Il existe aujourd'hui différents procédés d'usinage CNC, chacun présentant des avantages et des applications spécifiques. Pour les pièces cylindriques et rotatives exigeant un état de surface et une précision élevés, aucun procédé n'égale le tournage CNC de précision.
Cet article décrit l'ensemble du processus d'usinage et les applications du tournage CNC de précision. Il examine également les facteurs à prendre en compte avant de passer commande, notamment comment identifier le fournisseur le plus adapté à vos besoins d'usinage.
Qu'est-ce que le tournage CNC de précision ?
Le tournage CNC de précision est un procédé d'usinage soustractif qui permet de créer des pièces de rotation à tolérances serrées en enlevant de la matière d'une pièce en rotation à l'aide d'un outil de coupe se déplaçant linéairement. Les tours et centres de tournage CNC (horizontaux ou verticaux) sont utilisés pour le tournage CNC de précision.
Quand avez-vous besoin d'un tournage CNC de précision ?
Voici les facteurs qui indiquent que vous avez besoin d'un tournage CNC de précision.
Tolérances étroites
Le tournage CNC standard est généralement suffisant pour les pièces non critiques présentant des tolérances comprises entre 0.05 mm et 0.5 mm. Cependant, les pièces exigeant des tolérances beaucoup plus serrées (< 0.005 mm) ne peuvent être usinées de manière fiable avec les procédés CNC standard, car l'usure des outils et la dilatation thermique deviennent des sources d'erreur importantes.
Pour des pièces aussi critiques, le tournage CNC de précision est indispensable, car il permet de produire des pièces avec des tolérances aussi serrées que 0.001 mm. Cependant, cette technique engendre des coûts de production plus élevés. Par conséquent, une analyse coûts-avantages est essentielle pour choisir le type d'usinage le plus approprié. Le tournage CNC de précision ne devrait être utilisé que si les avantages potentiels justifient le surcoût.
Exigences élevées en matière de finition de surface
L'usinage CNC standard garantit des valeurs de rugosité de surface comprises entre 1.6 et 0.8 µm (Ra), ce qui est généralement suffisant pour de nombreuses pièces structurelles ou non étanches. Cependant, certaines pièces (notamment celles soumises à des contraintes élevées et à un contact important avec la surface) exigent des valeurs de Ra inférieures à 0.8 µm, voire de l'ordre de 0.005 µm (finition miroir). Ces pièces nécessitent un usinage CNC de précision.
Il convient toutefois de noter que les produits exigeant des surfaces plus lisses et des tolérances plus serrées ont des temps de cycle par pièce plus longs que les autres, notamment en raison de passes de coupe et de finition plus précises. Par conséquent, le tournage CNC de précision est souvent plus long à réaliser que le tournage CNC standard.
Bien que la différence exacte de temps de cycle dépende du produit usiné et de l'état de l'outil, le tournage CNC de précision peut prendre jusqu'à 40 % de temps en plus pour produire des pièces finies. Par conséquent, les ingénieurs peuvent parfois privilégier le tournage standard si les produits n'exigent pas des performances de surface aussi rigoureuses et sont nécessaires rapidement.
Qualité constante pour la production en petits et moyens lots
Le tournage CNC de précision offre une répétabilité de l'ordre de ±2 à 5 µm, contre ±10 à 20 µm pour le tournage standard. En pratique, le tournage CNC standard peut permettre d'atteindre les tolérances serrées et la précision dimensionnelle requises pour certaines pièces cylindriques isolées.
Cependant, cette méthode s'avère souvent insuffisante pour l'usinage de produits composés de plusieurs pièces et issus de différents lots. À l'inverse, le tournage CNC de précision offre une faible marge de répétabilité et garantit une qualité élevée et constante, quelle que soit la pièce ou le lot de production.
Fraisage CNC ou tournage CNC : quel procédé choisir ?
Fraisage et tournage CNC Le fraisage et le tournage CNC sont deux procédés d'usinage soustractifs qui impliquent une rotation pour obtenir les formes de pièces souhaitées. Cependant, le fraisage CNC fait tourner l'outil de coupe par rapport à une pièce fixe, tandis que le tournage CNC fait tourner la pièce tandis que l'outil de coupe se déplace linéairement.
