1. Usinage 3+2 axes

L'usinage 3+2 axes, également appelé « usinage d'orientation » ou « usinage de positionnement cinq axes », consiste à utiliser deux axes de rotation (généralement les axes A et C) d'une machine cinq axes pour faire pivoter et incliner la pièce à usiner selon un angle optimal fixe. Une fois en position, la pièce est bloquée et l'usinage est réalisé à l'aide de trois mouvements linéaires (X, Y, Z), comme sur un centre d'usinage trois axes traditionnel.

Mesures: Position → Verrouillage → Fraisage 3 axes

Équipement: Toute machine cinq axes à deux axes rotatifs peut réaliser un usinage 3+2. Elle ne nécessite pas une commande simultanée cinq axes, mais un matériel compatible avec le positionnement des axes rotatifs. Il s'agit d'une méthode d'usinage cinq axes très courante et économique.

2. Usinage simultané sur 5 axes

Il s'agit d'un véritable usinage « continu à cinq axes ». Durant ce processus, les cinq axes (X, Y, Z, A, B/C) se déplacent simultanément et en continu, selon les instructions du programme CNC. Cela permet à la pointe de l'outil de suivre des trajectoires spatiales complexes tout en ajustant son orientation en temps réel, garantissant ainsi des conditions de coupe optimales par rapport à la surface de la pièce.

Équipement: Une machine CNC 5 axes simultanés haut de gamme est nécessaire. Ces machines possèdent non seulement deux axes rotatifs, mais nécessitent également un système CNC puissant capable d'interpolation 5 axes, de RTCP (Rotating Tool Center Point) et de compensation du jeu pour maintenir la position spatiale correcte de la pointe de l'outil.

Structures communes :

  • Table rotative double (par exemple, table rotative à courant alternatif)
  • Tête pivotante double (par exemple, tête pivotante BA)
  • Table hybride + tête (ex. : A table rotative + B tête pivotante)

3. Usinage combiné tournage-fraisage

Le principe fondamental de l'usinage combiné tournage-fraisage repose sur l'intégration de plusieurs fonctions au sein d'une même machine, réduisant ainsi le besoin de réglages multiples. La pièce à usiner est fixée sur la broche (pour le tournage), tandis qu'un ou plusieurs outils rotatifs à grande vitesse (pour le fraisage) et une broche secondaire sont intégrés à la machine.

Lors de l'usinage, la broche principale assure la rotation de la pièce pour le tournage ; les outils électriques réalisent le fraisage, le perçage et le taraudage ; et la broche secondaire peut prendre le relais pour l'usinage de la face arrière. L'ensemble de ces opérations se déroule en une seule opération, l'objectif étant de produire « une machine, une pièce complète ». La fonction de fraisage est souvent intégrée dans un système à cinq axes (3+2 ou simultanés).

Équipement: Un centre d'usinage combiné tournage-fraisage comprend généralement :

  • Broche de rotation (peut fonctionner comme indexage ou liaison de l'axe C)
  • Outils électriques (broches de fraisage rotatives à grande vitesse)
  • Deuxième broche (pour la récupération des pièces et l'usinage de la face arrière)
  • Axe Y (permet à l'outil électrique de s'écarter de l'axe central)
  • Axe B (une tête d'outil rotative inclinable, permettant un fraisage 3+2 ou cinq axes)

Comparaison des principales méthodes d'usinage

Fonctionnalité Usinage 3+2 axes Usinage simultané 5 axes Usinage combiné tournage-fraisage
Principe fondamental Bloquez les axes rotatifs à un angle précis, puis effectuez un fraisage sur 3 axes. Cinq axes (X, Y, Z, A, B/C) se déplacent simultanément, ajustant l'orientation de l'outil en temps réel. Intègre les fonctions de tournage (rotation) et de fraisage (outil électrique) dans une seule machine avec une seule configuration.
Type de mouvement Séquentiel : Positionnement → Verrouillage → Fraisage 3 axes. Synchrone : Cinq axes coordonnent et ajustent en continu l'orientation de l'outil. Combinaison de la rotation de la broche de tournage (axe C) et de l'avance de la broche de fraisage, souvent avec une deuxième broche, axe Y, axe B, pour un mouvement composé.
Essence Un mode d'application de machine à cinq axes, et non un type de machine autonome. Fonctionnalités de machine cinq axes de pointe. Machine intégrée multifonctionnelle, sa fonction de fraisage étant souvent basée sur un système à cinq axes.
Principaux avantages Évite les interférences entre outils, utilise des outils plus courts et plus résistants, améliore la qualité de surface et réduit le temps de préparation. Permet l'usinage de surfaces continues spatiales complexes (par exemple, roues, turbines, moules de précision). Réduit les temps de préparation, augmente la précision et l'efficacité, et permet de réaliser des pièces très complexes en une seule opération.
Équipement typique Tout centre d'usinage à cinq axes avec deux axes rotatifs (verticaux ou horizontaux). Centres d'usinage haut de gamme à 5 axes (type à table rotative, type à tête pivotante, type hybride). Machine-outil intégrée avec broches de tournage et de fraisage (par exemple, centres de tournage-fraisage avec axe B et axe Y).
Analogie "Prenez la pose, puis sculptez." "Dansez et sculptez simultanément." « Un artisan capable à la fois de tourner et de fraiser, et qui ne lâche jamais la pièce. »

Résumé des principales différences

Objectifs:

  • 3+2 et 5 axes simultanés : Résoudre principalement les problèmes d'orientation des outils et d'usinage de surfaces complexes.
  • Composé de tournage-fraisage : Il s'agit principalement d'intégrer les processus afin de réduire les réglages et d'améliorer l'efficacité et la précision globales.

