Les trous sont usinés à l'aide d'un foret ou d'une fraise. Le diamètre des forets est normalisé (en unités métriques et impériales). Les alésoirs et les outils de perçage servent à la finition des trous exigeant une grande précision. Pour les trous de haute précision d'un diamètre inférieur à 20 mm, l'utilisation d'un diamètre standard est recommandée.
Profondeur maximale
Recommandée: 4 fois le diamètre nominal
Typique: 10 fois le diamètre nominal
Réalisable: 40 fois le diamètre nominal
Les trous de diamètre non standard doivent être usinés à la fraise. Dans ce cas, les restrictions de profondeur maximale s'appliquent et la profondeur maximale recommandée doit être respectée. Les trous plus profonds que la profondeur standard sont usinés à l'aide de forets spéciaux (d'un diamètre minimal de 3 mm). Les trous borgnes usinés au foret présentent un fond conique (angle de 135°), tandis que ceux usinés à la fraise sont plats.
En usinage CNC, il n'y a pas de préférence particulière entre les trous traversants et les trous borgnes.
Threads
Taille de filetage
Minimum: M1 (et inférieur, dans certains cas)
Recommandée: M6 ou plus grand
Les filetages sont réalisés à l'aide de tarauds et les filetages extérieurs à l'aide de filières. Les tarauds et les filières permettent de réaliser des filetages jusqu'à M2. Les outils de filetage CNC sont courants et privilégiés par les machinistes, car ils limitent le risque de casse des tarauds. Ces outils permettent de réaliser des filetages jusqu'à M6.
Longueur du filetage
Minimum: 1.5 fois le diamètre nominal
Recommandée: 3 fois le diamètre nominal
La majeure partie de la charge appliquée à un filetage est supportée par les premières dents (jusqu'à 1.5 fois le diamètre nominal). Les filetages d'une longueur supérieure à 3 fois le diamètre nominal sont donc inutiles.
Pour les filetages dans les trous borgnes taraudés (c'est-à-dire tous les filetages inférieurs à M6), ajoutez une longueur non filetée égale à 1.5 fois le diamètre nominal au fond du trou. Lorsqu'une machine à fileter à commande numérique peut être utilisée (c'est-à-dire pour les filetages supérieurs à M6), le trou peut être taraudé sur toute sa longueur.
Petites fonctionnalités
Diamètre minimal du trou
Recommandée: 2.5 mm (0.1 pouce).
Réalisable: 0.05 mm (0.005 pouce).
La plupart des ateliers d'usinage peuvent réaliser avec précision des cavités et des trous à l'aide d'outils d'un diamètre minimal de 2.5 mm. En dessous de cette limite, on parle de micro-usinage. L'usinage de telles pièces requiert des outils spéciaux (micro-forets) et un savoir-faire pointu, car la physique du processus de coupe est modifiée à cette échelle. Sauf nécessité absolue, il est donc recommandé de les éviter.
Tolérances
Typique: + -0.1 mm
Réalisable: + -0.02 mm
Nos tolérances sont soit moyennes, soit fines (norme 2768). Si aucune tolérance n'est spécifiée, nos partenaires de fabrication utiliseront la nuance 2768 sélectionnée.
Les tolérances définissent les limites d'une dimension acceptable. Les tolérances réalisables varient selon la dimension de base et la géométrie de la pièce. Les valeurs ci-dessus constituent des indications raisonnables.
Texte et lettrage
Recommandé : police de taille 20 (ou plus), gravure de 5 mm
Le texte gravé est préféré au texte en relief, car moins de matière est enlevée. Il est recommandé d'utiliser une taille minimale de police sans empattement de -20 (par exemple Arial ou Verdana). De nombreuses machines CNC ont des routines préprogrammées pour ces polices.
Configurations de machines CNC et orientation des pièces
Schéma d'une pièce nécessitant plusieurs réglages
L'accès aux outils constitue l'une des principales limitations de conception en usinage CNC. Pour atteindre toutes les surfaces du modèle, la pièce doit être tournée plusieurs fois.
À chaque rotation de la pièce, la machine doit être recalibrée et un nouveau système de coordonnées doit être défini.
Lors de la conception, il est important de prendre en compte la configuration des machines pour deux raisons :
Le nombre total de réglages de la machine influe sur le coût. La rotation et le réalignement de la pièce nécessitent une intervention manuelle et augmentent le temps d'usinage total. Ceci est généralement acceptable si la pièce doit être tournée jusqu'à trois ou quatre fois, mais au-delà, c'est excessif.
Pour obtenir une précision de positionnement relative maximale, deux éléments doivent être usinés simultanément. En effet, la nouvelle étape d'étalonnage introduit une erreur faible (mais non négligeable).
Qu’est-ce que l’usinage CNC 5 axes ?
Une machine CNC 5 axes déplace les outils de coupe ou les pièces le long de cinq axes simultanément. Les machines CNC multi-axes peuvent fabriquer des pièces aux géométries complexes grâce à leurs deux axes de rotation supplémentaires. Ces machines permettent de s'affranchir de la nécessité de plusieurs configurations.