En faisant tourner la pièce autour d'un axe fixe, le tournage CNC de précision offre une plus grande liberté de mouvement que le fraisage CNC. Le fraisage CNC convient aux pièces aux formes complexes et détaillées, tandis que le tournage CNC est idéal pour les pièces cylindriques.
Aujourd'hui, les fabricants disposent de centres de tournage et de fraisage CNC capables d'effectuer à la fois des opérations de fraisage et de tournage.
Quels sont les avantages et les inconvénients du tournage CNC de précision ?
Le tournage CNC de précision offre de nombreux avantages, mais présente aussi des limites. Comprendre les avantages et les inconvénients du tournage CNC de précision permet aux ingénieurs de prendre des décisions éclairées.
Avantages du tournage CNC de précision
Voici quelques avantages du tournage CNC de précision :
- ExactitudeLe tournage CNC de précision permet de produire des pièces avec des tolérances extrêmement serrées (jusqu'à 0.001 mm), ce qui le rend adapté aux géométries complexes et aux conceptions élaborées.
- Cohérence d'un lot à l'autreLe tournage de précision assure une qualité constante pour plusieurs composants d'un même lot et entre différents lots.
- EfficacitéLe processus de tournage CNC de précision est entièrement automatisé, et il n'y a aucun délai entre les étapes.
- PolyvalenceLe tournage CNC de précision convient à une grande variété de formes, de tailles, de conceptions et de matériaux.
- SécuritéLe processus de tournage de précision est réalisé en milieu clos, et l'opérateur n'est pas exposé aux projections de débris.
Inconvénients du tournage CNC de précision
Voici quelques inconvénients du tournage CNC de précision :
- PrixLe coût d'installation et de maintenance des machines de tournage CNC de précision est élevé, ce qui est particulièrement désavantageux pour la production à petite échelle et la production de pièces uniques.
- Gaspillage de matérielLe tournage CNC de précision est plus détaillé que la découpe standard, ce qui se traduit par un gaspillage de matériau plus important.
- Restriction de conceptionLe tournage CNC de précision ne permet pas d'usiner efficacement des géométries non cylindriques, comme les parallélépipèdes rectangles et les trous courbes.
Quels matériaux conviennent au tournage CNC de précision ?
Le tournage CNC de précision est compatible avec une large gamme de matériaux, mais ces derniers réagissent souvent différemment aux tolérances serrées et aux finitions de surface extrêmement fines. Voici quelques matériaux adaptés au tournage CNC de précision, ainsi que les facteurs importants à prendre en compte pour choisir celui qui convient le mieux à votre projet.
Les aciers
L'acier au carbone, l'acier allié et l'acier inoxydable (303, 304 et 316) conviennent au tournage CNC de précision. Les aciers au carbone et faiblement alliés présentent une résistance mécanique élevée, ce qui en fait un excellent choix pour les pièces soumises à de fortes charges et à la fatigue. Ces aciers sont également adaptés aux pièces d'arbres longs et aux filetages.
La dureté des aciers au carbone et alliés peut poser problème lors de l'usinage, car la pièce est abrasive et peut accélérer l'usure des outils de coupe. Ces aciers, en particulier les aciers alliés, dissipent également mal la chaleur. Cela peut entraîner une dilatation de la pièce pendant l'usinage, affectant ainsi la précision dimensionnelle du processus.
Les aciers inoxydables sont robustes et très résistants à la corrosion grâce à leur teneur en chrome (au moins 10 %), ce qui les rend adaptés à de nombreuses applications de tournage de précision. Cependant, les pièces en acier inoxydable ont tendance à s'écrouir lors de l'usinage, ce qui nécessite des forces de coupe plus importantes et peut allonger et renchérir le processus de production.
Alliages de laiton et de cuivre
Les alliages de laiton sont faciles à usiner, nécessitant de faibles forces de coupe, ce qui permet d'obtenir des tolérances serrées et d'excellents états de surface, même sur de très petits diamètres. Les alliages de cuivre sont encore plus faciles à usiner que les alliages de laiton ; de plus, ils sont ductiles et présentent une excellente conductivité thermique et électrique. C'est pourquoi le cuivre et le laiton sont souvent utilisés. pièces tournées CNC en laiton sont courantes dans l'industrie électrique, notamment pour les raccords, les vannes et les connecteurs.