Relations :

  • La partie fraisage d'une machine de tournage-fraisage est souvent un système à cinq axes, capable d'usinage simultané à la fois sur 3+2 et 5 axes.
  • Une machine à 5 axes peut effectuer des opérations d'usinage 3+2 et 5 axes, mais ne peut pas effectuer d'opérations de tournage.
  • L'usinage 3+2 est un sous-ensemble de l'usinage simultané 5 axes.

Valeur fondamentale :

  • 3+2: Valeur stratégique grâce à des angles optimisés pour améliorer la qualité, l'efficacité et éviter les interférences entre outils.
  • 5 axes simultanés : Valeur basée sur les capacités, résolvant l'usinage de géométries complexes que d'autres méthodes ne peuvent pas gérer.
  • Composé de tournage-fraisage : Une approche axée sur les processus, révolutionnant les flux de travail traditionnels multi-machines et multi-dispositifs, et améliorant considérablement la précision et l'efficacité.

Analyse des coûts

Usinage 3+2 axes

  • Coût de l'équipement : Plus performant que les machines 3 axes traditionnelles, mais bien moins performant que les machines 5 axes haut de gamme et les tours-fraiseuses combinés. La solution la plus économique pour accéder au domaine des machines 5 axes.
  • Coût de la programmation :
    • Logiciel : Nécessite un logiciel de FAO avec des capacités de positionnement sur cinq axes (par exemple, UG/NX, Mastercam, Hypermill), mais sans modules simultanés sur cinq axes haut de gamme, ce qui permet de maintenir les coûts du logiciel relativement bas.
    • Main-d'œuvre et temps : Plus complexe que la programmation 3 axes, nécessitant que les ingénieurs comprennent l'orientation de l'outil et le positionnement de la pièce, mais beaucoup plus simple que la programmation 5 axes complète.
    • Temps de cycle : Bien que le positionnement prenne du temps machine, le temps de traitement total est considérablement réduit grâce à la minimisation des réglages et à l’utilisation d’outils efficaces.
    • Coûts des dispositifs de fixation : Simplifiés, nécessitant souvent un simple dispositif de fixation pour l’usinage multifaces.
    • Coût des outils : Des outils plus durables et plus résistants peuvent être utilisés, ce qui réduit les risques de casse et améliore la durée de vie des outils.

Usinage simultané 5 axes

  • Coût de l'équipement : Extrêmement élevé. Les véritables machines à cinq axes possèdent des structures mécaniques complexes et des exigences élevées en matière de système CNC, coûtant souvent 3 à 5 fois plus cher que les machines à 3 axes équivalentes.
  • Coût de la programmation :
    • Logiciel : Nécessite des licences logicielles FAO cinq axes haut de gamme et coûteuses.
    • Travail et temps : La programmation est extrêmement complexe et nécessite une compréhension approfondie des trajectoires d'outils, du contrôle vectoriel et de l'évitement des collisions.
    • Temps de cycle : Taux horaire machine le plus élevé, mais aucune alternative pour l’usinage de surfaces complexes (par exemple, les turbines), ce qui en fait un investissement nécessaire pour certaines tâches.
    • Coût des outils : Des outils de coupe spécialisés peuvent être nécessaires pour obtenir des résultats optimaux.

Usinage combiné tournage-fraisage

  • Coût de l'équipement : Le modèle haut de gamme, avec tournage, fraisage intégrés et souvent des fonctions supplémentaires comme le perçage, le taraudage et même la rectification.
  • Coût de la programmation :
    • Logiciel : Nécessite un logiciel de FAO spécialisé capable de gérer les opérations de tournage et de fraisage, souvent le plus coûteux.
    • Main-d'œuvre et temps : La programmation la plus complexe, nécessitant la connaissance des techniques de tournage et de fraisage ainsi qu'une intégration parfaite des deux.
    • Temps de cycle : Généralement le plus court pour les pièces complexes, car plusieurs processus sont combinés en un seul cycle machine.
    • Coûts des dispositifs de montage : Extrêmement faibles, ne nécessitant presque toujours que des mandrins et des pointes standard.

Résumé comparatif des coûts

Dimension du coût Usinage 3+2 axes Usinage simultané 5 axes Usinage combiné tournage-fraisage
Coût de l'équipement Moyen-élevé Extrêmement élevé Extrêmement élevé
Logiciels et programmation Moyen Haut Très élevé
Coût du temps de cycle Moyen Moyen-élevé Généralement le plus bas (pour les pièces complexes)
Coûts d'installation et de mise en place Faible à moyen Faible à moyen Extrêmement bas
Coûts d'outillage Moyen (Outils standard) Moyen Moyen (Systèmes spécialisés)
Compétences et main-d'œuvre des opérateurs Moyen-élevé Haut Très élevé
Volumes de production appropriés Petites séries, prototypes Pièces individuelles de grande valeur, produites en petites séries Produits à grand volume et à forte valeur ajoutée
Base de coûts Épargne stratégique Coûts basés sur les capacités Efficacité