Qu'est-ce que l'usinage CNC à 5 axes? Tout ce que vous devez savoir
L'usinage à 5 axes est l'un des plus avancésfabrication soustractive processus disponibles aujourd'hui. En contrôlant simultanément 5 axes de mouvement, il atteint une efficacité inégalée dans la coupe de géométries complexes. Contrairement aux machines classiques à 3 axes, le CNC à 5 axes permet la rotation multi-angulaire de l'outil ou de la pièce, réduisant drastiquement les changements de configuration et offrant un usinage unique de haute précision.
Qu'est-ce que usinage 5 axes?
L'usinage à cinq axes combine trois axes linéaires (X, Y et Z) avec deux axes de rotation, permettant aux outils de coupe de se déplacer simultanément le long de cinq axes différents, permettant la production de pièces très complexes avec des configurations minimales.
Le principal avantage réside dans la flexibilité dynamique. Le mouvement synchronisé de 5 axes, y compris les axes linéaires X, Y et Z avec axes rotatifs A/B et C, permet à l'outil de coupe d'approcher la pièce à l'angle optimal, améliorant la finition de surface tout en prolongant la durée de vie de l'outil. Pour les pièces nécessitant des découpes, des surfaces contournées ou des géométries complexes,CNC à 5 axes non seulement raccourcit les cycles de production, mais élimine également les erreurs cumulatives lors du repositionnement, faisant de l’usinage complet une réalité.
Pour mieux comprendre les axes d’une fraise à 5 axes, définissons d’abord le nombre d’axes d’usinage. Le nombre d'axes dans l'usinage CNC se réfère au nombre de directions dans lesquelles l'outil de coupe ou la pièce de travail peut se déplacer pour former le produit final. Les machines CNC conventionnelles ont généralement trois axes (X, Y et Z), permettant le mouvement dans trois directions: aller-retour sur l'axe Z, verticalement sur l'axe Y et latéralement sur l'axe X.
L'usinage à cinq axes améliore cette fonctionnalité en incorporant deux axes de rotation supplémentaires. Ces axes de rotation peuvent être configurés de différentes manières, ce qui se traduit par deux configurations communes: AC à 5 axes et BC à 5 axes.
- Configuration AC 5 axesDans cette configuration, l'axe A incline la table de travail, tandis que l'axe C la fait tourner autour de l'axe Z. Cette configuration est couramment trouvée dans les machines à 5 axes de style trunnion, où la table d'inclinaison offre une plus grande flexibilité dans l'usinage de géométries complexes.
- BC Configuration à 5 axesDans cette configuration, l'axe B incline la broche de l'outil au lieu de la table de travail, tandis que l'axe C assure la rotation autour de l'axe Z. Cette configuration est généralement observée dans les machines à 5 axes tête-tête, offrant une meilleure accessibilité pour l'usinage de pièces grandes ou lourdes puisque la pièce reste principalement stationnaire.
Avec ces axes de rotation supplémentaires, les machines à 5 axes permettent un usinage plus précis et efficace par rapport aux configurations traditionnelles à 3 axes CNC ou même à 4 axes CNC. Ces machines sont idéales pour créer des géométries et des caractéristiques complexes avec un repositionnement minimal, ce qui les rend très précieuses dans les industries aérospatiales, automobiles et médicales.
Qu'est-ce que le "5" dans l'axe 5 représente?
Le 5 en 5 axes fait référence au fait que les machines utilisées pour l'usinage 5 axes ajoutent deux axes supplémentaires aux trois axes standard - X, Y et Z - pour un total de cinq axes. A tourne autour de l'axe X, l'axe B tourne autour de l'axe Y et l'axe C tourne autour de l'axe Z.
Voici un tableau expliquant chaque axe :
| Axe | Mouvement |
| X | Gauche et droite (mouvement horizontal) |
| Y | Avant et arrière (mouvement de profondeur) |
| Z | Haut et bas (mouvement vertical) |
| Un | Rotation autour de l'axe X |
| C. B | Rotation autour de l'axe Y |
| C | Rotation autour de l'axe Z |
Le CNC à 5 axes AC ou le CNC à 5 axes BC est disponible.
