Comme tout autre procédé de fabrication, le fraisage CNC exige une application rigoureuse des principes de conception pour la fabrication (DfM). Bien que les fraiseuses CNC — et, à plus forte raison, les centres d'usinage 5 axes — puissent produire une vaste gamme de pièces dans divers métaux et plastiques, certaines contraintes de conception doivent être respectées pour garantir la qualité des pièces.
La conception de pièces pour le fraisage CNC diffère de celle de pièces pour le moulage par injection ou l'extrusion. Elle diffère même de la conception de pièces pour le tournage CNC. Par conséquent, les spécialistes CAO doivent se familiariser avec les limitations physiques du procédé avant de concevoir des pièces dont la fabrication pratique est impossible.
Heureusement, nos directives de conception pour les pièces usinées CNC sont relativement simples, et tant que ces directives sont respectées, vos pièces passeront l'inspection sans problème.
Qu'est-ce que le fraisage CNC?
Le fraisage CNC est l'une des principales formes d' usinage CNC , les autres étant le tournage et le perçage CNC. Le fraisage CNC se distingue par l'utilisation de fraises rotatives dont les arêtes vives permettent d'enlever de la matière de la pièce. À l'inverse, le tournage CNC consiste à faire tourner la pièce, et le perçage est exclusivement utilisé pour réaliser des trous.
Grâce à la vaste gamme d'outils de coupe utilisables , les fraiseuses permettent de réaliser une grande variété d'opérations . Fraises en bout, fraises à surfacer et fraises à surfacer, par exemple, remplissent chacune une fonction différente, permettant ainsi à l'opérateur d'effectuer diverses coupes dans la pièce.
contraintes de conception du fraisage CNC
Lors de la conception de pièces pour le fraisage CNC, plusieurs facteurs importants déterminent ce qui constitue une conception acceptable. Il s'agit notamment du réglage de la machine ou de l'orientation de la pièce, de la forme de l'outil de coupe, de sa longueur (c'est-à-dire la profondeur de coupe possible) et du matériau de la pièce.
Orientation de la pièce
Un élément essentiel à prendre en compte lors de la conception d'une fraiseuse CNC est le montage de la machine, c'est-à-dire la manière dont la pièce est fixée à la table de travail. Puisque la pièce doit être fixée à la table, l'un de ses côtés est inaccessible à la machine-outil ; les machinistes doivent donc réfléchir à son orientation.
Les pièces présentant des détails sur une seule face sont relativement faciles à usiner car la face lisse peut être orientée vers le bas, permettant ainsi à la machine-outil d'atteindre la face travaillée. En revanche, les pièces comportant des détails sur toutes leurs faces nécessitent plusieurs préparations : une fois une face usinée, la pièce doit être retirée des dispositifs de maintien, retournée, puis usinée sur l'autre face.
Les concepteurs doivent concevoir les pièces de manière à ce qu'elles puissent être usinées avec le moins d'étapes possible, car chaque nouvelle étape nécessite du temps et un étalonnage, ce qui augmente finalement le coût de la pièce.
Géométrie et diamètre de l'outil
Une autre caractéristique unique du fraisage CNC qui influe sur la conception des pièces est la forme et le diamètre de l'outil de coupe. Deux points importants sont à considérer. Premièrement, la rotation constante de l'outil de coupe crée une découpe circulaire. Il est donc impossible de fraiser des angles rentrants droits. Pourquoi ? Pour les mêmes raisons qu'un aspirateur Roomba circulaire ne peut pas nettoyer les angles d'une pièce rectangulaire : sa géométrie est incompatible avec son environnement.
Le diamètre de l'outil de coupe limite également la conception des pièces. Un outil de coupe ne peut pas creuser une cavité plus petite que lui-même ; ainsi, les outils de grande taille, bien qu'excellents pour enlever de grosses quantités de matière, ne permettent pas de réaliser des détails fins.
Longueur de l'outil
La dernière contrainte de conception essentielle pour le fraisage CNC est la profondeur de pénétration de l'outil, c'est-à-dire la profondeur à laquelle l'outil de coupe peut pénétrer dans la pièce. Sur le papier, il pourrait sembler possible de fraiser des trous de n'importe quelle profondeur, pourvu que l'outil soit suffisamment long. Cependant, plus un outil est long, plus il est susceptible de générer des vibrations parasites : des vibrations indésirables qui réduisent la précision de l'opération de fraisage.
Matériau de la pièce
Les différents métaux et plastiques ont différents niveaux d'usinabilité : c'est-à-dire la facilité avec laquelle ils peuvent être coupés par la fraiseuse CNC sans se déformer (ou endommager l'outil de coupe).
Lors de la conception d'usinages CNC, l'usinabilité du matériau doit être prise en compte, notamment lorsque des tolérances serrées et des détails précis sont requis. Par exemple, une pièce en aluminium 6061 peut supporter des perçages plus profonds et présenter une tolérance dimensionnelle plus stricte qu'une pièce en un métal plus dur comme l'acier inoxydable 440.
Lignes directrices pour la conception de fraisage CNC
Nous avons examiné certains facteurs limitants qui déterminent la conception de pièces pour le fraisage CNC. Nous allons maintenant aborder les principes et règles de conception à suivre en fonction de ces facteurs, notamment l'arrondi des angles, la profondeur de cavité et l'épaisseur minimale des parois.
Taille de la pièce
Un critère essentiel pour la conception de pièces usinées par CNC est la taille maximale de la pièce, qui dépend de l'espace de travail de la fraiseuse CNC utilisée. À titre indicatif, la plus grande fraiseuse 3 axes de 3ERP, fabriquée par Haas, possède un espace de travail de 1016 x 508 x 635 mm. Cependant, de nombreuses fraiseuses sont bien plus petites.
