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May 09, 2023

Qu'est-ce que l'usinage CNC ?

Une machine à commande numérique par ordinateur (CNC) est un outil d'usinage qui forme stock

Une machine à commande numérique par ordinateur (CNC) est un outil d’usinage qui forme le matériau de stock à la forme souhaitée qui répondra aux directives de fabrication et aux exigences des composants. Les machines CNC utilisent un logiciel préprogrammé pour contrôler les mouvements de machines complexes, y compris les meuleuses, les tours, les fraises et autres outils de coupe utilisés pour enlever la matière.

Ces techniques de fabrication assistée par ordinateur peuvent effectuer un large éventail de tâches d’usinage CNC complexes et précises pour créer des produits manufacturés et des pièces spécialement conçues pour les industries automobile, de la défense et aérospatiale.

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Bien que l’impression 3D et d’autres procédés de fabrication additive occupent une place centrale dans la production de composants fabriqués avec des matériaux mous au 21ème siècle, la plupart des objets du quotidien sont toujours le résultat de techniques d’usinage soustractives hautement automatisées.

Les bouteilles d’eau en plastique sont produites à partir de moules utilisant la technique de fonçage de matrice CNC, et les composants individuels du système d’entraînement de toute voiture sur la route sont fraisés à des dimensions précises pour permettre à tous les engrenages mobiles de s’emboîter parfaitement pour des performances mécaniques optimales.

« Il y a de fortes chances que presque tout ce que vous touchez dans votre vie quotidienne ait été touché à un moment donné par une machine-outil », explique Tony Schmitz, professeur d’ingénierie à l’Université du Tennessee à Knoxville. « Si vous avez déjà voyagé dans un avion - un Boeing 747, par exemple - plus d’un million de composants distincts ont été usinés puis assemblés pour faire décoller cet avion. »

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Les machines-outils CNC sont aussi polyvalentes et dynamiques que la multitude d’articles qu’elles créent. Cependant, la plupart des machines CNC fonctionnent dans deux cadres: un système en boucle ouverte ou en boucle fermée.

Dans les systèmes CNC en boucle ouverte, l’opérateur développera la commande numérique informatique pour la tâche à accomplir et générera le code G ou le fichier de travail à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). L’ordinateur transmet ensuite les étapes appropriées au contrôleur et à ses servomoteurs connectés.

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Ces moteurs manipulent des outils de coupe, comme des tours ou des meuleuses, le long d’au moins deux axes (X et Y), bien que les machines CNC haut de gamme puissent augmenter la polyvalence et la précision en déplaçant les fraiseuses CNC et autres accessoires autour de plusieurs axes supplémentaires.

Les systèmes CNC en boucle fermée fournissent des données de rétroaction au moniteur pour résoudre les incohérences pendant que les machines CNC se déplacent autour du matériau. Cette communication moteur-moniteur permet aux systèmes en boucle fermée de modifier la vitesse, la position et la vitesse d’avance des machines de tournage et autres machines-outils CNC en temps réel.

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Voici quelques-unes des applications industrielles les plus courantes pour les machines CNC :

Les machines CNC sont d’excellents outils pour les projets qui nécessitent une vitesse de coupe précise et efficace et elles peuvent accueillir deux des techniques de coupe les plus avancées: l’électroérosion par enfoncement (machine à décharge électrique) et l’électroérosion par fil.

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Un électroérosion par plomb utilise une érosion thermique due à l’interaction entre deux électrodes – l’une fixée à l’outil sous forme de cuivre ou de graphite. L’autre est le fluide diélectrique dans lequel le matériau baigne. Étonnamment, l’outil et la pièce n’entrent jamais en contact direct pendant la production. L’électroérosion à fil fonctionne de la même manière, sauf qu’elle utilise des électrodes à fil comme outils de coupe précis.

Ce processus précis de perforation utilise un outil de coupe rotatif, généralement des forets ou des jets d’eau à grande vitesse, pour produire des trous ronds dans une pièce fixe. Ces trous accueillent souvent des vis d’assemblage et des boulons.

Les machines CNC sont souvent équipées de roues abrasives qui produisent des finitions de surface presque impeccables. Cette technique de broyage soustractif surpasse largement la précision de tout processus de fabrication additive et peut réduire les imperfections à des tolérances aussi petites que 1/10e de la largeur d’un cheveu humain.

Une fraiseuse CNC, semblable aux fraiseuses de base et autres fraiseuses manuelles, utilise des tours, des jets d’eau ou des outils de tournage pour retirer le matériau d’une pièce de stock fixe. Les fraiseuses CNC peuvent se déplacer le long de plusieurs axes, ce qui permet aux opérateurs d’effectuer des tâches de fraisage horizontales, verticales, inclinées et de taille avec une précision absolue. Ces capacités multi-angles augmentent l’efficacité du processus de fabrication de pièces complexes en bois, en métal et en plastique, car le machiniste peut ajuster et resécuriser le matériau de stock moins de fois.

