Fraiseuse CNC : Comprendre la précision, l'axe et les types

Les fraiseuses CNC (Computer Numerical Control), également appelées centres d'usinage CNC, sont des machines de haute précision utiles dans de nombreux contextes industriels. En utilisant des outils de coupe rotatifs, ils peuvent sculpter des formes et des motifs complexes dans leurs pièces. Cet article vous dira tout ce que vous devez savoir sur les usines à commande numérique par ordinateur (CNC), y compris leur fonctionnement, pourquoi elles sont précises, les axes qu'elles utilisent et les différentes options parmi lesquelles vous pouvez choisir.

Comment fonctionnent les fraiseuses CNC

La broche, la table, l'IHM (interface homme-machine), le contrôleur, le magasin d'outils, le servomoteur, le coulisseau à vis à billes et d'autres composants de support structurel constituent une fraiseuse CNC à trois axes. Le matériel en stock est fixé sur la table. La broche fait tourner l'outil de coupe, qui à son tour coupe le matériau.

L'IHM traduit le dessin ou la commande dans un langage compréhensible par la machine et l'envoie au contrôleur. Servo-moteur la rotation est contrôlée avec précision par le contrôleur. À l'aide d'une vis à billes et d'un rail de guidage, le servomoteur déplace la table ou la broche vers l'emplacement spécifié à l'heure spécifiée. Le matériau de base est ensuite découpé pour former la forme souhaitée. Le magasin d'outils stocke une grande variété d'outils.

Si nécessaire, la broche peut accéder au magasin d'outils et récupérer les outils appropriés. Certains peu coûteux fraisage CNC les machines n'ont pas de magasin d'outils, ce qui nécessite des changements d'outils manuels. Les fraiseuses CNC à quatre et cinq axes ont un ou deux axes de rotation en plus des trois axes qui déplacent la table.

Pourquoi les fraiseuses CNC sont précises

Système de contrôle de la fraiseuse CNC

La figure ci-dessus montre les principaux éléments de commande d'une fraiseuse CNC, notamment l'interface homme-machine (ordinateur), le contrôleur, l'amplificateur, l'encodeur, le moteur, la vis à billes et le rail de guidage. L'encodeur peut détecter avec précision l'angle de rotation du moteur. La précision des différents encodeurs est différente. Généralement, la précision du codeur utilisé par les fraiseuses CNC se situe entre des centaines de millièmes et des millionièmes de cercle.

Le contrôleur peut donc contrôler le moteur pour qu'il tourne à l'angle requis, et la précision peut également atteindre plusieurs centaines de millièmes de tour. Le contrôleur, l'amplificateur, l'encodeur et le moteur forment une commande en boucle fermée. Dans cette boucle de contrôle, la commande envoyée (l'angle de rotation souhaité) et le résultat (l'angle de rotation réel) seront comparés et corrigés jusqu'à ce qu'ils soient cohérents. Il s’agit donc d’un système avec une très grande précision et sans espace d’erreur.

L'ensemble du système de contrôle CNC est un système en boucle semi-fermée car la position finale de la vis à billes et des rails de guidage n'est pas renvoyée au contrôleur, à l'exception du contrôle en boucle fermée formé par le contrôleur et le moteur. La précision de cette partie de la machine dépend de la précision des composants mécaniques.

La raison pour laquelle une fraiseuse CNC utilise des vis à billes est que leur jeu est beaucoup plus petit que celui d'une vis ordinaire. Les vis à billes de haute qualité peuvent atteindre une précision de position de quelques um. Le servomoteur de haute précision, le contrôle en boucle fermée de l'encodeur et la vis à billes de haute précision peuvent garantir la précision de positionnement répétée du système jusqu'à plusieurs um dans des conditions sans charge.

Autres choses à considérer

Lors du processus d’usinage, la découpe du métal produit une énorme force de réaction. Pour garantir la précision de l’usinage, cela dépend également de la rigidité et de la résistance de l’ensemble de la machine. De manière générale, plus le poids est élevé, meilleure est la rigidité de la machine. Plus la largeur du rail de guidage est grande, plus la dureté est grande et plus la rigidité est forte.

