Guide de conception de l'usinage CNC: maximiser vos résultats

L'usinage CNC est un processus de fabrication polyvalent qui permet de produire une large gamme de pièces avec une précision et une répétabilité élevées.Il s’agit d’un processus de fabrication essentiel pour produire des pièces complexes de haute précision pour diverses industries, notamment l’aérospatiale, l’automobile, la santé et l’électronique.

Mais voici le problème : atteindre la perfection dans l'usinage CNC n'est pas seulement une question de machines.C'est une forme d'art qui nécessite un sens aigu du design et une compréhension approfondie du processus.Dans ce guide, nous dévoilons les secrets de la conception de l'usinage CNC.Des meilleures pratiques générales aux conseils sur mesure pour différentes opérations CNC, nous expliquons comment sculpter vos conceptions pour des performances CNC optimales.Bienvenue à l'intersection de l'innovation et de la précision, où chaque ligne directrice que nous partageons est une étape vers l'excellence en matière de fabrication.

Qu’est-ce que l’usinage CNC ?

Dans l'usinage CNC, le développement d'une pièce passe du concept initial à la forme physique grâce à un processus précis et technologiquement avancé.Initialement, un concepteur CNC crée la conception à l'aide d'un logiciel de CAO avancé.Cette conception est ensuite convertie en G-code, le code directif des machines CNC.Suivant ce code, la machine CNC utilise des outils de coupe spécialisés pour sculpter méthodiquement la pièce à partir d'un bloc solide.

Les machines CNC comme les fraiseuses verticales et horizontales et les tours peuvent fonctionner sur différents axes.Pour créer des pièces relativement simples, les machines traditionnelles à 3 axes peuvent manipuler les pièces le long de trois axes linéaires (X, Y et Z).L'usinage 5 axes peut fonctionner le long des trois axes linéaires et autour de deux axes de rotation pour créer des composants plus complexes.

Le processus de fabrication subjectif permet la production de pièces complexes et de haute précision dans divers matériaux comme les métaux, les plastiques et les composites.De plus, il est rapide, automatisé, précis et évolutif, ce qui le rend applicable au prototypage, à la production unique et à la production à grande échelle.

Directives de conception CNC : conseils pour réduire les coûts

Comprendre ce qu'est l'usinage CNC constitue la base pour apprécier l'importance d'adhérer aux pratiques de conception.Ces pratiques sont essentielles pour réduire les coûts et maintenir un haut niveau de qualité et de précision.

Guides de conception communs pour l'usinage CNC

Évitez les surfaces non planes et à angle de dépouille

Les surfaces non planes et à angle de dépouille sont complexes et difficiles à usiner, ce qui peut entraîner des vitesses de coupe plus lentes, des temps d'usinage plus longs et une usure accrue des outils.De plus, ces surfaces peuvent rendre plus difficile l’obtention d’une qualité constante des pièces et d’une tolérance serrée.Pour éviter les surfaces non planes et à angle de dépouille dans votre conception :

• Utilisez une géométrie simple et plate autant que possible.
• Utilisez des congés et des rayons pour adoucir les angles vifs et réduire le nombre de surfaces complexes.
• Intégrez des angles de dépouille dans votre conception pour permettre un retrait facile de la matière et réduire l'usure des outils pendant l'usinage.

Augmenter la taille des congés internes

Les congés internes sont des coins arrondis ou des transitions au sein d'une pièce qui peuvent réduire les concentrations de contraintes et améliorer la résistance de la pièce.L'augmentation de la taille de ces congés améliorera la qualité et l'efficacité de l'opération d'usinage en :

• Réduire les efforts de coupe et l’usure des outils lors de l’usinage.
• Améliore l'élimination des copeaux et le flux de matière pendant la coupe.
• Réduire le risque de casse et d'usure prématurée des outils.
• Améliorer la finition de surface et la qualité des pièces.

Ajouter des contre-dépouilles aux angles vifs

Les contre-dépouilles sont des évidements ou des encoches dans les coins d'une pièce qui permettent un meilleur accès aux outils et un meilleur enlèvement de matière pendant l'usinage.Une conception de contre-dépouille optimisée pour l'usinage CNC :

• Réduisez les forces de coupe et l’usure des outils.
• Améliore l'élimination des copeaux et le flux de matière pendant la coupe.
• Réduisez le risque de casse et d’usure prématurée des outils.
• Améliorez la finition de surface et la qualité de la pièce.