Cependant, la facilité d'usinage et la conductivité élevée de ces alliages présentent des inconvénients lors de l'usinage. Avec les alliages de cuivre, le risque de formation d'arêtes rapportées est élevé, ce qui peut affecter la qualité de l'état de surface et accélérer l'usure de l'outil. La déformation de la pièce, la dilatation irrégulière et le durcissement de celle-ci sont d'autres problèmes courants qui contribuent à de mauvais résultats d'usinage.
L'usure rapide des outils est également un problème avec les alliages de laiton en raison du durcissement de la pièce, de la génération de poussières fines et de l'évaporation du zinc pendant l'usinage. Les alliages de laiton peuvent également se fissurer au contact de l'humidité.
Alliages d'aluminium
Les alliages d'aluminium les plus couramment utilisés en tournage CNC de précision sont les 6061, 6082 et 7075. Ces alliages sont privilégiés pour leur rapport résistance/poids élevé et leur usinabilité prévisible. Ils sont également compatibles avec les vitesses de coupe élevées et le contrôle précis requis par de nombreux centres de tournage de précision, permettant ainsi d'obtenir des tolérances extrêmement serrées et un excellent état de surface.
L'un des inconvénients des alliages d'aluminium réside dans leur module d'élasticité inférieur à celui d'autres métaux couramment utilisés pour le tournage de précision. De ce fait, ils sont plus sensibles aux vibrations et à la déformation des pièces, ce qui s'avère particulièrement problématique lors de l'usinage de pièces longues ou minces.
Pour des contrôles pratiques sur la pression du mandrin, les passes de finition, la planification des données de référence et la constance du diamètre, consultez notre guide sur le tournage de précision des pièces en aluminium.
Titane
Le titane (généralement de grade 5) possède un excellent rapport résistance/poids, supérieur même à celui de l'acier, ce qui en fait le matériau de choix pour de nombreuses pièces aérospatiales et automobiles. De plus, le titane est extrêmement résistant à la corrosion et supporte des températures extrêmes.
Cependant, le titane possède une faible conductivité thermique et une mauvaise dissipation de la chaleur, ce qui signifie que la chaleur se concentre au niveau du tranchant de l'outil au lieu de se dissiper avec le copeau. Cela peut accélérer l'usure de l'outil et augmenter les coûts de production déjà élevés. De plus, à haute température, le titane peut adhérer à l'outil en raison d'une réaction chimique appelée grippage.
Les matières plastiques
Le tournage CNC de précision est compatible avec de nombreux plastiques techniques, notamment l'ABS, le PEEK, le PVC, le PTFE, le POM et le nylon. Ces plastiques offrent une grande précision et sont faciles à usiner, ce qui les rend adaptés à la fabrication de pièces plastiques sur mesure et de géométrie complexe.
Malgré ces avantages, les matières plastiques ont un point de fusion bas, ce qui les rend très sensibles à la déformation, à la rupture, au gauchissement et à la fissuration sous l'effet de la chaleur. Leur utilisation requiert une stabilisation thermique adéquate et un contrôle secondaire, ce qui augmente les coûts et les délais de production.
Applications des pièces usinées avec précision par CNC
Le tournage de précision CNC est essentiel dans les industries et pour les pièces exigeant une grande précision dimensionnelle rotationnelle, des tolérances serrées, des géométries complexes et un état de surface de haute qualité. Voici quelques applications du tournage de précision CNC.
Industrie aerospatiale
Les composants aérospatiaux exigent généralement des rapports longueur/diamètre élevés, des normes de coaxialité strictes, ainsi que des tolérances serrées et une grande précision dimensionnelle. Ces pièces doivent également souvent fonctionner sous d'importantes vibrations et pouvoir y résister.
Par conséquent, les alliages de titane et d'acier sont souvent très demandés dans ces industries. Cependant, en raison des problèmes liés à ces alliages, un contrôle thermique rigoureux et une inspection minutieuse des outils sont essentiels lors de l'usinage.
