Précision et exactitude dans l'usinage CNC : guide pratique de l'ingénieur

Si un composant est utilisé pendant des décennies, quelle que soit son application, c'est grâce à la précision de son usinage. Cela signifie que précision et exactitude sont essentielles pour obtenir une efficacité optimale d'un composant. Pour atteindre la précision et l'exactitude lors de l'usinage CNC, un usinage très soigné est nécessaire. Cet article s'appuie sur les points ou facteurs importants qui influencent la précision et l'exactitude de l'usinage CNC. Vous découvrirez la différence entre précision et exactitude, ainsi que les facteurs qui y sont associés.

Que sont la précision et l'exactitude

Précision et exactitude sont des termes courants en usinage CNC. Il est donc essentiel de comprendre ce qu'est l'usinage CNC. Il s'agit d'un procédé de fabrication qui utilise des outils contrôlés par ordinateur pour enlever de la matière de la pièce afin d'obtenir la forme souhaitée. Dans cette section, vous étudierez ce que sont la précision et l'exactitude en usinage CNC.

Précision : répétabilité des résultats

On parle de précision si l'on reproduit de manière répétée les mêmes mesures que celles requises par les mêmes procédés. C'est une tâche complexe en production par lots. Par exemple, si vous devez fabriquer 100 supports par usinage CNC, si vous fabriquez les mêmes supports, on parle de précision. La précision est appelée répétabilité des résultats en usinage CNC.

Précision : proximité de la valeur cible

Si le résultat est proche des dimensions requises pour la pièce ou identique à celles requises, on parle de précision. La précision témoigne de votre niveau de compétence en usinage CNC. La précision et l'exactitude sont essentielles à la réussite de l'application de ce composant ou produit.

Pourquoi les deux sont souvent confondus

On confond souvent exactitude et précision, car elles sont toutes deux liées à la qualité, mais sous des aspects différents. On pense souvent que la précision est l'exactitude, mais c'est différent. Une machine peut être précise tout en étant imprécise. Par exemple, une machine comme un manomètre à vis fournit systématiquement des résultats erronés. On dira qu'elle est précise en raison de résultats répétés, mais elle est imprécise. L'exactitude désigne le nombre de résultats exacts produits, tandis que la précision désigne la répétabilité d'une action.

Quelle est la différence entre l’exactitude et la précision dans l’usinage ?

Si vous hésitez encore sur la précision et l'exactitude en usinage CNC, pas d'inquiétude ! Nous sommes là pour vous éclairer. Dans cette section, vous étudierez la différence entre précision et exactitude à l'aide d'exemples pratiques :

Précision et précision dans l'usinage

Pour un usinage de précision, il est essentiel de prendre des précautions particulières lors de l'usinage des pièces usinées avec précision. Or, ces deux qualités, à savoir la précision et l'exactitude, garantissent le bon fonctionnement du composant. Elles sont donc essentielles à l'usinage CNC.

Qu'est-ce qui est considéré comme un usinage de précision ?

Comme vous l'avez vu précédemment, la précision est le terme employé pour désigner des actions répétées visant à produire des pièces de conception identique. Par exemple, les aubes de turbine sont produites par usinage CNC dans l'industrie aérospatiale. Elles nécessitent un usinage CNC extrêmement précis pour répondre aux exigences aérodynamiques. D'autres exemples incluent les écrous de vis à billes trempés, les supports de bras robotisés sur mesure, etc., qui nécessitent un usinage de précision.

Précis mais pas exact

Si vous ne parvenez toujours pas à produire des pièces précises après l'usinage CNC et que ces défaillances se répètent, on parlera de précision, mais d'inexactitude. Par exemple, lors d'un taraudage CNC, si un foret réalise systématiquement des trous décentrés de 0.1 mm en raison d'un mauvais alignement de la fixation, les trous sont précis, mais inexacts.

Précis mais pas précis

Si un ouvrier qualifié calcule la profondeur correcte en moyenne et que chaque trou varie légèrement en raison d'une incohérence manuelle, il sera qualifié de précis mais pas exact.

Ni exact ni précis

En termes simples, si vous produisez des pièces avec précision, mais de manière irrégulière, votre production n'est ni exacte ni précise. Cette instabilité dimensionnelle en production entraîne un gaspillage d'argent et de matière. C'est une compétence essentielle en usinage CNC.

Quels facteurs influencent la précision et l'exactitude de l'usinage ?
Voici les facteurs qui affectent la précision et l'exactitude de l'usinage CNC :

Comment la tolérance s'intègre dans le tableau

En ingénierie, la tolérance est primordiale, car elle permet de valider de nombreuses pièces. Elle indique le niveau d'erreur acceptable. Ces tolérances sont définies lors du dessin, puis appliquées à l'usinage CNC. Si votre pièce nécessite une tolérance stricte, comme c'est souvent le cas dans l'industrie aéronautique, par exemple pour les aubes de turbine, la tolérance sera très faible pour sa validation. En d'autres termes, le risque d'erreur est très faible ; il faudra donc être très prudent lors de l'usinage.