Il faut également tenir compte du fait que les machines à 5 axes ont tendance à avoir des dimensions plus petites que les fraiseuses à 3 axes, il peut donc être impossible de combiner de nombreuses fonctions hors axe avec des dimensions globales très importantes.
Fonctionnalités d'alignement
Comme la préparation répétée d'une pièce engendre des coûts et des délais importants, les concepteurs devraient s'efforcer d'aligner les éléments tels que les trous et les parois verticales sur une même face. Cela permet à l'usinier de réaliser l'usinage de toutes les caractéristiques de la pièce en une seule opération.
L'utilisation d'un centre d'usinage 5 axes offre une grande flexibilité pour les caractéristiques et les perçages hors axe, car l'outil de coupe peut aborder la pièce à usiner sous un plus grand nombre d'angles sans nécessiter de nouvelle configuration.
Rayons
Les concepteurs doivent garder à l'esprit que la forme circulaire d'un outil de coupe rend impossible le fraisage d'angles rentrants droits sans recourir à des contre-dépouilles complexes. Par conséquent, les angles rentrants seront arrondis, le rayon de courbure étant déterminé par le diamètre de l'outil.
Cela dit, utiliser un rayon d'angle interne légèrement supérieur au rayon de l'outil donnera de meilleurs résultats, car cela permet à l'outil de prendre le virage.
De plus, le fait de spécifier le même rayon pour chaque angle interne permet d'effectuer le fraisage plus rapidement.
Profondeur de la cavité
Pour minimiser les vibrations, la déviation de l'outil et autres problèmes, les pièces usinées ne peuvent comporter que des cavités de profondeur limitée. En règle générale, la profondeur des cavités ne doit pas excéder quatre fois leur largeur.
Epaisseur de paroi
Lors du fraisage CNC de parois minces — pour des nervures de renforcement de pièces, par exemple — les concepteurs ne doivent pas spécifier une épaisseur inférieure à 0.8 mm pour les métaux, ou environ le double de cette épaisseur pour les plastiques.
De plus, la hauteur de ces parois minces ne devrait idéalement pas dépasser 10 fois leur épaisseur, c'est-à-dire qu'une paroi de 5 mm d'épaisseur ne devrait pas avoir une hauteur supérieure à 50 mm.
Trous et filetages
Dans la mesure du possible, les concepteurs doivent spécifier les diamètres des trous et des filetages correspondant aux forets et outils de filetage standard. Les diamètres non standard sont possibles, mais doivent être usinés à l'aide d'une fraise.
Il faut tenir compte de la profondeur du trou, au même titre que de sa largeur. Dans la plupart des cas, la profondeur ne doit pas dépasser environ 10 fois le diamètre, bien que des trous plus profonds puissent être réalisés avec des forets spéciaux.
Le fond d'un trou borgne (un trou qui ne traverse pas complètement la pièce) ne sera plat que s'il est réalisé avec une fraise. S'il est réalisé avec un foret, son fond sera conique.
Caractères
Pour l'ajout de texte sur la surface de pièces usinées par commande numérique, la gravure est bien plus efficace que le gaufrage, car elle enlève moins de matière. De plus, les polices sans empattement arrondies sont beaucoup plus faciles à usiner que les polices décoratives.
Pour les métaux durs, il convient d'utiliser une taille de police d'au moins 20 ; pour les métaux plus tendres et les plastiques, une taille de 16 est acceptable.
Tolérances
Lors de la conception de pièces pour le fraisage CNC, il est important de tenir compte de tolérances réalistes. Une tolérance standard est de 0.1 mm ; des valeurs plus serrées (jusqu'à environ 0.01 mm) sont possibles, mais au prix d'un surcoût et d'un délai supplémentaires. Découvrez nos services d'usinage de précision pour en savoir plus sur le fraisage de haute précision.
Logiciel de CAO pour la conception de fraisage CNC
La plupart des logiciels de CAO permettent de concevoir des pièces pour le fraisage CNC. Cependant, les deux logiciels suivants sont largement utilisés dans l'industrie.
SOLIDWORKS
Développé par Dassault Systèmes, SOLIDWORKS est un progiciel de CAO complet qui contient des outils pour la validation des conceptions de fraisage CNC.
L'application de CAO, très répandue, intègre DFMXpress, un outil DfM permettant à l'utilisateur de spécifier les contraintes de fraisage imposées par le fabricant, comme le rapport maximal entre la profondeur et le diamètre d'un trou. Cet outil détecte également les zones inaccessibles à l'outil de coupe et signale les problèmes éventuels à l'utilisateur.
Fusion 360
Développé par Autodesk, Fusion 360 est utilisé par de nombreux ingénieurs et machinistes, avec de nombreuses fonctionnalités adaptées à l'usinage CNC.
Comme d'autres logiciels de CAO orientés CNC, Fusion 360 permet de définir des contraintes générales et personnalisées, garantissant ainsi que la conception ne comporte aucune zone impossible à usiner. De plus, Fusion 360 étant également un outil de FAO, il peut générer des trajectoires d'outils pour les fraiseuses CNC. Si la conception est irréalisable, il sera impossible de créer ces trajectoires.
Fraisage CNC avec 3ERP
3ERP possède une longue expérience des machines d'usinage CNC et transformera vos conceptions en pièces usinées de haute qualité. Les petites erreurs de conception ne seront pas un problème : après le téléchargement de vos fichiers CAO , nous vous enverrons une analyse DfM si nécessaire afin que vous puissiez optimiser votre conception jusqu'à sa fabrication.