Ce processus de machine CNC fonctionne de la même manière que le fraisage; Cependant, au lieu de fixer le stock à un poste de travail, il est attaché à un mécanisme de rotation qui tourne à grande vitesse. Un ouvrier utilisant un tour, ou une CNC avec un accessoire similaire, enlèvera ensuite de petites quantités de matériau jusqu’à ce qu’elles forment la crosse à la forme désirée.

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Le logiciel de fabrication assistée par ordinateur (FAO) est un composant essentiel du processus d’usinage CNC. Il est le médiateur et l’interprète de toute opération d’usinage assisté par ordinateur car il gère les entrées et sorties humaines et automatisées de chaque étape de la production.

Par exemple, les concepteurs créent des modèles 3D de leur projet dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) et téléchargent le fichier en FAO. CAM interprétera ensuite le modèle et agira comme un générateur de m-code ou g-code, traduisant l’objectif du projet dans le langage de programmation CNC. Au fur et à mesure que la machine CNC travaille sur le projet, elle renvoie des données à la FAO et informe l’opérateur de toutes les variables susceptibles d’affecter le résultat du produit.

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L’usinage CNC est enraciné dans les progrès technologiques de la révolution industrielle au milieu du 19ème siècle, lorsque les entreprises de fabrication ont commencé à utiliser des tours à cames et des outils de fraisage dans la production de masse d’armes à feu, d’équipements d’usine et d’articles de tous les jours. Dans les années 1940 et 50, l’usinage à commande numérique rudimentaire sous forme de cartes perforées m-code a commencé à automatiser plusieurs tâches de fabrication qui étaient à l’origine contrôlées manuellement par une équipe de travailleurs.

Au fur et à mesure que les ordinateurs numériques et les logiciels se sont améliorés dans les années 1970 et 80, davantage d’outils de fabrication ont pu être automatisés pour améliorer la vitesse de production et l’efficacité globale.

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Aujourd’hui, au 21ème siècle, les logiciels de FAO et de CAO et les machines CNC de pointe offrent aux petites équipes de production une stratégie rentable pour la fabrication de grandes quantités de pièces complexes. À mesure que l’apprentissage automatique et l’intelligence artificielle continuent de progresser, l’industrie manufacturière continuera probablement d’optimiser et d’automatiser les processus.

Il peut être facile de rêver d’un monde où les robots font tout le travail alors que nous entrons dans les premières étapes de la révolution de l’intelligence artificielle, cependant, les professionnels de l’usinage et les ingénieurs universitaires comprennent tous deux que le processus d’usinage CNC nécessite des travailleurs qualifiés pour s’assurer que tout fonctionne comme il se doit.

« Il [l’usinage à commande numérique par ordinateur] est une capacité fondamentale qui ne disparaîtra pas de sitôt », explique Schmitz. Au lieu de cela, Schmitz soutient que la fabrication additive et la fabrication soustractive se complètent au point que la « fabrication hybride » deviendra le futur processus d’usinage CNC.

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Schmitz dit également que cette fabrication hybride « commencera par une pièce additive qui est la pré-forme ou l’état de regard, puis nous utiliserons un usinage limité pour produire une finition de surface lisse que vous ne pouvez pas obtenir avec additif ».

Cependant, l’un des obstacles les plus difficiles auxquels est confronté l’avenir de l’usinage CNC est la pénurie actuelle de machinistes qualifiés qui connaissent bien la programmation CNC. Cette pénurie ne fera que s’aggraver à mesure que les professionnels chevronnés de la CNC prendront leur retraite et que peu d’entre eux entreront dans l’industrie pour prendre leur place.

Aux États-Unis, le ministère de la Défense et diverses autres agences fédérales ont réalisé la nécessité de relancer un programme de fabrication national défaillant et de mettre en œuvre des processus de fabrication de pointe qui rendront le pays compétitif dans l’industrie.

« Bien qu’historiquement, l’usinage ait été considéré comme un métier – où quelqu’un a besoin d’années et d’années de formation et d’expérience pratique avant de pouvoir créer les pièces qu’il veut – je crois que nous allons nous éloigner de cela pour un environnement d’usinage plus automatisé », explique Schmitz. « Il y aura toujours des emplois, mais ils seront radicalement différents de ce qu’ils étaient lorsque la technologie CNC a commencé dans les années 1940 et 50. »

Les États-Unis étaient une puissance manufacturière qui a dominé le monde dans les technologies innovantes après la Seconde Guerre mondiale. Les États-Unis ont ensuite commencé à externaliser la fabrication dans les années 1960 et 70, ce qui a conduit à une plus grande dépendance à l’égard des produits fabriqués à l’étranger. Les dirigeants de l’industrie et les organisations fédérales conviennent que le pays a désespérément besoin d’une autonomie accrue et d’une relance de l’industrie américaine de l’usinage au 21e siècle. Alors que la main-d’œuvre diminue, avec moins de personnes entrant que sortant du domaine de la technologie CNC, il n’a jamais été un meilleur moment pour rejoindre cette profession à forte demande.

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