Bien entendu, la résistance structurelle de l’ensemble de la machine doit également être prise en compte. Dans les opérations réelles, les facteurs humains, la précision des outils de mesure, les changements de température de la pièce et des outils pendant le traitement, l'usure des outils et d'autres facteurs doivent également être pris en compte. Sur la base des facteurs ci-dessus, les fraiseuses CNC modernes peuvent atteindre une précision de 0.01 mm lors du traitement réel.

Contrôle en boucle fermée et moteur linéaire

Le contrôle en boucle semi-fermée est utilisé dans les machines CNC. La précision du mouvement de la table dépend en partie de la précision du dispositif mécanique, car le contrôleur reçoit uniquement des informations sur l'angle de rotation du moteur. Les entraînements par moteur linéaire constituent l’avancée technologique la plus récente dans ce domaine pour résoudre ce problème.

Si vous imaginez la partie mobile d’un servomoteur, qui tourne généralement puis se redresse, vous avez une idée de ce que fait un moteur linéaire. La broche est entraînée en rotation par le servomoteur et la vis à billes est utilisée pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire.

Le moteur linéaire n'a pas de vis à billes puisqu'il ne comporte pas d'éléments rotatifs. Il entraîne un noyau de fer, également appelé chariot ou curseur, sur la piste magnétique pour effectuer directement un mouvement linéaire. L'encodeur du servomoteur indique la position angulaire du moteur, tandis que l'encodeur du moteur linéaire indique l'emplacement linéaire du noyau de fer.

La table ou la broche repose normalement sur le noyau de fer. Il s'agit alors d'un système de contrôle en boucle fermée dans lequel le résultat final de toute commande est signalé au contrôleur et le mouvement est corrigé en conséquence. Une précision améliorée, une capacité de charge accrue, ainsi qu'une vitesse et une accélération accrues ne sont que quelques-uns des avantages du moteur linéaire en CNC. Un inconvénient cependant est le prix plus élevé.

Axes d'une fraiseuse CNC

En prenant comme exemple les fraiseuses CNC verticales les plus courantes, 3 axes contrôlent le mouvement linéaire de la pièce et de la broche, l'axe X se déplace à gauche et à droite, l'axe Y avance et recule et l'axe Z monte et descend. Comme mentionné ci-dessus, le mouvement de ces trois axes est réalisé par des vis à billes entraînées par des servomoteurs, ce qui permet d'atteindre une grande précision.

Une fraiseuse CNC 5 axes comprend également un axe de rotation autour de l'axe X – l'axe A, et un axe de rotation autour de l'axe Z – l'axe C. L'axe de rotation est réalisé par un servomoteur via un réducteur de précision, et la précision peut atteindre un dix millième à un cent millième de degré.

Liaison multi-axes

Parfois afin de pouvoir traiter des pièces très complexes, comme des surfaces complexes. Chaque axe de la fraiseuse CNC doit se déplacer simultanément dans une certaine relation. Par exemple, les axes X, Y et Z se déplacent dans la relation z=x^2+y^2.

La fonction grâce à laquelle les axes peuvent réaliser cette relation complexe et se déplacer en même temps est appelée « liaison ». Toutes les fraiseuses CNC ont une liaison entre les axes X, Y et Z, ce qui permet de réaliser le fraisage d'un anneau ou d'un hémisphère. Mais toutes les CNC n'ont pas la liaison des axes A et C avec X, Y et Z.

Les fraiseuses CNC sans liaison d'axe A/C sont appelées machines 3+1 axes/3+2 axes, également appelées « faux quatre axes » et « faux cinq axes ». Ce type de fraiseuse peut uniquement faire pivoter l'axe A/C pour atteindre la position prédéterminée et le maintenir immobile lors du traitement de surfaces courbes complexes, puis effectuer un fraisage XYZ.

Il est donc difficile de réaliser un fraisage régulier de surfaces très complexes. Mais elles donnent quand même plus de liberté aux opérateurs qu’une fraiseuse CNC 3 axes.

