Pour utiliser pleinement les capacités de l'usinage CNC, les concepteurs doivent concevoir selon des règles de fabrication spécifiques. Cependant, cela peut s’avérer difficile car il n’existe pas de normes industrielles spécifiques. Dans cet article, nous avons compilé un guide complet des meilleures pratiques de conception pour l'usinage CNC. Nous nous sommes concentrés sur la description de la faisabilité des systèmes CNC modernes et avons négligé les coûts associés. Pour un guide sur la conception rentable de pièces pour CNC, reportez-vous à cet article.
Usinage CNC
L'usinage CNC est une technique de fabrication soustractive. En CNC, différents outils de coupe qui tournent à des vitesses élevées (des milliers de tr/min) sont utilisés pour éliminer de la matière d'un bloc solide afin de créer une pièce basée sur un modèle CAO. Les métaux et les plastiques peuvent être usinés à l'aide de CNC.
L'usinage CNC offre une précision dimensionnelle élevée et des tolérances serrées, adaptées aussi bien à la production en grand volume qu'aux travaux ponctuels. En fait, il s’agit actuellement de la méthode la plus rentable pour produire des prototypes métalliques, même par rapport à l’impression 3D.
Principales limites de la conception CNC
La CNC offre une grande flexibilité de conception, mais il existe certaines limites de conception. Ces limitations sont liées à la mécanique de base du processus de coupe, principalement à la géométrie et à l'accès aux outils.
1. Forme de l'outil
Les outils CNC les plus courants, tels que les fraises et les forets, sont cylindriques et ont des longueurs de coupe limitées. Au fur et à mesure que la matière est retirée de la pièce, la forme de l'outil est reproduite sur la pièce usinée.
Par exemple, cela signifie que les coins internes d'une pièce CNC auront toujours un rayon, quelle que soit la taille de l'outil utilisé.
2. Appel d'outil
Lors de l'enlèvement de matière, l'outil s'approche de la pièce directement par le haut. Cela ne peut pas être fait avec l'usinage CNC, à l'exception des contre-dépouilles, dont nous parlerons plus tard.
Une bonne pratique de conception consiste à aligner toutes les caractéristiques d'un modèle, telles que les trous, les cavités et les parois verticales, sur l'une des six directions cardinales. Il s'agit plus d'une suggestion que d'une restriction, d'autant plus que les systèmes CNC à 5 axes offrent des capacités avancées de maintien de la pièce.
L'outillage est une préoccupation lors de l'usinage de pièces présentant des caractéristiques présentant un rapport d'aspect élevé. Par exemple, pour atteindre le fond d’une cavité profonde, il faut un outil spécialisé doté d’un long manche, ce qui peut réduire la rigidité de l’effecteur terminal, augmenter les vibrations et réduire la précision réalisable.
Règles de conception des processus CNC
Lors de la conception de pièces pour l’usinage CNC, l’un des défis est l’absence de normes industrielles spécifiques. En effet, les fabricants de machines et d'outils CNC améliorent continuellement leurs capacités techniques, élargissant ainsi la gamme de ce qui peut être réalisé. Ci-dessous, nous avons fourni un tableau résumant les valeurs recommandées et réalisables pour les caractéristiques les plus courantes trouvées dans les pièces usinées CNC.
1. Poches et évidements
N'oubliez pas le texte suivant : « Profondeur de poche recommandée : 4 fois la largeur de la poche. Les fraises en bout ont une longueur de coupe limitée, généralement 3 à 4 fois leur diamètre. Lorsque le rapport profondeur/largeur est faible, des problèmes tels que la déviation de l'outil, l'évacuation des copeaux et les vibrations deviennent plus importants. Pour garantir de bons résultats, limitez la profondeur d’une cavité à 4 fois sa largeur.
Si vous avez besoin de plus de profondeur, vous pouvez envisager de concevoir une pièce avec une profondeur de cavité variable (voir l'image ci-dessus pour un exemple). Lorsqu'il s'agit de fraisage d'empreintes profondes, une empreinte est classée comme profonde si sa profondeur est supérieure à six fois le diamètre de l'outil utilisé. Un outillage spécial permet une profondeur maximale de 30 cm avec une fraise en bout de 1 pouce de diamètre, ce qui équivaut à un rapport diamètre d'outil/profondeur de cavité de 30:1.
2. Bord intérieur
Rayon d'angle vertical : ⅓ x profondeur de la cavité (ou plus) recommandé
Il est important d'utiliser les valeurs de rayon d'angle intérieur suggérées pour sélectionner l'outil de bonne taille et de respecter les directives de profondeur de cavité recommandées. Augmenter légèrement le rayon d'angle au-dessus de la valeur recommandée (par exemple de 1 mm) permet à l'outil de couper le long d'une trajectoire circulaire au lieu d'un angle de 90°, ce qui entraîne une meilleure finition de surface. Si un coin intérieur pointu à 90° est nécessaire, envisagez d'ajouter une contre-dépouille en forme de T plutôt que de réduire le rayon du coin. Pour le rayon du sol, les valeurs recommandées sont 0,5 mm, 1 mm ou aucun rayon ; cependant, n'importe quel rayon est acceptable. Le bord inférieur de la fraise en bout est plat ou légèrement arrondi. D'autres rayons de sol peuvent être usinés à l'aide d'outils à rotule. Le respect des valeurs recommandées est une bonne pratique car c'est le choix préféré des machinistes.