5 axes – Configurations possibles
L'un des trois axes de rotation de la fraise CNC à 5 axes sera utilisé en fonction de la configuration choisie. Une machine de style trunnion et une machine de style rotatif sont les deux configurations principales.
Les axes A et C d'une fraise CNC à 5 axes de type tronçon tournent autour des axes X et Z respectivement, tandis qu'une fraise CNC à 5 axes de type rotatif tourne autour des axes B et C autour des axes Y et Z respectivement.
La principale distinction entre les deux est la façon dont les axes rotatifs sont exprimés: le style rotatif de la fraise CNC à 5 axes exprime les axes rotatifs par le pivotement de la broche, tandis que le type tronçon déplace la table. Puisque chacun a des avantages, le choix de celui à utiliser dépend principalement de la tâche à accomplir. Voici un tableau montrant les configurations possibles à 5 axes:
| Configuration | Axes rotatifs | Description | Les avantages | Inconvenients |
| Style Trunnion | L'axe A tourne autour de l'axe X, l'axe C tourne autour de l'axe Z. | La table se déplace pour réaliser un mouvement de 5 axes tandis que la broche reste fixe. | Configuration plus rigide, meilleure pour la coupe lourde, et prend en charge des pièces plus grandes. | Le mouvement de la table limite la capacité de poids et peut nécessiter plus d'espace. |
| Style pivotant-tournant | L'axe B tourne autour de l'axe Y, l'axe C tourne autour de l'axe Z. | La broche pivote pour réaliser un mouvement de 5 axes tandis que la table reste principalement fixe. | Manipule des pièces plus lourdes puisque la table reste stationnaire, permettant des conceptions plus compactes. | Moins rigide que les machines de type trunnion, ce qui entraîne des problèmes potentiels de vibration lors de la coupe lourde. |
Comment fonctionne une machine CNC à 5 axes?
Une machine CNC à 5 axes fonctionne avec une efficacité et une précision élevées, nécessitant une participation humaine minimale après la mise en place. La machine utilise des outils de coupe rotatifs pour façonner le matériau placé sur sa plaque. Voici une ventilation étendue de la façon dont il fonctionne:
Créer une conception CAD de la pièce
La première étape de l'usinage CNC à 5 axes consiste à concevoir une pièce dans un programme CAD (Computer-Aided Design). Cela permet aux ingénieurs et aux concepteurs de visualiser la forme, la taille et la structure des pièces en 3D et de faire les ajustements nécessaires avant l'usinage réel. Le modèle CAO sert de schéma numérique pour la pièce à fabriquer.
Convertir la conception CAO en logiciel CAM
Le logiciel CAM (Computer-Aided Manufacturing) prend la conception CAO numérique et génère le chemin d'outillage nécessaire pour que la machine suive. Le logiciel optimise les mouvements, garantissant que la machine effectue les coupes efficacement tout en minimisant le gaspillage de matériaux et le temps d'usinage.
Génération du G-Code
Le logiciel CAM convertit les données de trajet d'outil en G-code, un ensemble d'instructions alphanumériques qui guident la machine CNC sur la façon de se déplacer. Le code G dicte tout, de la vitesse, de la trajectoire et de la vitesse d’alimentation de l’outil à l’outil de coupe spécifique à utiliser pour chaque phase d’usinage. Ce code est crucial car il permet à la machine CNC à 5 axes d'effectuer des coupes précises sur des géométries complexes.
Téléchargement du code G sur la machine CNC à 5 axes
Une fois que le code G est prêt, il est téléchargé sur la machine CNC à 5 axes. Le code G sert de guide à la machine, lui indiquant comment exécuter les mouvements précis nécessaires pour façonner la pièce. G-code gère la rotation simultanée de plusieurs axes, permettant à l'outil d'approcher la pièce de travail sous différents angles.