Magasin d'outils Choix pour fraiseuse CNC

Bien que différents types de magasins d'outils présentent des taux de défaillance et une fiabilité différents, lors du choix d'un magasin d'outils, le nombre d'outils qu'il peut accueillir reste l'élément le plus important à prendre en compte. Les principales fonctions du magasin d'outils sont d'accueillir l'outil et de changer rapidement l'outil sur la broche, économisant ainsi le temps du changement d'outil manuel. Par conséquent, le magasin d’outils à choisir est principalement lié au lot de produits traités.

Choix de production en grand volume

Si le produit à traiter est relativement simple et que la taille du lot est relativement grande, vous pouvez choisir un magasin d'outils avec une capacité plus petite, un taux de défaillance plus faible et une vitesse de changement d'outil plus rapide, comme un magasin d'outils en forme de chapeau de bambou pouvant accueillir 10 -16 outils. S'il s'agit d'un produit complexe de grand volume, il faut un magasin d'outils de grande capacité et un changement d'outil extrêmement rapide, comme par exemple un magasin d'outils à action synchrone pouvant accueillir de 24 à 36 outils.

Choix de production de prototypage

Les entreprises qui se concentrent sur les prototypes choisissent souvent d'utiliser des types de magasins d'outils à changement d'outil plus lents, fiables et bon marché, tels que le type à bras de serrage à 12 outils, car la vitesse de changement d'outil rapide n'est pas trop avantageuse pour les très petits lots. En outre, certaines entreprises qui se concentrent sur la production automatisée en petits lots utiliseront des magasins d'outils externes de grande capacité pour minimiser le besoin d'installer des outils dans le magasin lorsque de nouvelles pièces doivent être fabriquées. J'ai vu des cas extrêmes utilisant deux magasins d'outils externes d'une capacité de 98 outils chacun.

Bien qu'il existe encore des entreprises en Chine qui utilisent des fraiseuses CNC sans magasin d'outils pour traiter des pièces simples telles que des prototypes en plastique ou des accessoires de moules, à mesure que les salaires des travailleurs qualifiés continuent d'augmenter, ce type de fraiseuse CNC utilisant le changement d'outil manuel devient de plus en plus rare en Chine. L'industrie.

Différents types de fraiseuses CNC

Fraiseuse CNC verticale :

Le type de fraiseuse CNC le plus répandu est le type vertical. Les centres d'usinage verticaux maintiennent l'outil de coupe sur un arbre principal (broche) perpendiculaire au sol. Une colonne supporte la broche. Cette conception, qui présente une structure plus simple, convient au fraisage d'objets de taille moyenne et lourde. L'opération est plus pratique et la pièce est facilement accessible. Son coût initial est généralement inférieur à celui des autres types.

Fraiseuses CNC horizontales :

La fraiseuse CNC horizontale est une autre variété populaire. La broche du centre d'usinage horizontal, positionnée horizontalement, sert à maintenir l'outil de coupe. Il est simple d’accéder à la pièce par le côté grâce à cette conception. D'une manière générale, une fraiseuse horizontale est plus puissante et adaptée au traitement de pièces en vrac ou avec des coupes lourdes. Un broyeur horizontal coûte beaucoup plus cher qu’un broyeur vertical de taille similaire.

Fraiseuse CNC à portique :

Un cadre composé de deux colonnes et poutres supporte la broche de la fraiseuse CNC à portique. Un portique est une structure aérienne qui ressemble à un pont. Cette construction offre un support plus solide à la broche et présente un haut niveau de précision et de stabilité, lui permettant de supporter des broches et des outils plus grands. Généralement, des pièces en tôle raisonnablement grandes ou relativement longues sont produites dans des fraiseuses CNC à portique. Les fraiseuses CNC à portique peuvent être incroyablement énormes. J'ai vu des fraiseuses CNC à portique avec une table de travail de la taille d'une piscine et des outils de la taille d'une personne.

Avantages de l'usinage par fraisage CNC.

Transformation de prototypes et production de pièces uniques :

Dans cette gamme de lots, les méthodes de traitement les plus couramment utilisées sont l’impression 3D et le traitement par machine CNC. La gamme de matériaux pour l’impression 3D est limitée et les fraiseuses CNC peuvent traiter presque tous les types de matériaux plastiques et métalliques. La précision de l’impression 3D est également limitée, essentiellement au niveau millimétrique. La fraiseuse CNC peut atteindre 0.01 mm. C'est donc un bien meilleur choix lorsque la pièce produite a une exigence de tolérance.