3. Paroi mince
Recommandations d'épaisseur de paroi minimale : 0,8 mm (métal), 1,5 mm (plastique) ; 0,5 mm (métal), 1,0 mm (plastique) sont acceptables
La réduction de l'épaisseur de la paroi diminue la rigidité du matériau, entraînant une augmentation des vibrations pendant l'usinage et une précision réduite. Les plastiques ont tendance à se déformer en raison des contraintes résiduelles et à se ramollir en raison de l'augmentation de la température. Il est donc recommandé d'utiliser une épaisseur de paroi minimale plus grande.
4. Trou
Diamètre Des tailles de forets standard sont recommandées. Tout diamètre supérieur à 1 mm est réalisable. La réalisation des trous se fait avec une perceuse ou une extrémitéfraisé CNC. Les tailles de forets sont standardisées en unités métriques et impériales. Les alésoirs et les outils d'alésage sont utilisés pour finir des trous qui nécessitent des tolérances serrées. Pour les diamètres inférieurs à ⌀20 mm, il est conseillé d'utiliser des diamètres standards.
Profondeur maximale recommandée 4 x diamètre nominal ; typique 10 x diamètre nominal ; réalisable 40 x diamètre nominal
Les trous de diamètre non standard doivent être usinés à l’aide d’une fraise en bout. Dans ce scénario, la limite de profondeur maximale de la cavité est applicable et il est recommandé d'utiliser la valeur de profondeur maximale. Si vous devez usiner des trous plus profonds que la valeur typique, utilisez un foret spécial d'un diamètre minimum de 3 mm. Les trous borgnes usinés avec une perceuse ont une base conique avec un angle de 135°, tandis que les trous usinés avec une fraise en bout sont plats. Dans l'usinage CNC, il n'y a pas de préférence spécifique entre les trous traversants et les trous borgnes.
5. Fils
La taille minimale du filetage est M2. Il est recommandé d'utiliser des filetages M6 ou plus. Les filetages internes sont créés à l'aide de tarauds, tandis que les filetages externes sont créés à l'aide de matrices. Les tarauds et les filières peuvent tous deux être utilisés pour créer des filetages M2. Les outils de filetage CNC sont largement utilisés et préférés par les machinistes car ils réduisent le risque de casse des tarauds. Les outils de filetage CNC peuvent être utilisés pour créer des filetages M6.
Longueur du filetage minimum 1,5 x diamètre nominal ; 3 x diamètre nominal recommandé
Les premières dents supportent la majeure partie de la charge sur le filetage (jusqu'à 1,5 fois le diamètre nominal). Ainsi, des filetages plus grands que trois fois le diamètre nominal sont inutiles. Pour les filetages dans des trous borgnes réalisés avec un taraud (c'est-à-dire tous les filetages inférieurs à M6), ajouter une longueur non filetée égale à 1,5 fois le diamètre nominal au fond du trou.
Lorsque des outils de filetage CNC peuvent être utilisés (c'est-à-dire des filetages supérieurs à M6), le trou peut être fileté sur toute sa longueur.
6. Petites fonctionnalités
Le diamètre minimum recommandé du trou est de 2,5 mm (0,1 po) ; un minimum de 0,05 mm (0,005 po) est également acceptable. La plupart des ateliers d’usinage peuvent usiner avec précision de petites cavités et trous.
Tout ce qui se situe en dessous de cette limite est considéré comme du micro-usinage.Fraisage de précision CNCde telles caractéristiques (où la variation physique du processus de coupe se situe dans cette plage) nécessitent des outils spécialisés (micro-forets) et des connaissances expertes, il est donc recommandé de les éviter sauf en cas d'absolue nécessité.
7. Tolérances
Norme : ±0,125 mm (0,005 po)
Typique : ±0,025 mm (0,001 po)
Performances : ±0,0125 mm (0,0005 po)
Les tolérances établissent les limites acceptables pour les dimensions. Les tolérances réalisables dépendent des dimensions et de la géométrie de base de la pièce. Les valeurs fournies sont des lignes directrices pratiques. En l'absence de tolérances spécifiées, la plupart des ateliers d'usinage utiliseront une tolérance standard de ±0,125 mm (0,005 po).
8. Texte et lettrage
La taille de police recommandée est de 20 (ou plus) et les lettres de 5 mm
Le texte gravé est préférable au texte en relief car il enlève moins de matière. Il est recommandé d'utiliser une police sans empattement, telle que Microsoft YaHei ou Verdana, avec une taille de police d'au moins 20 points. De nombreuses machines CNC ont des routines préprogrammées pour ces polices.