Tolérances bilatérales et unilatérales

La tolérance bilatérale signifie qu'un écart dans deux directions par rapport à la dimension nominale est acceptable. Par exemple, 50 ± 0.1 mm. Les tolérances bilatérales sont principalement utilisées dans nos industries.

Une tolérance unilatérale signifie qu'un écart par rapport à la dimension nominale est acceptable dans une seule direction. Par exemple, 50 +0.2/−0.0 mm. Ces tolérances ne sont utilisées que dans les situations critiques, comme l'usinage d'un arbre, etc.

Appels géométriques GD&T qui augmentent les coûts

GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) est l'abréviation de « Dimensionnement et Tolérancement Géométriques » ; il contrôle l'orientation, la forme et la position au-delà des dimensions de base. Voici quelques exigences GD&T strictes :

• Planéité (−) : Surface extrêmement plane
• Position réelle (֍) : force un alignement précis
• Perpendicularité (↗) : nécessite un angle exact de 90 ° par rapport à une référence
• Faux-rond (+) : empêche les oscillations des pièces rotatives

Ce qui compromet la précision et l'exactitude : sources d'erreurs courantes des machines CNC

Cette section est essentielle pour la précision et l'exactitude, car elle présente les facteurs à l'origine des erreurs courantes en CNC. Voyons comment ces facteurs affectent la précision et l'exactitude de l'usinage CNC :

Usure et jeu des machines

Le jeu et l'usure de la machine ont un impact négatif sur la précision et l'exactitude de l'usinage CNC, car ils provoquent des erreurs dimensionnelles et une mauvaise finition de surface.

Dérive thermique sur les longues distances

Dans les séries longues, la dérive thermique est un problème courant dans lequel les fluctuations de température provoquent des erreurs de précision dimensionnelle et de précision dans l'usinage CNC.

Déviation et faux-rond de l'outil

La déviation de l'outil entraîne des dimensions défectueuses et le faux-rond provoque des variations dans la charge de copeaux, ce qui entraîne une surface rugueuse et une durée de vie réduite de l'outil.

Erreurs d'opérateur et de programmation

Il s'agit d'erreurs humaines. Une personne non qualifiée ou des erreurs de programmation peuvent entraîner une perte de précision de l'usinage CNC.

Outils de mesure pour la précision et l'exactitude

Cette section de cet article est intéressante, car elle vous permettra d'apprendre différentes techniques de mesure de l'exactitude et de la précision pendant et après l'usinage CNC. Ces outils garantissent que les dimensions des pièces sont parfaitement conformes aux exigences. Découvrons quelques techniques de mesure avancées dans cette section :

Micromètres et jauges d'alésage

Vous pouvez lire les différences fondamentales entre ces outils dans le tableau suivant :

Systèmes de MMT et de numérisation 3D

Une machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est un outil de mesure avancé qui collecte d'abord les données 3D de la surface de la pièce à l'aide d'une sonde. Un logiciel tel que PC-DMIS analyse ensuite les tolérances GD&T, de forme et de position.

• Vous pouvez l'utiliser pour des géométries complexes, une haute précision, c'est-à-dire jusqu'à 0025 mm et une inspection automatisée.

Un système de numérisation 3D est un outil de mesure encore plus avancé. Il utilise un laser pour capturer des millions de points de données. Il convertit ensuite ces points de données en modèles compatibles CAO, afin de les comparer à la conception et aux dimensions d'origine.

• Vous pouvez l'utiliser pour la numérisation rapide de formes complexes ; il est portable et idéal pour les conceptions organiques.

Palpation en cours de processus sur machines CNC

Les machines CNC avancées sont désormais équipées de sondes intégrées qui continuent d'enregistrer les dimensions de la surface et de la machine si des écarts sont constatés.

Quantification de la précision et de l'exactitude avec les mesures Cp/Cpk

Pour évaluer la capabilité d'un processus de fabrication et mesurer sa conformité aux spécifications prédéfinies, vous aurez besoin d'indices statistiques Cp/Cpk. Ces indicateurs sont souvent utilisés dans les méthodologies Six Sigma pour identifier et corriger les écarts de processus, ce qui se traduit par une réduction des erreurs et une amélioration de la précision et de l'exactitude.

Comment calculer le rapport Cp/Cpk étape par étape

Faisons un calcul de précision étape par étape via les indices Cp/Cpk :

• 1. Définir les spécifications et collecter les données

Pour définir les spécifications, vous devez d'abord déterminer la limite supérieure de spécification (LSS) et la limite inférieure de spécification (LSL). Ces spécifications constituent les valeurs cibles du client. Après avoir défini les spécifications, vous collecterez des données sur au moins 30 points afin de garantir la représentativité des données de l'échantillon.

• 2. Vérifier la stabilité et la normalité des données

Vous devrez vérifier la stabilité du processus avant de vous fier à une analyse de capabilité telle que Cp/Cpk. La stabilité du processus signifie que la moyenne et les écarts restent constants tout au long de l'analyse, notamment en l'absence de sauts brusques dans le modèle. Ensuite, vous devrez également confirmer la normalité des données en vérifiant si elles suivent une courbe en cloche normale.