Positionnement du matériau sur la plaque
La dernière étape dans la préparation de la machine CNC à 5 axes consiste à positionner correctement le matériau sur la plaque de la machine. Fixement sécurisé en place pour éviter tout mouvement et toute inexactitude ou défaut de pièce pendant le processus d'usinage. Cette étape peut impliquer l'utilisation de jigs ou accessoires pour maintenir le matériau fermement.
Une fois tout mis en place, la machine CNC à 5 axes commence à usiner selon les instructions du code G. À chaque coupe, la machine ajuste la position et l'orientation de l'outil et de la pièce, créant des pièces très détaillées et complexes avec un haut degré de précision.
Avantages de l'usinage à 5 axes
Il existe différents avantages de l'usinage à 5 axes et certains d'entre eux comprennent:
Opérations de mise en place efficaces
Une machine CNC à 5 axes est moins compliquée qu'une machine CNC à 3 axes en termes de configuration. Pour les machines CNC à 5 axes peuvent travailler sur cinq surfaces simultanément. En outre, les machines à 5 axes peuvent produire des pièces de formes complexes et courbes en une seule configuration. En revanche, les machines standard à 3 axes nécessitent plusieurs configurations pour usiner des pièces avec des courbes ou des faces multiples.
Pour une machine à 3 axes, vous avez besoin d'outils de coupe différents pour chaque face, comme des fraises d'extrémité ou des coupes à nez à billes, et de repositionner la pièce à chaque fois pour usiner différents angles. Cela nécessite des dispositifs de maintien de travail pour sécuriser la pièce dans chaque nouvelle orientation, ce qui augmente le temps de mise en place et le risque de désalignement. En revanche, une machine à 5 axes peut effectuer toutes les coupes sans repositionner la pièce, améliorant ainsi la précision et l'efficacité.
Formes complexes de machines
L'usinage à 5 axes présente plusieurs avantages par rapport à l'usinage à 3 axes et à 4 axes, y compris la capacité de produire des pièces complexes. C’est pourquoi l’usinage à 5 axes est de plus en plus répandu dans la fabrication moderne.
L'amélioration de la gamme de mouvement et de l'emplacement des outils de coupe des machines à 5 axes signifie une flexibilité supplémentaire, une plus grande précision et une précision dans les capacités d'usinage CNC pour des conceptions complexes, qui seraient difficiles ou impossibles avec des méthodes de production standard.
Haute précision et répétibilité
L'usinage manuel nécessite souvent des paramètres supplémentaires pour assurer un usinage optimal. Ces paramètres peuvent inclure le recalibrage de la machine, le repositionnement manuel de la pièce entre coupes ou l'ajustement de l'outil pour chaque nouvelle opération. Ces étapes, bien que nécessaires pour l'usinage manuel, peuvent entraîner des variabilités de conception et des erreurs dues à l'implication humaine ou à un mal-alignement lors du repositionnement.
En revanche, la coupe CNC à 5 axes nécessite moins de réglages parce que la machine peut ajuster simultanément l'outil de coupe et l'orientation de la pièce. Cela réduit considérablement le risque d'erreurs et maintient la précision tout au long du processus. En outre, la plupart des machines CNC modernes à 5 axes repositionnent automatiquement la pièce et ajustent l'orientation de l'outil, sans intervention humaine lors de la fraisage, assurant des tolérances d'usinage plus serrées et des résultats plus cohérents.
Les machines CNC à 5 axes peuvent généralement atteindre des tolérances de ± 0,001 mm ou encore plus serré, en fonction de la précision de la machine et de la complexité de la pièce. Dans certains cas, des outils de coupe plus courts sur une machine à 5 axes peuvent également améliorer la longévité et la répétabilité de l'outil, car ces outils ont moins de déflection et maintiennent des conditions de coupe plus stables.
Configuration unique
Plusieurs configurations de machines sont nécessaires pour fabriquer des géométries complexes. Par rapport aux machines à 3 axes, les machines CNC à 5 axes ont cinq axes, une seule fois configurée pour votre pièce de travail est nécessaire. La machine traitera toutes les opérations d'usinage nécessaires pour fabriquer le produit souhaité.