Quels sont les avantages et les limites de l'usinage CNC 5 axes ?
L'usinage CNC à cinq axes permet à l'outil de rester constamment tangent à la surface de coupe. Les trajectoires d'outil peuvent être plus complexes et plus efficaces, ce qui permet d'obtenir des pièces avec un meilleur état de surface et des temps d'usinage réduits.
Cela dit, l'usinage CNC 5 axes présente des limites. Les contraintes géométriques et d'accès aux outils restent de base (par exemple, l'usinage de pièces aux géométries internes complexes est impossible). De plus, le coût d'utilisation de tels systèmes est plus élevé.
Contre-dépouilles d'usinage CNC
Les contre-dépouilles sont des éléments qui ne peuvent pas être usinés à l'aide d'outils de coupe standards, car certaines de leurs surfaces ne sont pas accessibles directement par le haut.
Il existe deux principaux types de contre-dépouilles : les rainures en T et les queues d'aronde. Les contre-dépouilles peuvent être unilatérales ou doubles et sont usinées à l'aide d'outils spéciaux.
Les outils de coupe à rainure en T sont constitués d'une lame de coupe horizontale fixée à un arbre vertical. La largeur d'une contre-dépouille peut varier entre 3 mm et 40 mm. Nous vous recommandons d'utiliser des tailles standard pour la largeur (c'est-à-dire des incréments de millimètres entiers ou des fractions de pouces standard), car il est plus probable qu'un outil approprié soit déjà disponible.
Pour les outils de coupe à queue d'aronde, l'angle est la taille de la fonction déterminante. Les outils à queue d'aronde à 45 et 60 degrés sont considérés comme standard. Des outils avec un angle de 5, 10 et jusqu'à 120 degrés (par incréments de 10 degrés) existent également mais sont moins couramment utilisés.
Une rainure en T (à gauche), une entaille en queue d'aronde (au milieu) et une entaille unilatérale sur une paroi intérieure (à droite).
Conception en contre-dépouille pour usinage CNC
Lors de la conception de pièces présentant des contre-dépouilles sur les parois internes, veillez à prévoir un dégagement suffisant pour l'outil. En règle générale, prévoyez un espace au moins égal à quatre fois la profondeur de la contre-dépouille entre la paroi usinée et toute autre paroi interne.
Pour les outils standard, le rapport typique entre le diamètre de coupe et le diamètre de l'arbre est de 2:1, ce qui limite la profondeur de coupe. Lorsqu'une contre-dépouille non standard est nécessaire, il est courant que les ateliers d'usinage fabriquent leurs propres outils sur mesure. Cela peut engendrer des délais et des coûts supplémentaires ; il est donc préférable de l'éviter.
Rédaction d'un dessin technique
Les dessins techniques sont parfois utilisés par les ingénieurs pour communiquer des exigences de fabrication spécifiques au machiniste.
Joignez un dessin technique à votre devis
Nous n'exigeons généralement pas de dessin technique pour les commandes passées sur notre plateforme, mais dans certains cas, il peut apporter des informations précieuses à une demande de devis. Certaines spécifications de conception ne peuvent pas être incluses dans un fichier STEP ou IGES. Par exemple, vous devrez fournir un dessin technique 2D si votre modèle comporte des trous ou des arbres taraudés et/ou des dimensions dont les tolérances sont plus strictes que celles de la nuance 2768 sélectionnée.
Si vous ajoutez un dessin technique, veuillez vous assurer qu'il correspond aux spécifications des fichiers téléchargés. Si les dessins techniques ne correspondent pas aux fichiers téléchargés ou aux spécifications du devis :
Le cahier des charges fait office de référence pour la technologie, les matériaux et les finitions de surface.
Les dessins techniques sont considérés comme le point de référence pour les spécifications de filetage, les spécifications de tolérance, les détails de finition de surface, les demandes de marquage des pièces et les spécifications de traitement thermique.
Le fichier CAO est considéré comme le point de référence pour la conception, la géométrie, les dimensions et l'emplacement des éléments de la pièce.
Quelles sont les meilleures pratiques pour l'usinage CNC ?
Concevoir des pièces pouvant être usinées avec l'outil ayant le plus grand diamètre possible.
Ajoutez les grands congés (au moins ⅓ fois la profondeur de la cavité) à tous les coins verticaux internes.
Limitez la profondeur des cavités à 4 fois leur largeur.
Alignez les principales caractéristiques de votre conception avec l'une des six directions principales. Si cela s'avère impossible, l'usinage CNC 5 axes est une solution envisageable.
Joignez un dessin technique à votre dessin si votre conception comprend des filetages, des tolérances, des spécifications de finition de surface ou d'autres notes destinées à l'opérateur de la machine.
Vous avez besoin de pièces usinées par commande numérique ? Veuillez contacter notre équipe Gazfull.