Usinage 3 axes vs 5 axes : différences techniques et applications industrielles

L'usinage a toujours joué un rôle essentiel dans la fabrication de pièces de différents niveaux de complexité. Les techniques d'usinage ont connu une amélioration constante depuis longtemps. L'usinage cinq axes est une avancée récente, qui représente une avancée par rapport à l'usinage trois axes traditionnel.

Les fabricants choisissent entre l'usinage 3 axes et 5 axes en fonction de la complexité, du coût et de la facilité de fabrication. Examinons de plus près les différences entre 3 axes et XNUMX axes. Usinage 5 axes et essayons de comprendre ce que nous pouvons obtenir de mieux à partir des deux types d'usinage CNC différents.

Que sont les axes d'usinage CNC ? - Une base

Haches dans Usinage CNC Définissez le mouvement de l'outil dans une direction donnée. Il existe plusieurs types de machines CNC : 3 axes, 4 axes, 3+2 axes et 5 axes. Chaque type offre une certaine liberté de mouvement à l'outil. Plus de trois axes augmentent l'efficacité, mais au prix d'un investissement et d'une programmation complexes. Découvrons ensemble les différents types de machines à nombre d'axes.

Que sont les axes dans l'usinage CNC ?

Comme on peut le voir sur la figure ci-dessus, il y a trois axes linéaires et trois axes rotatifs.

Axes linéaires (X, Y, Z) : Dans un espace 3D, pensez à l'axe x comme allant à gauche et à droite, à l'axe y comme allant vers l'avant et vers l'arrière et à l'axe z comme allant de haut en bas.

Axes rotatifs (A,B,C) : L'axe A, l'axe B et l'axe C définissent le mouvement autour des axes X, Y et Z.

Explication des principaux types d'axes CNC

• CNC 3 axes (X, Y, Z) :Il s'agit d'un type d'usinage de base permettant un déplacement selon trois axes linéaires. Il est idéal pour les opérations de fraisage et de routage de base, comme les surfaces planes ou à contours peu profonds.
• CNC 4 axes (X, Y, Z, A) :Le quatrième axe supplémentaire permet un mouvement rotatif autour d'un axe linéaire. Il est idéal pour la découpe rotative de pièces cylindriques.
• CNC 5 axes (X, Y, Z, A/B, C) :Dans l'usinage CNC 5 axes, l'outil peut se déplacer pratiquement partout, offrant ainsi un contrôle multidirectionnel complet.
• Au-delà de 5 axes : qu'est-ce qu'une machine CNC 12 axes ?

Ces machines avancées intègrent plusieurs broches et tourelles, ce qui confère une grande mobilité à l'outil. Les parcours d'outils sont complexes et sont donc utilisés pour des applications très avancées nécessitant un usinage complexe.

Pourquoi le nombre d'axes est important pour la complexité et la précision

Le nombre d'axes est essentiel pour faciliter la fabrication. Par exemple, si un implant orthopédique complexe doit être fabriqué par usinage, une machine 3 axes nécessiterait des interruptions et des ajustements fréquents pour aligner l'outil dans la direction requise. Une machine CNC 5 axes, quant à elle, le ferait automatiquement, sans interruption. La qualité de surface serait meilleure avec une machine CNC 5 axes.

Usinage 3 axes : une solution plus simple

L'usinage 3 axes est une solution économique et de production en série pour les formes simples. Il est idéal pour les formes plates nécessitant un déplacement linéaire de l'outil. En comparaison, son coût d'investissement est faible et les exigences de programmation sont moindres. Si la forme à fabriquer n'est pas complexe, l'usinage 3 axes est la solution idéale.

Fonctionnement des 3 axes : notions de base

L'usinage 3 axes est le type de CNC le plus basique. L'outil se déplace uniquement sur les axes x, y et z. Il est idéal pour l'usinage de surfaces planes, de contours simples, le perçage de trous, le rainurage et les opérations de fraisage de base.

Quelles industries bénéficient du 3-Axis ?

Les machines CNC à 3 axes sont utilisées pour les applications de prototypage, de travail du bois et de fabrication de pièces métalliques de base.

Usinage 5 axes : le meilleur pour les géométries complexes

Grâce au mouvement autour de deux axes rotatifs supplémentaires (axes A et B) offert par la CNC 5 axes, de nombreuses géométries complexes peuvent être usinées sans nécessiter d'arrêt ni de réglage de l'outil. Elle permet de réaliser des travaux d'usinage autrefois considérés comme très laborieux avec une machine 3 axes.