Configuration de la machine et orientation des pièces
Un diagramme schématique d'une pièce nécessitant plusieurs configurations est présenté ci-dessous :
L'accès aux outils constitue une limitation importante dans la conception de l'usinage CNC. Pour atteindre toutes les surfaces d'un modèle, la pièce doit être tournée plusieurs fois. Par exemple, la pièce montrée dans l'image ci-dessus doit être tournée trois fois : deux fois pour usiner les trous dans les deux directions principales et une troisième fois pour accéder à l'arrière de la pièce. Chaque fois que la pièce tourne, la machine doit être recalibrée et un nouveau système de coordonnées doit être défini.
Tenez compte des configurations de la machine lors de la conception pour deux raisons principales :
1. Le nombre total de configurations de machines affecte le coût. La rotation et le réalignage de la pièce nécessitent un effort manuel et augmentent le temps total d'usinage. Si une pièce doit être tournée 3 à 4 fois, c'est généralement acceptable, mais tout ce qui dépasse cette limite est excessif.
2. Pour obtenir une précision de position relative maximale, les deux éléments doivent être usinés dans la même configuration. En effet, la nouvelle étape d'appel introduit une petite erreur (mais non négligeable).
Usinage CNC à cinq axes
Lors de l'utilisation de l'usinage CNC 5 axes, le besoin de plusieurs configurations de machine peut être éliminé. L'usinage CNC multi-axes permet de fabriquer des pièces aux géométries complexes car il offre deux axes de rotation supplémentaires.
L'usinage CNC à cinq axes permet à l'outil d'être toujours tangentiel à la surface de coupe. Cela permet de suivre des trajectoires d'outils plus complexes et plus efficaces, ce qui donne lieu à des pièces avec de meilleurs états de surface et des temps d'usinage plus courts.
Cependant,Usinage CNC 5 axesa aussi ses limites. La géométrie de base des outils et les restrictions d'accès aux outils s'appliquent toujours, par exemple, les pièces avec une géométrie interne ne peuvent pas être usinées. De plus, le coût d’utilisation de tels systèmes est plus élevé.
Conception de contre-dépouilles
Les contre-dépouilles sont des éléments qui ne peuvent pas être usinés avec des outils de coupe standards car certaines de leurs surfaces ne sont pas directement accessibles par le haut. Il existe deux principaux types de contre-dépouilles : les rainures en T et les queues d'aronde. Les contre-dépouilles peuvent être simple face ou double face et sont usinées avec des outils spécialisés.
Les outils de coupe à rainure en T sont essentiellement fabriqués avec une plaquette de coupe horizontale fixée à un arbre vertical. La largeur d'une contre-dépouille peut varier entre 3 mm et 40 mm. Il est recommandé d'utiliser des dimensions standard (c'est-à-dire des incréments de millimètres entiers ou des fractions standard de pouces) pour la largeur, car il est plus probable que l'outillage soit déjà disponible.
Pour les outils à queue d'aronde, l'angle est la dimension de caractéristique déterminante. Les outils à queue d'aronde à 45° et 60° sont considérés comme standard.
Lors de la conception d'une pièce avec des contre-dépouilles sur les parois intérieures, n'oubliez pas de prévoir suffisamment d'espace pour l'outil. Une bonne règle de base consiste à ajouter un espace entre le mur usiné et tout autre mur intérieur égal à au moins quatre fois la profondeur de la contre-dépouille.
Pour les outils standards, le rapport typique entre le diamètre de coupe et le diamètre de l'arbre est de 2:1, limitant la profondeur de coupe. Lorsqu'une contre-dépouille non standard est requise, les ateliers d'usinage fabriquent souvent leurs propres outils de contre-dépouille personnalisés. Cela augmente les délais et les coûts et doit être évité autant que possible.
Rainure en T sur le mur intérieur (à gauche), contre-dépouille en queue d'aronde (au centre) et contre-dépouille sur un côté (à droite)
Rédaction de dessins techniques
Veuillez noter que certaines spécifications de conception ne peuvent pas être incluses dans les fichiers STEP ou IGES. Des dessins techniques 2D sont requis si votre modèle comprend un ou plusieurs des éléments suivants :
Trous ou arbres filetés
Dimensions tolérées
Exigences spécifiques en matière de finition de surface
Notes pour les opérateurs de machines CNC
Règles empiriques
1. Concevoir la pièce à usiner avec l'outil du plus grand diamètre.
2. Ajoutez de grands congés (au moins ⅓ x la profondeur de la cavité) à tous les coins verticaux internes.
3. Limiter la profondeur d'une cavité à 4 fois sa largeur.
4. Alignez les principales caractéristiques de votre conception le long de l’une des six directions cardinales. Si cela n'est pas possible, optez pourServices d'usinage CNC 5 axes.
5. Soumettez des dessins techniques avec votre conception lorsque celle-ci inclut des filetages, des tolérances, des spécifications de finition de surface ou d'autres commentaires destinés aux opérateurs de machines.
Si vous souhaitez en savoir plus ou demander une information, n'hésitez pas à contacter info@anebon.com.
Heure de publication : 13 juin 2024