Le tournage CNC peut-il créer des formes géométriques complexes ?

Comment le tournage CNC moderne permet d'obtenir des géométries complexes

Outillage actif, axe Y et contre-pointe : permettre des caractéristiques décentrées et non rotationnelles

L'usinage CNC par tournage d'aujourd'hui contourne les anciennes limitations liées à la rotation grâce à trois avancées clés. Tout d'abord, l'outil motorisé, où des fraises sont intégrées directement dans la tourelle du tour. Cela nous permet de percer latéralement, de fraiser des rainures, voire d'effectuer des opérations de fraisage sur des pièces en rotation, le tout en une seule phase, éliminant ainsi la nécessité de déplacer les pièces ailleurs pour des opérations supplémentaires. Ensuite vient l'axe Y, qui ajoute un mouvement vertical perpendiculaire à l'axe principal de la broche. Cela permet aux machinistes de réaliser des formes complexes excentrées et des conceptions asymétriques, comme des plats décalés ou des profils polygonaux. Enfin, les contre-broches ont révolutionné le traitement complet des pièces. Elles transfèrent automatiquement la pièce pour effectuer des opérations sur l'arrière telles que le grenaillage, le filetage ou l'ébauchage, sans manipulation manuelle. Réunis, qu'obtient-on ? Des pièces auparavant impossibles deviennent réalisables. On passe ainsi de simples formes cylindriques à des composants hybrides complexes comportant des conicités, des trous latéraux, des gorges et des surfaces inclinées. Le meilleur ? Toute cette complexité s'obtient sans compromettre la précision. Les machines atteignent toujours des tolérances de l'ordre du micron, et les ateliers indiquent une réduction des montages de près de 70 % par rapport aux méthodes anciennes.

Exemple concret : Production en un seul montage d'un flasque aéronautique avec des pentes, des rainures, un gaufrage et des trous radiaux

Un flasque aérospatial complexe nécessitait environ 15 caractéristiques différentes, notamment des faces coniques délicates, des rainures extrêmement précises, des crêtes de moletage fonctionnelles, ainsi que huit trous radiaux. L'ensemble a été réalisé en une seule opération sur un centre de tournage multiaxe à la pointe de la technologie. Pour les cônes, on a utilisé le contournage sur l'axe Y afin d'obtenir des tolérances très serrées. Les outils motorisés se sont chargés du perçage et du taraudage des trous radiaux sans aucun repositionnement nécessaire. Pendant ce temps, la contre-broche travaillait le moletage sur la face arrière, simultanément aux autres opérations. Quant aux rainures, elles devaient être parfaites avec une tolérance de ± 0,005 pouce, obtenue grâce à une coordination habile entre les axes C et Y. En regroupant toutes ces opérations de cette manière, aucune manipulation supplémentaire n'a été requise. Quelle en est la conséquence pratique ? Le temps de cycle est passé de trois longues heures à seulement 22 minutes exactement. Cela illustre ce que peut accomplir le tournage CNC lorsque la pièce présente une symétrie de révolution comme élément de base de conception.

Tournage CNC vs. Fraisage 5 axes : Quand opter pour le tournage CNC pour des pièces complexes

L'avantage de la symétrie : pourquoi la dominance rotationnelle rend le tournage CNC efficace pour les géométries hybrides

Lorsqu'il s'agit de pièces ayant principalement des formes rondes, le tournage CNC offre aux fabricants une meilleure vitesse et permet de réaliser des économies par rapport à d'autres méthodes. Ce procédé fonctionne en faisant tourner la pièce pendant que les outils de coupe restent fixes ou se déplacent en synchronisation, permettant ainsi une suppression rapide de matière pour des éléments comme les diamètres extérieurs, les conicités, les filetages et les rainures. Ces caractéristiques nécessiteraient de nombreux changements de réglage et s'exécuteraient beaucoup plus lentement sur une fraiseuse 5 axes. La fraisage 5 axes gère effectivement très bien les surfaces angulaires complexes et les formes irrégulières, mais tous ces mouvements impliquent des temps de programmation plus longs et des coûts machine plus élevés. Prenons des pièces dont plus de la moitié du volume total est constituée d'éléments cylindriques, comme des brides percées sur le pourtour ou des carter avec des fentes périphériques. Pour ce type de pièces, le tournage CNC peut réduire les opérations de montage d'environ 40 % et raccourcir les cycles de production jusqu'à 60 %. De plus, il maintient des tolérances strictes inférieures à 0,005 pouce sans coût excessif, particulièrement lors de séries supérieures à 1 000 pièces.

Cadre décisionnel : Évaluation de l'emplacement des caractéristiques, de leur quantité et des exigences d'axe afin de prioriser le tournage CNC

La sélection du processus optimal repose sur trois critères interdépendants :

1. Densité des caractéristiques rotationnelles : Privilégiez le tournage CNC lorsque 70 % des caractéristiques critiques (par exemple, diamètres, alésages, filetages, conicités) sont symétriques par rotation.
2. Complexité non rotationnelle : Optez pour l’usinage 5 axes lorsque la pièce comporte plus de 3 surfaces indépendantes hors axe, telles que des plots de fixation inclinés ou des poches non radiales inaccessibles par outils motorisés ou mouvement selon l’axe Y.
3. Équilibre volume-coût : Le tournage CNC réduit le coût unitaire d’environ 30 % en grandes séries grâce à des temps de cycle plus rapides et un montage minimal, tandis que l’usinage 5 axes reste préférable pour les prototypes en petites séries ou les géométries fortement irrégulières. En règle générale, si la structure principale est cylindrique, même avec un usinage périphérique modéré, l’approche centrée sur le tournage offre généralement une meilleure productivité, précision et maîtrise des coûts.