Cependant, la création de contre-dépouilles peut s'avérer une tâche complexe et difficile, car elles peuvent être difficiles à atteindre à l'aide d'outils de coupe standard.De plus, des outils spécialisés ou un usinage multi-axes peuvent être nécessaires pour usiner les contre-dépouilles.Minimiser la taille et la complexité des contre-dépouilles peut aider à obtenir de meilleurs résultats.Les éléments suivants doivent être pris en considération lors de la conception des contre-dépouilles :

Utiliser des tolérances standard

Les tolérances standard garantissent que les pièces CNC finies répondent aux spécifications et aux exigences fonctionnelles souhaitées.Des tolérances trop serrées peuvent augmenter le coût et le temps d’usinage.

En spécifiant les tolérances d'usinage CNC standard, les fabricants peuvent réduire le besoin d'opérations secondaires et améliorer l'efficacité globale du processus d'usinage.

Texte et lettrage

Lors de la création de texte ou de lettrage, l'outil doit être capable de maintenir une largeur, une hauteur et un espacement constants tout au long du processus d'usinage.Toute variation de ces facteurs peut aboutir à un produit final qui ne répond pas aux spécifications de conception.

Vous devez tenir compte de la police et de la taille du texte ou des lettres.Les textes trop petits peuvent être difficiles à lire ou peuvent ne pas répondre aux spécifications souhaitées, tandis que les textes trop grands peuvent provoquer une déviation de l'outil ou affecter l'exactitude et la précision du processus d'usinage.Pour relever ces défis, quelques bonnes pratiques de conception recommandées par les ingénieurs et les concepteurs :

• Utiliser des polices standards bien adaptées au processus d’usinage
• Évitez les lettrages trop complexes ou trop fins
• Spécifiez une taille de police plus grande
• Optez pour une police avec une largeur, une hauteur et un espacement plus cohérents
• Considérez attentivement l'orientation du texte par rapport à la pièce
• Ajustez l'outil en conséquence pour maintenir une hauteur, un espacement et une vitesse de coupe constants.

Taille de la pièce

Les machines CNC ont des capacités variables en fonction de leur taille et de leur capacité.Certaines machines peuvent être trop petites pour accueillir de grandes pièces, tandis que d'autres peuvent ne pas être en mesure de gérer des pièces trop petites.En conséquence, les pièces à concevoir doivent soigneusement prendre en compte leur taille et choisir la machine appropriée en conséquence.

Outre la taille de la machine, la taille des pièces peut également avoir un impact sur la vitesse du processus d'usinage.Les pièces plus grandes nécessitent un temps d'usinage plus long et des coûts de production plus élevés, car les ingénieurs doivent retirer plus de matière pendant l'usinage que les pièces plus petites.

Choisissez un matériau plus doux

Les matériaux plus tendres sont plus faciles à usiner, ce qui entraîne des vitesses de coupe plus rapides, une usure réduite des outils et des temps et coûts d'usinage réduits.De plus, ils sont moins sujets aux fissures ou à la déformation pendant le processus d'usinage, ce qui améliore la qualité des pièces et réduit le temps de traitement après usinage.Néanmoins, ne choisissez un matériau souple que si l’usage prévu et l’application finale du produit le permettent.

Minimiser les changements d'outils et les configurations de serrage

Un besoin plus élevé de changements d'outils et de configurations de maintien de la pièce au cours d'un cycle d'usinage entraînera un processus long et coûteux.Vous pouvez prendre en compte les conseils suivants pour minimiser les modifications et les configurations d’outils :

• Les pièces présentant des caractéristiques et des géométries similaires peuvent être usinées CNC à l'aide d'un seul outil de coupe.
• Réduisez les configurations requises en concevant des pièces avec des orientations cohérentes ou en utilisant des luminaires modulaires pouvant accueillir plusieurs pièces.
• Utilisez des outils de coupe multifonctionnels capables d’effectuer plusieurs opérations avec un seul changement d’outil.

Pour les pièces de fraisage CNC

Rester disponibleOutils de coupe CNCà l'esprit

L'optimisation des pièces CNC pour réduire les coûts et les délais de livraison implique d'aligner les conceptions sur les capacités des outils de fraisage CNC standard.En choisissant des conceptions conformes aux tailles et aux capacités de ces outils standard, le besoin d'outils personnalisés ou spécialisés peut être considérablement réduit.

Un exemple pratique est la conception des congés internes.Il est conseillé d'éviter les spécifications qui nécessitent un rayon inférieur à celui que les outils de coupe CNC standard peuvent accepter.La création de telles fonctionnalités nécessite de passer à des outils plus petits, éventuellement personnalisés, ce qui pourrait entraîner une augmentation du temps et des coûts qui pourraient ne pas justifier les avantages.Par conséquent, rester dans les limites des capacités des outils standard est une considération clé pour une production efficace de pièces CNC.