La nature d'installation unique des machines CNC à 5 axes permet des pièces compliquées rapidement, des coûts plus bas et moins de défaillances courantes dans les machines CNC traditionnelles.
Efficacité de production élevée
Avec beaucoup moins de temps d'usinage et de temps auxiliaire, l'usinage à 5 axes implique une large gamme de vitesses de broche et de vitesses d'alimentation, permettant à la machine une puissante capacité de coupe énorme. CNC à 5 axes entre dans une nouvelle ère d'usinage à grande vitesse. Le déplacement et le positionnement rapides de l'usinage à 5 axes, ainsi que le traitement de coupe à grande vitesse, raccourcissent le temps de transformation des semi-produits.
Finition de surface de qualité
Les axes supplémentaires se traduisent par une finition de surface plus fine sur une machine CNC à 5 axes. Ces axes supplémentaires rapprochent les composants de l'outil de coupe, facilitant ainsi la réalisation des formes souhaitées. Il permet également une utilisation plus courte des outils d'usinage.
Il y a peu ou pas de vibrations avec des outils de coupe plus courts, ce qui réduit les risques de marques sur la surface des pièces. En outre, avec l'usinage vertical, l'utilisation de la broche pour les surfaces inclinées à la fraise est plus efficace.
Inconvénients de l'usinage CNC à 5 axes
Le 5-axe présente plusieurs avantages et est très important dans la fabrication de pièces. Cependant, tout n'est pas rosé avec l'usinage à 5 axes puisque certains inconvénients existent. Voici les inconvénients de l'usinage 5 axes:
Augmentation des coûts
Une machine CNC à 5 axes est nettement plus coûteuse qu'une machine à 3 axes. Il en va de même avec le logiciel nécessaire pour faire fonctionner une machine. En outre, il est plus compliqué d'entretenir une machine CNC à 5 axes qu'une machine CNC. En conséquence, l'un des plus grands inconvénients des machines CNC à 5 axes est le coût.
Complexité de programmation
Les machines à 3 axes diffèrent des machines à 5 axes en programmation en raison de deux mouvements de rotation supplémentaires, qui compliquent la trajectoire du mouvement synthétique.
Pour minimiser les collisions et les interférences, il est nécessaire de tenir compte du mouvement distinct de chaque axe lors de la programmation des 5 axes.
Un niveau élevé de compétence de l'opérateur est requis
L'usinage CNC à 5 axes utilise des technologies de pointe. Un opérateur technique hautement qualifié est nécessaire pour tirer le meilleur parti de l'équipement. L'embauche d'un opérateur hautement qualifié, d'autre part, augmente les coûts de main-d'œuvre.
Types de machines CNC à 5 axes
Les machines à 5 axes peuvent améliorer l'efficacité et l'évolutivité de l'usinage. Pour répondre aux besoins de l'industrie manufacturière, ces centres d'usinage peuvent être de nombreux types. Il existe trois types principaux de machines CNC à 5 axes:
Tête/Tête
Les axes de rotation sont situés dans la tête des machines tête/tête. Leur sommet à 5 axes est monté sur une plateforme qui se déplace à travers une table de travail stationnaire tout en tenant la pièce en position. En conséquence, il n'y aura pas d'interférence d'outil sur la tête de broche de la machine.
Cela augmente la capacité du sommet à se déplacer autour d’une pièce, ce qui le rend approprié pour créer des pièces massives et lourdes. La table de la machine peut résister à de gros poids sans compromettre la précision des as de rotation. Cependant, l'architecture de ces dispositifs restreint leurs mouvements d'axes rotatifs.
Tête/Table
La configuration machine tête/table comporte un axe de rotation dans la tête et un dans la table rotative. Leur axe rotatif est situé dans le cerveau et a une portée limitée. L'arbre rotatif, par contre, a une portée plus grande (infinie) et est positionné dans la table.
Cette configuration est avantageuse puisqu'elle peut faire tourner indéfiniment la pièce. Cependant, il y a une quantité limitée de pièces parce que l'axe rotatif soutient la pièce.