Lignes directrices de conception et limitations pratiques du tournage CNC

Éviter le piège du 'complexe mais non asymétrique' : contraintes clés sur les découpes internes, cavités profondes et surfaces non rotationnelles

La force du tournage CNC réside dans la symétrie rotationnelle, mais sa physique impose des limites claires aux caractéristiques asymétriques. Trois contraintes mécaniques définissent les limites de fabricabilité :

• Sous-fuselages : Les découpes internes au-delà d'environ 135° sont inaccessibles avec un outil standard en raison de l'interférence avec la broche et le mandrin ; des porte-outils spécialisés ou des opérations secondaires deviennent nécessaires.
• Cavités profondes : Les rapports profondeur/diamètre supérieurs à 4:1 risquent une déflexion de l'outil et une mauvaise finition de surface, particulièrement avec des matériaux plus mous ou collants ; il est préférable de maintenir les profondeurs de cavité inférieures à 3 fois le diamètre de l'outil.
• Surfaces non rotationnelles : Les faces planes, épaulements carrés ou éléments angulaires nécessitent un outillage actif, un indexage de l'axe C ou un mouvement de l'axe Y, ce qui ajoute de la complexité, augmente le temps de cycle et peut entraîner des erreurs d'alignement.

Le comportement des matériaux influence fortement ce qui est réalisable en pratique. Les alliages trempés de plus de 45 HRC ont tendance à user rapidement les outils de coupe lors d'opérations de profilage fines. Les parois minces de moins de la moitié d'un millimètre s'incurvent sous l'effet des forces centrifuges pendant l'usinage. Lorsque les pièces présentent des caractéristiques irrégulières qui interrompent le trajet normal d'évacuation des copeaux, cela provoque également des problèmes. Les copeaux se coincent et sont recoupés sur la surface de la pièce, rendant les finitions plus rugueuses que souhaité, parfois supérieures à 32 Ra micro-pouces. Pour de meilleurs résultats avec les opérations de tournage CNC, il est préférable de concevoir les pièces avec des rayons constants autant que possible. Essayez de minimiser au maximum les interruptions axiales et de limiter les éléments non rotationnels à environ 15 % de la géométrie totale de la pièce au maximum. Au-delà de ce seuil, une approche hybride combinant fraisage et tournage donne généralement de meilleurs résultats pour les géométries complexes.

Optimisation de la conception des pièces pour réussir le tournage CNC

Concevoir en tenant compte du tournage CNC permet d'obtenir des avantages significatifs en matière de coûts et de délais, particulièrement en production de grande série. Appliquer dès le départ les principes fondamentaux de la conception pour la fabricabilité (DFM) garantit que les caractéristiques sont adaptées aux forces du procédé tout en évitant les solutions coûteuses. Les stratégies clés incluent :

• Optimisation des tolérances : Spécifiez des tolérances serrées uniquement là où cela est fonctionnellement nécessaire. Surdimensionner la précision augmente le temps d'usinage de 30 à 50 % et nécessite des outils spécialisés ainsi que des protocoles d'inspection.
• Alignement sur la barre : Adaptez les diamètres principaux aux tailles standard de barres (par exemple, 1", 1,5", 2") afin de réduire le gaspillage de matière, de simplifier le serrage et d'éviter les pièces brutes sur mesure.
• Réduction des larmes internes : Remplacez les larmes internes par des gorges externes, des conicités ou des chanfreins chaque fois que la fonction le permet, afin de réduire ou d'éliminer les opérations secondaires.
• Maîtrise de l'élancement : Pour des rapports longueur sur diamètre supérieurs à 6:1, intégrez directement dans la conception des éléments de soutien arrière (par exemple, des diamètres pilotes ou des rainures d'évacuation) afin de prévenir les vibrations et les déformations.

Ces ajustements améliorent l'évacuation des copeaux, renforcent la stabilité dimensionnelle et réduisent le temps non productif, contribuant ainsi à une baisse des coûts unitaires allant jusqu'à 25 %, ainsi qu'à une livraison accélérée lorsque ces modifications sont appliquées lors de la revue initiale de la conception.

FAQ

Quels sont les principaux avantages du tournage CNC par rapport aux autres méthodes d'usinage ?

Le tournage CNC offre principalement une production efficace de pièces symétriques par révolution, avec des avantages en termes de vitesse, de précision et de coût pour les séries importantes. Il permet d'intégrer des opérations complexes telles que le filetage, le grenaillage et le perçage radial sans avoir à repositionner la pièce.

Comment des évolutions telles que les outils motorisés et les broches secondaires améliorent-elles le tournage CNC ?

L'outillage actif permet aux centres d'usinage CNC par tournage d'intégrer directement des opérations de fraisage dans le tour, éliminant ainsi la nécessité de montages supplémentaires. Les broches secondaires transfèrent automatiquement les pièces pour effectuer des opérations sur l'autre face, ce qui augmente l'efficacité et réduit les erreurs de manipulation manuelle.

Quand dois-je choisir le tournage CNC plutôt que le fraisage 5 axes ?

Le tournage CNC est idéal lorsque la majorité des caractéristiques de la pièce sont symétriques par rotation, et lorsque la pièce nécessite une production efficace et rentable en grandes quantités. Pour les pièces comportant des caractéristiques complexes non rotatives nécessitant des mouvements multi-axes, le fraisage 5 axes peut être plus adapté.