Machine CNC 5 axes et machine CNC 3 axes : principales différences en termes de précision et d'efficacité

Différence de précision n°1 : nombre de configurations

L’un des principaux contributeurs à la variation dimensionnelle est la configuration répétée. Considérons un support aérospatial en aluminium mesurant 180 mm × 120 mm × 80 mm contenant des poches sur la surface supérieure, des trous latéraux, des surfaces de montage inclinées et des fentes de dégagement arrière. Sur une machine à 3 axes, les opérateurs peuvent effectuer quatre configurations distinctes.

Le flux de travail nécessite le serrage de la face supérieure, l'usinage des éléments supérieurs, la rotation de la pièce, le-resserrage de la face latérale, le-rétablissement du système de coordonnées de travail et l'usinage des trous latéraux. Chaque configuration introduit une variation d'alignement. Même si la répétabilité du montage reste à ±0,02 mm, l'erreur cumulée peut augmenter au cours de plusieurs opérations.

Une machine à 5 axes fait tourner la pièce automatiquement. L'opérateur serre la pièce une fois et exécute toutes les opérations d'usinage dans le même système de coordonnées. La machine préserve les relations géométriques car la pièce reste fixe.

Différence de précision n°2 : déviation de l'outil

La déviation de l'outil se produit lorsque les forces de coupe plient l'outil lors de l'enlèvement de matière. Le degré de déviation augmente à mesure que le porte-à-faux de l'outil augmente. Par exemple, une cavité d'une profondeur de 120 mm peut nécessiter une fraise longue sur une machine à 3 axes. Les outils longs fléchissent sous la charge, génèrent des vibrations et produisent des parois coniques. Lors de l'usinage de l'acier inoxydable 316 ou de l'alliage de titane Ti-6Al-4V, les forces de coupe deviennent nettement supérieures à celles rencontrées avec l'aluminium.

Une machine à 5 axes fait tourner la pièce pour améliorer l'accès aux outils. Au lieu d'étendre l'outil de 120 mm dans une cavité, la machine incline la pièce et permet à une fraise plus courte d'atteindre la même caractéristique. L'outil le plus court résiste à la flexion et maintient la cohérence dimensionnelle. Cet avantage structurel produit des améliorations mesurables en termes de rectitude des murs et de précision des contours.

Différence de précision n°3 : cohérence de la finition de surface

La finition de la surface dépend de l'angle d'engagement de l'outil et de la stabilité de coupe. Lors de l'usinage de surfaces courbes sur une machine à 3 axes, la fraise peut entrer en contact avec le matériau à des positions constamment changeantes le long du rayon de l'outil. Cela peut produire des marques de pétoncles inégales, une ondulation de la surface et des exigences de polissage supplémentaires.

Une machine à 5 axes ajuste en permanence l'orientation de l'outil pour maintenir un angle de contact contrôlé lors de l'enlèvement de matière. Pour une cavité de moule avec une surface de forme libre, l'usinage sur 3 axes nécessite souvent une finition à nez sphérique avec de petites valeurs de pas, tandis que l'usinage sur 5 axes permet à l'outil de s'incliner et de maintenir un engagement optimal. Cela réduit les irrégularités de surface et diminue les opérations de finition.

Différence de précision n°4 : précision géométrique sur des caractéristiques complexes

De nombreux composants industriels contiennent des éléments qui se croisent, tels que des aubes de turbine, des roues, des implants médicaux et des inserts de moule. Ces composants contiennent plusieurs surfaces qui doivent maintenir des relations de position précises. Sur une machine à 3 axes, chaque fonction peut nécessiter des configurations distinctes, ce qui rend difficile le maintien des relations géométriques à mesure que le nombre de configurations augmente.

Une machine à 5 axes maintient une référence de coordonnées unique tout au long de l'usinage, contrôlant tous les emplacements des caractéristiques au sein d'un système de mouvement synchronisé. Cela réduit la variation de positionnement accumulée. Pour les composants contenant des angles composés et des géométries courbes, l’amélioration peut être significative.