Types de machines à 5 axes : indexées, continues ou 3+2

L'usinage indexé, ou 3+2, est par essence une machine 3 axes, mais fonctionne pratiquement comme une machine 5 axes. L'outil peut se déplacer le long des trois axes linéaires, comme sur une machine 3 axes. Il peut également être positionné à un angle le long des deux axes rotatifs supplémentaires. Cependant, l'usinage doit être arrêté à chaque fois pour ajuster la position.

Dans une CNC continue à 5 axes, l'outil peut s'auto-ajuster selon la FAO (fabrication assistée par ordinateur sur trois axes linéaires et deux axes rotatifs). Il n'a pas besoin d'être arrêté pour les réglages.

Mouvement indexé (positionnel) ou continu (simultané)

Quelles industries bénéficient le plus du modèle 5 axes ?

L'usinage 5 axes est couramment utilisé dans les industries de pointe nécessitant des géométries complexes. On peut citer par exemple les aubes de turbine, les prothèses, les implants médicaux, les pièces de moteurs et les pièces aéronautiques.

Principales différences entre l'usinage 3 axes et 5 axes

Les machines CNC 3 et 5 axes présentent chacune leurs avantages et leurs limites. Si la machine CNC 5 axes, qui nécessite un investissement important, est privilégiée par les industries de pointe et de haute précision, la machine CNC 3 axes peut être configurée à un coût d'investissement comparativement plus faible tout en offrant une précision acceptable pour les formes plus simples. Le tableau ci-dessous présente une comparaison :

Mouvement et précision

Une machine CNC 3 axes permet à l'outil de se déplacer uniquement dans des directions linéaires. Cette méthode est privilégiée pour les pièces plates ou prismatiques. Le réglage de l'outil pour les formes courbes est difficile sur une machine CNC 3 axes.

Les machines CNC 5 axes offrent un accès complet à l'outil pour se déplacer presque partout où la CAO l'exige. Elles sont idéales pour les zones courbes, inclinées ou en contre-dépouille. La précision est élevée, même pour les formes complexes.

Vitesse et efficacité de production

Une machine CNC 5 axes offre une meilleure vitesse de production, car les interruptions sont minimes et l'outil doit être ajusté en cours de production. À l'inverse, une machine CNC 3 axes nécessite un réglage angulaire de l'outil. Cependant, une machine CNC 3 axes nécessite une programmation plus simple, ce qui la rend plus rapide pour les petites quantités de pièces.

Complexité des pièces pouvant être fabriquées

• La machine 3 axes peut produire rapidement des pièces telles que des supports, des couvercles, des boîtiers et des plaques.
• Le 5-Axis est idéal pour une utilisation dans des géométries avancées telles que les turbines, les implants orthopédiques, les moules d'injection et les supports aérospatiaux.

Usinage 3+2 vs. 5 axes simultanés :

Une machine CNC 3+2 semble identique à une machine CNC 5 axes. Il existe cependant une différence subtile, mais significative. Une machine 5 axes peut ajuster automatiquement l'outil à n'importe quel angle. En revanche, une machine 3+2, bien que capable de tourner autour de deux axes, nécessite un réglage manuel.

Qu'est-ce que l'usinage 3+2 ?

Une machine CNC 3+2 est également appelée machine 5 axes indexés. Le parcours d'outil peut pivoter autour de deux axes, mais une fois positionné, il fonctionne comme une machine CNC 2 axes standard. En résumé, il s'agit d'une machine 3 axes offrant la possibilité de régler l'outil à un angle en le faisant pivoter autour de deux axes.

5 axes simultanés :

La machine 5 axes simultanés permet une découpe multidirectionnelle. L'outil est accessible depuis n'importe quel angle et pratiquement n'importe où. Ce mouvement continu permet à l'outil de suivre des contours complexes avec une précision et un état de surface exceptionnels.

Applications : Aubes de turbine, formes sculpturales

Les aubes de turbine et les formes sculpturales présentent des géométries libres. Ces conceptions courbes requièrent une qualité de surface élevée. Cette complexité est difficile à gérer sur une machine CNC 3 axes classique, voire 3+2 axes.

Quand choisir 3+2 plutôt que 5 axes complets

Une machine CNC 3+2 peut être préférable lorsque, malgré un meilleur accès à l'outil et une coupe en angle, la courbure n'est pas uniforme, comme celle d'une aube de turbine. Une machine 3+2 est comparativement moins coûteuse et nécessite une programmation CNC moins complexe.

Comment le matériau de la pièce affecte-t-il le choix de l'axe ?

Les propriétés des matériaux, telles que la limite d'élasticité, la dureté, la conductivité thermique et le point de fusion, influencent la facilité d'usinage. Cette facilité nous aide à déterminer quel matériau est le mieux adapté à chaque machine CNC multi-axes.