Tableau/Tableau
Les axes rotatifs des machines à 5 axes sont situés à l’intérieur de la table dans cette configuration. En conséquence, toutes les rotations se produisent sur la table et la tête ne bouge pas. La conception de ces machines les rend idéales pour couper les sous-coupes. En outre, parce que la tête ne tourne pas, les machinistes peuvent immédiatement observer le processus de coupe lors de l'étape de programmation.
Cependant, la configuration de la machine pourrait être meilleure pour Fraisage CNC ou tournage CNC gros ou lourds composants en raison de l’incapacité de la table à supporter un poids excessif.
| Type de machine | Description | Les avantages | Inconvenients |
| Tête/Tête | Les axes de rotation sont dans la tête, et la broche se déplace tandis que la pièce reste stationnaire sur la table. | Aucune interférence de l'outil sur la tête de broche, adapté pour de grandes pièces lourdes, et maintient la précision sous des charges lourdes. | Mouvement limité de l'axe de rotation en raison de la conception de la machine. |
| Tête/Table | Un axe de rotation est dans la tête, et l'autre est dans la table rotative. La table permet une rotation infinie, tandis que la tête a une portée limitée. | Rotation infinie de la pièce, flexible pour différentes tailles de pièces. | Capacité limitée de taille de pièce puisque l'axe rotatif doit supporter la pièce à travailler. |
| Tableau/Tableau | Les deux axes de rotation sont situés dans la table, tandis que la tête reste stationnaire. | Idéal pour couper les sous-coupes et permet aux machinistes d'observer les coupes pendant la programmation. | Pas adapté pour l'usinage de gros ou lourds composants, car la table a des limitations de poids. |
Quel type de pièces peuvent être usinées à l'aide d'un centre d'usinage à 5 axes?
L'usinage CNC à 5 axes produit une large gamme de produits. Ces pièces ont souvent des géométries complexes et des designs complexes. Voici quelques exemples de pièces d'usinage à 5 axes:
Pièces en forme spéciale
Les pièces de forme irrégulière sont appelées pièces de forme unique. Les pièces ont un mélange de points, de surfaces et de lignes, par exemple. En raison des difficultés à contrôler la pression de serrage pendant le processus, il est difficile ou presque impossible de couper de telles pièces par usinage conventionnel. Cependant, l'usinage à 5 axes, avec un point multi-station, facilite l'usinage.
En raison du serrage répété et de l'alignement requis, il est relativement difficile pour les machines d'usinage standard d'usiner des pièces en forme de boîte. Une machine à 5 axes peut travailler sur de nombreuses surfaces à la fois, ce qui rend plus facile et plus flexible la production de pièces en forme de boîte de plus grande précision.
Pièces de type boîte
En raison du serrage et de l'alignement répétés nécessaires, il est difficile d'utiliser des équipements d'usinage standard sur des articles en forme de boîte. La capacité d'une machine à 5 axes de travailler simultanément sur de nombreuses surfaces facilite la production de pièces en forme de boîte de plus grande précision.
Pièces de disque
L'usinage CNC à 5 axes est également parfait pour l'usinage de pièces UAV. Il est idéal pour couper des pièces de plaque et des plates, en particulier ceux avec des trous de distribution à la face d'extrémité ou des trous radiaux. Il convient également à la production de couvertures de moteurs de machines. Il est important de noter que soit un centre d'usinage horizontal ou vertical; est utilisé lors du choix de l'usinage CNC à 5 axes. La direction exacte du trou détermine le centre d'usinage sélectionné.
Pièces de surface complexes
Les pièces de surface complexes sont courantes dans plusieurs industries, telles que l'aviation, l'aérospatial et l'électronique. Il est difficile d'atteindre cette surface complexe avec l'équipement standard de machines CNC. Les surfaces sphériques, les pales des moteurs à turbine, les hélices marines, les roues et d'autres surfaces compliquées produites par usinage à 5 axes sont des exemples.