• 3. Calculer les valeurs Cp et Cpk

Pour calculer Cp, trouvez :

• USL : limite de spécification supérieure
• LSL : limite inférieure de spécification
• σ : écart type estimé du processus

Pour calculer Cpk, trouvez :

• USL : limite de spécification supérieure
• LSL : limite inférieure de spécification
• μ : moyenne du processus
• σ : écart type estimé du processus

• 4. Interpréter la capacité du processus

Pour interpréter la capabilité d'un processus, il est nécessaire de comprendre les valeurs Cp et Cpk. Par exemple :

• Valeur Cp>1 : processus capable de répondre aux exigences des clients
• Cp<1 : l'écart de processus ne sera pas dans les valeurs de tolérance

En cas de Cpk :

Cpk=1 : le processus est bien centré dans les limites de spécification

Si la valeur Cpk est négative, la sortie du processus sera au-delà des limites de spécification

Dans la plage de 0 à 1, des valeurs Cpk plus élevées signifient une meilleure capacité de processus

Et si Cp=Cpk, le processus est parfaitement centré entre les limites de spécification.

Interprétation d'un histogramme de capacité

Pour interpréter un histogramme de capacité, vous aurez besoin de :

• Examen visuel de la répartition des données dans l'histogramme
• Évaluation de la normalité
• Centrage du processus
• Stabilité du processus

Définition des critères d'acceptation pour les pièces de grande valeur

Il est désormais facile de définir des critères d'acceptation. Par exemple, pour les pièces de grande valeur, les critères d'acceptation sont les suivants :

Valeurs cibles Cp et Cpk ≥ 1.33

Et pour la partie critique, les critères d'acceptation sont des valeurs cibles de Cp et Cpk de 1.67.

Précision et exactitude dans différentes industries

Dans cette section, vous verrez quelle est la différence pratique entre précision et exactitude concernant différentes industries :

Aéronautique : Fente de pied d'aube de turbine ± 0.01 mm

Comme vous le savez, l'industrie aéronautique impose des normes de sécurité très strictes, ce qui explique la tolérance minimale accordée aux pièces. Cette tolérance n'est que de ± 0.01 mm, ce qui nécessite un usinage CNC très soigné.

Médical : Emplacement du trou de la plaque osseuse ± 0.05 mm

Dans le secteur médical, notamment en chirurgie orthopédique, l'emplacement du trou de la plaque osseuse est crucial pour la réussite des résultats. Afin de garantir l'exactitude et la précision, la tolérance est de seulement ± 0.05 mm.

Automobile : boîte de vitesses électrique Cpk ≥ 1.67

Les boîtes de vitesses EV très précises et précises nécessitent un Cpk de 1.67 ou plus, une précision forgée et une validation CMM au niveau du micron pour une efficacité optimale.

Projets personnalisés — Du prototype à la production

L'usinage de précision sur mesure assure une transition parfaite du prototype à la production. Nos procédés CNC et MMT garantissent une précision de ± 0.01 mm, garantissant ainsi que vos pièces sur mesure répondent parfaitement aux spécifications, du premier échantillon à la fabrication à grande échelle. Démarrez votre projet dès aujourd'hui.

Comment améliorer la précision et l'exactitude

Voici comment vous pouvez améliorer à la fois la précision et l’exactitude :

1. Configuration de pré-production

• Vérifier la capacité de la machine
• Effectuer une analyse du système de mesure (MSA)
• Calibrer toutes les jauges de mesure

2. Contrôle en cours de processus

1. Utilisez le palpage intégré à la machine pour des ajustements en temps réel
2. Mettre en œuvre le contrôle statistique des processus (SPC)
3. Surveiller l'usure des outils et les effets thermiques

3. Vérification post-production

• Effectuer l'inspection finale avec les MMT
• Valider par rapport aux exigences GD&T
• Documenter les résultats pour une amélioration continue

Conclusion

Toutes les machines électroniques évoluent vers des processus pilotés par l'IA. Les tendances futures de l'usinage CNC incluent l'optimisation des processus par l'IA, la surveillance en temps réel grâce à l'IoT et l'usinage adaptatif avec retour d'information en boucle fermée. D'autres technologies, comme la maintenance prédictive, amélioreront la précision de l'usinage CNC en offrant des tolérances plus strictes, une fabrication plus intelligente et une production plus rapide.

FAQ

La précision est-elle égale à l’exactitude ?

Non, la précision signifie la répétabilité des résultats, tandis que l'exactitude signifie à quel point le résultat est proche de la dimension requise.

Une plus grande précision augmente-t-elle toujours les coûts ?

Oui, une précision plus élevée signifie une tolérance plus stricte, etc. Pour obtenir une tolérance plus stricte, nous avons besoin d'outils plus avancés et d'un usinage plus soigné, donc oui, les coûts augmenteront.

L’additif et la CNC peuvent-ils atteindre la même précision ?

Non, car la CNC peut atteindre une précision allant jusqu'à 0.001 mm, ce qui est supérieur à la fabrication additive (0.005 mm).