Exigences relatives aux métaux et à l'axe

Pour l'usinage des métaux, il existe de nombreuses méthodes. Les plus courantes sont l'aluminium et le titane :

Aluminium ou titane : quand choisir Axis ?

L'aluminium est relativement tendre, plus conducteur et moins résistant que le titane. Un nombre réduit d'axes suffira donc, car la résistance à la coupe et l'accumulation de chaleur sont moindres. En revanche, le titane est dur, moins conducteur, plus résistant et plus cher. Un système à 5 axes pourrait être plus adapté au titane.

Plastiques et composites :

Les plastiques sont sensibles à la chaleur. Trop serrés, ils se déforment, fondent ou se déforment facilement. Il serait donc plus judicieux d'utiliser plusieurs axes.

Pièces multi-matériaux :

Une CNC 5 axes peut s'avérer un meilleur choix. Elle permet des parcours d'outils adaptatifs à des densités variables et réduit le risque de délaminage des composites stratifiés.

Logiciel et programmation d'usinage 5 axes

Compte tenu de la complexité de l'usinage 5 axes, la programmation, comme les codes, etc., peut également être plus difficile. La programmation FAO et la génération ultérieure des codes G seraient plus laborieuses.

Logiciel FAO pour 5 axes

1. Mastercam
2. Autodesk Fusion 360
3. Siemens NX CAM
4. HyperMill
5. PowerMill par Autodesk
6. SolidCAM
7. CATIA CAM par Dassault Systèmes)
8. GibbsCAM

Simulation de parcours d'outils pour éviter les collisions

Une simulation avant l'usinage réel permet de détecter les interférences entre l'outil, le porte-outil et la pièce, évitant ainsi toute collision fatale. La qualité de surface peut être améliorée en optimisant les angles en tenant compte de la simulation.

Défis de post-traitement dans les flux de travail à 5 ​​axes

Des problèmes de post-traitement peuvent survenir en raison de la programmation FAO et CNC. Les machines CNC interprètent les axes différemment. Par conséquent, le logiciel FAO doit être entièrement compatible avec la CNC 5 axes, sous peine d'erreurs lors de la génération du code G.

Études de cas concrètes : usinage 3 axes ou 5 axes

Apprenons à partir de quelques exemples concrets du monde réel :

3 axes mieux : blocs moteurs produits en série

Une machine CNC 3 axes est plus adaptée aux pièces à géométrie plane ou régulière, comme les blocs moteurs, les carters de transmission et les composants de freinage.

5 axes améliorés : fabrication d'aubes de turbines aérospatiales

Une machine CNC 5 axes est plus adaptée aux pièces à géométrie courbe, torsadée et libre. On peut citer comme exemples les aubes de turbines de moteurs à réaction, les turbines et les composants d'ailes.

Approche hybride : prototypage automobile avec 3+2

Une machine 3+2 est préférable lorsqu'un positionnement angulaire est requis, ce qui réduit les coûts et la complexité de programmation. Exemples : boîtiers, boîtiers de phares, tableaux de bord.

Conclusion : Comment choisir ?

Une CNC 3 axes est appréciée pour sa simplicité, son coût abordable et sa programmation réduite. Cependant, son utilisation peut être limitée. En revanche, une CNC 5 axes est privilégiée pour les applications avancées où la précision prime sur le coût. Certaines géométries ne peuvent être usinées qu'avec une CNC 5 axes. Le choix dépend principalement des exigences de l'application, de la facilité d'usinage et du coût.

Le système 5 axes résout-il tout ? - FAQ sur les mythes courants

Voici quelques mythes courants et FAQ sur l'usinage 5 axes :

Mythe 1 : « Les machines à 5 axes terminent toujours les pièces en une seule configuration »

Bien qu'une machine 5 axes puisse terminer les pièces en une seule configuration, ce n'est pas toujours le cas. Dans certaines géométries complexes, un repositionnement, des fixations spéciales ou des opérations secondaires telles que l'inspection, l'ébavurage ou l'assemblage peuvent être nécessaires.

Mythe 2 : « Le 3-Axis est hors du temps »

Les machines CNC 3 axes restent plus courantes que les machines CNC 5 axes. Elles permettent de produire des pièces à moindre coût et offrent un rendement élevé. Elles sont idéales pour les pièces présentant des surfaces planes, des rainures, des trous et des contours simples.

Mythe 3 : « 5 axes avec de meilleures finitions de surface »

L'état de surface dépend de la stratégie de parcours, des réglages de vitesse et de l'affûtage de l'outil. Une machine CNC 5 axes mal programmée produira un état de surface médiocre. À l'inverse, une machine CNC 3 axes bien programmée peut produire un état de surface miroir. Tout dépend de la programmation CNC, de la stratégie de parcours, des réglages de vitesse et de l'affûtage de l'outil.