Applications d'usinage CNC à 5 axes
En raison de son efficacité et de sa capacité à manipuler des formes complexes, l'usinage CNC à 5 axes peut être utilisé dans une variété d'industries. Voici quelques exemples ci-dessous :
- MédicalLa technologie d'usinage CNC à 5 axes est largement utilisée pour fabriquer des implants orthopédiques tels que des articulations artificielles, des vis osseuses et des vis spinales.
- Équipement énergétique – Il produit prototypage rapide et des pièces complexes telles que les pales d'éoliennes et les pales de compresseurs. Ces pièces ont généralement des formes géométriques complexes et des exigences dimensionnelles strictes.
- Aérospatiale – Les composants tels que les pales de turbine, les disques, les roues, les boîtiers, ainsi que les poutres d’ailes, les cadres et les nervures des corps d’avions sont extrêmement complexes en forme. Les machines à cinq axes peuvent réaliser un usinage multi-axes, usinant avec précision ces surfaces complexes et pièces 3D pour assurer une haute précision et qualité.
- Automobile- La technologie d'usinage CNC à 5 axes est utilisée pour fabriquer des composants critiques tels que des blocs moteurs, des têtes de cylindres, des vilebrequins et des bielles.
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Conclusion
Maintenant que vous avez une compréhension approfondie de l'usinage CNC à 5 axes. Il est maintenant temps de prendre le contrôle de votre expérience de fabrication.
Les machines CNC à cinq axes augmentent la précision et la précision, accélèrent et réduisent les coûts de fabrication et rationalisent les processus de fabrication. Cependant, ils ne sont pas parfaits pour tous les designs. Par exemple, les découpes, trous et cavités précises pourraient être mieux adaptées et plus abordables pour les machines CNC à 3 ou 4 axes.
Questions fréquentes
Q1: Pourquoi opter pour l'usinage CNC à 5 axes sur l'impression 3D?
L'usinage CNC à 5 axes offre une plus grande précision, polyvalence des matériaux et efficacité par rapport à l'impression 3D.
Bien que l'impression 3D soit excellente pour la production de pièces complexes et de formes spéciales, elle manque de la précision et de la qualité de surface que l'usinage CNC à 5 axes peut atteindre.
L'usinage CNC fonctionne bien avec les plastiques et les métaux, tandis que l'impression 3D est principalement adaptée pour les plastiques et certains métaux.
En outre, l'usinage à 5 axes est plus adapté à la production à la demande car il offre des temps de tournage plus rapides et des pièces plus solides.
Contrairement aux composants imprimés en 3D qui peuvent souffrir d'une faible liaison de couche, les pièces usinées par CNC sont coupées à partir d'un bloc solide, assurant une intégrité structurelle supérieure.
Q2: Quelle est la principale différence entre l'usinage CNC à 5 axes et l'usinage CNC à 3 + 2 axes?
La principale différence réside dans le mouvement de l'outil de coupe. Dans l'usinage CNC à 5 axes, l'outil se déplace en continu le long de cinq axes, permettant un usinage de surface lisse et complexe avec un repositionnement minimal. Cette méthode est idéale pour les pièces de haute précision avec des géométries complexes.
En revanche, l'usinage CNC 3+2 axes verrouille l'outil dans une position fixe et inclinée avant le début de la coupe. Bien qu'il permet l'accès à plusieurs faces d'une pièce, il n'offre pas de mouvement continu, ce qui le rend moins efficace pour les surfaces complexes et de forme libre.
Q3: Combien d'axes peut un CNC avoir?
Un objet tridimensionnel a six faces, et une machine CNC à 5 axes peut traiter le plus de faces en une seule configuration. Il existe des machines à plus de cinq axes, telles que les machines CNC à 6 axes et à 7 axes, mais elles nécessitent une programmation plus complexe et sont généralement inutiles pour la plupart des applications. L'ajout de plus d'axes augmente le contrôle de la machine, mais conduit souvent à une diminution des rendements en termes d'efficacité et de rentabilité. Pour la plupart des tâches d'usinage de précision, la technologie 5 axes reste l'équilibre optimal entre capacité et pratique.