Évitez les coins internes pointus

Le fraisage CNC présente des limites inhérentes, dont l'incapacité à créer des angles internes nets.Cette limitation provient de la forme ronde des outils de fraisage CNC.Pour y parvenir, les ingénieurs utilisent souvent des coins arrondis dans leurs conceptions.Le rayon de ces coins doit être au moins la moitié du diamètre de la fraise.Par exemple, avec une fraise de 1/4", le rayon minimum des congés ne doit pas être inférieur à 1/8".

Pour relever le défi des exigences en matière d'angles vifs dans les pièces, des approches de conception spécifiques sont utilisées.Ceux-ci inclus:

• Percer des trous pour « casser » les coins.
• Permet aux arêtes vives de s'insérer dans la cavité.
• Utilisation de congés lorsque des surfaces inclinées ou dépouillées rencontrent des murs verticaux ou des arêtes vives.
• L'utilisation de fraises carrées ou sphériques entraînera toujours de la matière entre le mur et la surface, sauf si la surface est plate et normale à l'outil.

Évitez les fentes ou les poches profondes et étroites

Une bonne pratique de conception est que la profondeur de coupe finale ne doit pas dépasser certains rapports basés sur le matériau à usiner.Par exemple, pour les plastiques, le rapport ne doit pas être supérieur à 15 fois le diamètre de la fraise, l'aluminium ne doit pas dépasser 10 fois et la limite pour l'acier est de 5 fois.En effet, les outils plus longs sont plus sensibles à la déflexion et aux vibrations, entraînant des imperfections de surface.

De plus, le rayon de congé interne dépend également du diamètre de l'outil de coupe.Si une fente de 0,55" de large pour une pièce en acier doit être usinée CNC à l'aide d'une fraise en bout de 0,5", la profondeur ne doit pas dépasser 2,75".De plus, les fraises en bout à rapport longueur/diamètre élevé peuvent être plus difficiles à obtenir.Par conséquent, il est conseillé soit de diminuer la profondeur de la fente ou de l’élément, soit d’augmenter le diamètre de l’outil de coupe.

Concevez le plus grand rayon interne autorisé

La taille de l'outil de coupe utilisé dans les fraiseuses CNC doit être prise en compte lors de la phase de conception.Une fraise plus grande enlève plus de matière en un seul passage, réduisant ainsi le temps et les coûts d'usinage.

Pour profiter pleinement des capacités des fraises plus grandes, concevez vos coins internes et congés avec le plus grand rayon possible, de préférence supérieur à 0,8 mm.

Une astuce supplémentaire consiste à rendre les congés légèrement plus grands que le rayon de la fraise, par exemple un rayon de 3,3 mm au lieu de 3,175 mm.Cela crée un chemin de coupe plus fluide et produit une finition plus fine sur votre pièce usinée.

Choisissez l'épaisseur appropriée

Il est important de noter que les parois minces des pièces peuvent créer des défis importants dans le processus d'usinage, notamment en termes de maintien de la rigidité et de précision des dimensions.Pour éviter ces difficultés, vous pouvez concevoir des murs d'une épaisseur minimale de 0,25 mm pour les composants métalliques et de 0,50 mm pour les pièces en plastique car ils peuvent résister aux rigueurs du processus de fabrication.

Pour les pièces de tournage CNC

Évitez les coins internes pointus

Les coins internes et externes pointus dans la conception d'une pièce peuvent constituer un défi lors de l'usinage.Pour surmonter ce problème, il est recommandé de :

• Avoir des coins internes arrondis, offrant une transition progressive pour que l'outil se déplace en douceur.
• Incorporez un léger angle dans les parois latérales abruptes pour éliminer les coins internes pointus.
• Simplifiez le processus d'usinage en réduisant le nombre d'opérations nécessaires avec un seul outil.

Évitez les pièces tournées longues et fines

L'instabilité est une préoccupation courante lorsqu'il s'agit de pièces longues et finement tournées.La pièce en rotation peut facilement claquer contre l’outil, créant ainsi une finition imparfaite.Pour lutter contre ce problème, utilisez les conseils de conception CNC suivants.

• Incorporez un foret à centrer à l'extrémité et utilisez un centre pour maintenir la pièce en rotation de manière droite.
• Maintenez le rapport longueur/diamètre égal ou inférieur à 8:1 pour minimiser le risque d'instabilité pendant l'usinage.

Évitez les murs minces

Lors d'une opération de tournage CNC, soyez conscient de la quantité de matière à usiner.Un usinage excessif peut entraîner une contrainte excessive sur la pièce, tandis que des parois minces peuvent entraîner une diminution de la rigidité et des difficultés à maintenir des tolérances serrées.

À titre indicatif, l'épaisseur de paroi des pièces tournées doit être d'au moins 0,02 pouce pour garantir la stabilité et la précision pendant le processus de fabrication.