Lors du processus d’impression 3D, le matériau est fondu puis solidifié, la résistance de la pièce est donc faible. Le traitement CNC peut utiliser des profils ou des matériaux forgés, beaucoup plus résistants que l'impression 3D. C'est donc un meilleur processus pour les composants structurels et les composants stressés. Le but de nombreux prototypes est de tester si les pièces peuvent répondre aux exigences d’une future production de masse. Les pièces traitées CNC sont plus proches de la production de masse et sont donc plus adaptées à de tels tests.

Production en petites séries :

La production en petits lots est le scénario le plus approprié pour l’usinage CNC. L’impression 3D est normalement trop chère pour les petits lots. L'investissement de démarrage dans la production de moules est trop important. La CNC peut toujours offrir une large sélection de matériaux, une excellente précision de résistance et un coût relativement faible.

Production à grand volume :

D’une manière générale, lorsque la taille du lot est importante, la production de moules présente un plus grand avantage. Mais la production CNC peut atteindre une précision élevée que la production de moules ne peut pas atteindre. Et si la conception doit être modifiée, la production CNC est plus flexible. De plus, la fabrication des moules prend beaucoup de temps et le premier lancement des produits par lots sera plus tardif que dans la production CNC. Si le premier lot de produits doit respecter une date limite proche, la CNC est un meilleur choix.

Comment fonctionne une fraiseuse CNC

Le processus de fraisage CNC commence généralement à partir de dessins ou de conceptions CAO. Ils sont chargés dans un ordinateur, puis utilisent un logiciel CAM (Computer Aided Manufacturing) pour convertir le dessin en code NC, qui calcule la vitesse de coupe, l'avance et la trajectoire de l'outil nécessaires pour produire la pièce.

Une fois le code NC chargé dans la machine, l'outil et la pièce sont positionnés et serrés en place. Les fraiseuses CNC utilisent le code NC pour contrôler le mouvement des outils et des pièces, afin de réaliser des opérations de coupe, de perçage et de fraisage précises. La machine coupe et se déplace selon les instructions du code NC pour produire les pièces ou composants requis.

Certaines fraiseuses CNC avancées peuvent fournir des mesures en cours de processus. Ce type de machine peut surveiller en permanence les outils de coupe et les pièces et les ajuster si nécessaire pour garantir que les pièces finies répondent aux spécifications et tolérances requises. La machine peut également fabriquer plusieurs pièces en une seule configuration grâce à la programmation, réduisant ainsi le temps et les efforts nécessaires pour produire plusieurs pièces. De plus, le temps de serrage du matériau peut être réduit en ajoutant des équipements externes tels qu'un manipulateur et une table rotative.

Conclusion

En conclusion, les fraiseuses CNC (commande numérique par ordinateur) sont un élément essentiel de la production contemporaine et sont largement utilisées dans de nombreuses industries pour créer une grande variété de pièces et de composants. Un ordinateur est utilisé par les machines pour saisir et déchiffrer le code NC, qui régule les mouvements de l'outil de coupe et de la pièce et permet des opérations de coupe et de perçage précises et précises.

Les systèmes de contrôle complexes, les nombreux axes de mouvement et les changeurs d'outils automatiques ne sont que quelques-unes des caractéristiques et capacités des fraiseuses CNC. L'adoption des fraiseuses CNC a complètement changé le secteur manufacturier, améliorant la précision, la rentabilité, la productivité et la sécurité.

Capable Machining compte plus de 40 centres d'usinage CNC et tours CNC de toutes sortes et plus de dix ans d'expérience en usinage CNC. Qu'il s'agisse de traitement rapide de prototypes monoblocs, de traitement de petits lots ou de commandes en gros lots, nous disposons de processus matures et d'un contrôle qualité pour garantir la satisfaction du client. Si vous avez des questions sur l'usinage CNC, veuillez nous envoyer un e-mail et nous serons heureux de vous répondre.