Différence d'efficacité n°1 : temps d'installation

L'efficacité de la production n'est pas déterminée uniquement par la vitesse de rotation de la broche ; le temps de configuration consomme souvent une grande partie du temps total de fabrication. Considérons une petite série de production-de vingt inserts de moule où chaque insert nécessite quatre fixations, trois alignements et plusieurs cycles de palpage. Une machine à 3 axes peut passer plus de temps à préparer la pièce qu'à couper le métal. Une machine 5 axes réduit les opérations de réglage. Étant donné que la machine fait tourner la pièce automatiquement, les opérateurs passent moins de temps à installer les dispositifs, à aligner les pièces et à établir des systèmes de coordonnées. Cette réduction devient de plus en plus importante pour la production de prototypes et la fabrication à haut-mixte-volumes faibles.

Différence d'efficacité n°2 : exigences en matière de luminaires

Les luminaires ajoutent du coût et de la complexité. Une machine à 3 axes nécessite souvent des fixations personnalisées telles que des fixations de pierre tombale, des plaques d'angle et des systèmes de serrage personnalisés pour exposer différentes surfaces de pièces. Chaque dispositif doit soutenir la pièce, résister aux forces de coupe et maintenir l'alignement. Une machine à 5 axes réduit la complexité des montages. Dans de nombreuses applications, un seul support prend en charge toutes les opérations d'usinage. Cela réduit les coûts de fabrication des luminaires, les besoins de stockage et la charge de travail de maintenance. Les ingénieurs d'approvisionnement doivent considérer l'investissement dans les équipements comme faisant partie du coût total de possession de la machine.

Différence d'efficacité n°3 : temps de cycle

Le temps de cycle comprend le temps de configuration, les changements d'outils, le temps de coupe et le temps d'inspection. Une machine à 3 axes peut effectuer un enlèvement de matière rapidement mais nécessite néanmoins des opérations supplémentaires. Par exemple, une pièce contenant six trous inclinés peut nécessiter des changements de fixation séparés, un repositionnement manuel et des opérations de perçage supplémentaires. Une machine 5 axes perce ces éléments sans interrompre le cycle d'usinage. À mesure que la complexité des pièces augmente, la différence de temps de cycle devient plus perceptible, en particulier dans la fabrication de composants aérospatiaux et médicaux.

Différence d'efficacité n°4 : utilisation des outils

L'utilisation des outils affecte à la fois la productivité et les coûts d'outillage. Lors de l'usinage de cavités profondes sur une machine à 3 axes, des fraises longues sont souvent nécessaires, nécessitant des vitesses d'avance réduites, une profondeur de coupe plus faible et des passes de finition supplémentaires. Une machine 5 axes améliore l'accès aux outils. Des outils plus courts peuvent enlever la matière de manière plus agressive, maintenir la stabilité de coupe et réduire les vibrations. La machine utilise plus efficacement la puissance disponible de la broche car moins d’énergie est perdue lors de la flexion de l’outil.

Composants en aluminium (6061, 7075)

Les deux types de machines peuvent atteindre des tolérances dimensionnelles acceptables. Les différences de productivité deviennent visibles lors de l'usinage de plusieurs surfaces. Les supports complexes pour l'aérospatiale bénéficient généralement d'un usinage sur 5 axes, tandis que les plaques et boîtiers simples restent souvent économiques sur les équipements à 3 axes.

Composants en acier inoxydable (304, 316)

Les matériaux génèrent des forces de coupe plus élevées, ce qui fait de la déflexion de l'outil un facteur critique. La capacité d'une machine 5 axes à réduire le porte-à-faux de l'outil améliore considérablement la stabilité dimensionnelle.

Composants en titane (Ti-6Al-4V)

Les alliages de titane concentrent la chaleur près du tranchant, des conditions de coupe stables sont donc essentielles. L'outillage plus court permis par le positionnement sur 5 axes aide à contrôler les vibrations et la charge de coupe, réduisant ainsi l'usure de l'outil et améliorant la cohérence pendant les longs cycles d'usinage.

Choisissez une machine 3 axes lorsque les pièces contiennent :

• Surfaces planes
• Murs verticaux
• Trous standards
• Usinage latéral limité

Exemples :Plaques de base, supports de montage et boîtiers standard.

Choisissez une machine 5 axes lorsque les pièces contiennent :

• Angles composés
• Surfaces de forme libre
• Cavités profondes
• Contre-dépouilles
• Exigences en matière d'usinage multiface-

Exemples :Roues aérospatiales, aubes de turbine, implants médicaux, noyaux de moules à injection et composants de joints robotiques.