Pour le perçage de pièces

Profondeur de trou optimale

La profondeur idéale d’un trou percé doit équilibrer la stabilité de l’outil et la résistance du matériau usiné.Un perçage trop profond peut entraîner un joint faible et réduire la puissance de maintien des vis, tandis qu'un perçage trop profond peut provoquer la rupture ou la flexion du foret, entraînant une mauvaise précision et une mauvaise finition de surface.

Pour déterminer la profondeur de trou optimale, vous devez tenir compte de la taille du foret, de la dureté et de l'épaisseur du matériau, de la résistance requise pour l'application prévue et de la stabilité globale de la configuration de la machine.Il est recommandé de percer le trou juste assez profondément pour accueillir la vis ou la fixation, en laissant un peu de matériau pour le support.Si une fraise est nécessaire, le trou doit être percé plus profondément pour permettre la fraisure.

Distinguer les trous traversants et les trous borgnes

Il est important de comprendre la différence entre les trous débouchants et les trous borgnes, car ils nécessitent tous deux des techniques et des outils de forage différents.

Un trou traversant est un trou qui traverse entièrement la pièce d’une extrémité à l’autre.Il est généralement plus facile à produire, car le foret doit entrer et sortir de la pièce par des côtés opposés.Les trous traversants sont applicables à la fixation, au montage et au routage de composants électriques et mécaniques.

Les trous borgnes, en revanche, ne traversent pas complètement la pièce et s'arrêtent à une profondeur spécifique.Ils sont applicables pour créer des cavités, des évidements ou des poches dans la pièce et sont généralement plus difficiles à produire que des trous débouchants.Les trous borgnes nécessitent des forets CNC spéciaux et des vitesses de coupe pour garantir que le tranchant ne traverse pas le bas de la pièce.

Évitez les trous partiels

Un trou partiel se produit lorsque le foret ne pénètre pas complètement dans le matériau et peut être causé par divers facteurs tels que la rupture du foret, une sélection incorrecte du foret ou des paramètres incorrects tels que la vitesse, l'avance et la profondeur de coupe.Par conséquent, vous devez sélectionner le bon foret, maintenir les bons paramètres et utiliser du liquide de refroidissement pour dissiper la chaleur.

Évitez de percer des cavités

Lors du perçage, gardez à l’esprit que l’intersection de trous avec des cavités existantes dans des pièces peut compromettre son intégrité structurelle.Vous pouvez éviter cela en éloignant les pointes de forage des cavités existantes.Cependant, si le trou percé doit traverser la cavité, une pratique de travail consiste à s'assurer que son axe central ne le coupe pas pour maintenir la stabilité de la pièce.

Taille de foret standard de conception

Optimisez votre conception pour des tailles de forets standard afin d'économiser du temps et de l'argent, et permettez aux ateliers d'usinage de produire plus facilement votre pièce sans avoir besoin d'outils personnalisés coûteux.

Envisagez d'utiliser une taille de foret standard comme 0,12" au lieu d'une taille plus précise mais moins courante comme 0,123".Essayez également de limiter le nombre de tailles de forets différentes utilisées dans votre conception CNC, car plusieurs tailles augmentent le temps et les efforts requis pour les changements d'outils pendant le processus d'usinage.

Spécifier les trous filetés

Un trou fileté permet la fixation de boulons, vis et autres fixations filetées.Assurez-vous de spécifier la profondeur correcte du filetage afin que la fixation filetée ait suffisamment d'engagement pour maintenir la pièce ensemble.Plus le fil est profond, plus la fixation est forte.

Le type de matériau peut affecter le type de fil.D'une part, les matériaux souples peuvent nécessiter un filetage moins profond.En revanche, les matériaux plus durs peuvent nécessiter un filetage plus profond.

Lorsque vous spécifiez des trous filetés dans un dessin, utilisez des légendes de filetage claires et précises pour garantir la norme, le pas et la profondeur de filetage corrects.Assurez-vous d'avoir suffisamment d'espace libre pour l'installation et le retrait de la fixation filetée sans coincer ni dénuder le filetage.

Évitez les robinets profonds

Un autre conseil crucial pour obtenir des résultats exacts et précis est d’éviter les tapotements profonds.Plus le robinet est long, plus il risque de vibrer et de bouger pendant son fonctionnement, entraînant des imperfections dans le produit final.Un robinet qui dépasse 3 fois son diamètre est profond et peut poser un défi de taille.

Cependant, dans de nombreux cas, même un taraud dont le diamètre est 1,5 fois supérieur fournira un engagement suffisant du filetage, éliminant ainsi le besoin d'un taraud profond.L'utilisation de tarauds profonds augmente le risque de casse d'outil, de filetages défectueux et de diminution de la précision, ce qui en fait un aspect indésirable de la conception d'usinage CNC.