Voici quelques exemples de pièces couramment usinées dans l'industrie aérospatiale :
- équipement
- Coupleurs
- Buses
- Ecarteurs
- Bushings
- Attaches
Médical
Le tournage de précision CNC est essentiel à la fabrication d'instruments médicaux et dentaires, car il permet de garantir la biocompatibilité et la précision des matériaux. La principale difficulté réside dans l'obtention d'un état de surface conforme aux exigences, notamment pour des matériaux comme le titane et l'acier inoxydable, susceptibles de durcir ou de devenir abrasifs lors de l'usinage.
Les composants usinés CNC de précision les plus courants comprennent :
- Vis à os
- Prothèses
- Épingles
- Canules
- IMPLANTS DENTAIRES
Automobile
Dans l'industrie automobile, le tournage CNC de précision est utilisé pour fabriquer des composants où des tolérances serrées, une précision dimensionnelle et une exactitude élevées, ainsi qu'une résistance à l'usure sont essentielles. Sur ces pièces, même de petites erreurs de diamètre ou de concentricité peuvent affecter le confort acoustique et vibratoire, l'étanchéité et l'alignement des capteurs.
Voici quelques exemples de pièces automobiles courantes usinées avec précision par tournage CNC :
- Arbres de transmission
- Corps de vanne
- Bushings
- Pistons
- Boîtiers de capteurs
- Composants de la transmission
Vitrines et Écrans Numériques
Le laiton, le cuivre et les alliages d'aluminium sont les matériaux les plus couramment utilisés pour le tournage CNC de précision dans l'industrie électronique. Les pièces produites dans ce secteur exigent de petits diamètres, une grande ductilité et des tolérances serrées. Les principaux problèmes rencontrés lors du tournage de précision dans ce secteur sont un état de surface imparfait, les bavures et des forces d'insertion irrégulières.
Voici quelques-uns des composants courants utilisés dans le tournage CNC de précision dans ce secteur :
- Disques
- Épingles
- Terminaux
- Connecteurs
- Boîtiers
Hydraulique
Le tournage de précision est utile pour la fabrication de composants hydrauliques où l'étanchéité dépend de la précision dimensionnelle et de l'état de surface. Pour ces pièces, les principaux enjeux sont le maintien de la circularité et de la rectitude des pièces longues, la minimisation de la rugosité afin de prévenir l'usure du joint, et la conservation du diamètre de la pièce sous haute pression.
Les pièces hydrauliques typiques usinées avec précision sont :
- Pistons
- Cylindres
- Bobines
- Manches
- Accouplements
- Buses
Considérations de conception du tournage CNC de précision
Il existe des considérations de conception clés associées à un tournage CNC de précision de qualité et rentable, et elles comprennent les suivantes :
- Vitesse de coupeCela influe sur la vitesse d'usure de l'outil, la stabilité de l'état de surface, ainsi que la génération et le contrôle de la chaleur. Les vitesses élevées accentuent la dégradation thermique de l'outil et de la pièce, tandis que les vitesses faibles peuvent augmenter l'usure de l'outil.
- Vitesse d'avancePlus la vitesse d'avance est élevée, plus l'enlèvement de matière est efficace, mais la circularité de la pièce s'en trouve diminuée. À l'inverse, une faible vitesse d'avance garantit un meilleur état de surface, mais le temps de cycle est plus long et le matériau est exposé à la chaleur plus longtemps, ce qui augmente le risque de dégradation.
- Matériau de la pièceLes matériaux tendres sont plus faciles à usiner, mais leur sensibilité à la déformation est plus élevée. À l'inverse, les matériaux durs sont plus difficiles à usiner, mais l'usure des outils est plus rapide.
Comment choisir le bon fabricant de pièces usinées CNC ?
Le succès ou l'échec du tournage CNC de précision dépend fortement du fournisseur de pièces. Par conséquent, les ingénieurs et les fabricants doivent être extrêmement vigilants et exigeants quant au choix de leurs prestataires de services de tournage CNC.
Voici quelques-uns des principaux facteurs à prendre en compte.
Capacité de la machine
Les ingénieurs doivent s'assurer que leur fournisseur potentiel de services de tournage CNC est capable de respecter les tolérances sur plusieurs cycles. Des données vérifiables concernant la tolérance et la stabilité thermique, ainsi qu'une répétabilité d'environ 5 µm, doivent être disponibles. Le fournisseur doit également être en mesure de fournir des rapports de mesure tridimensionnelle et des résultats de tests de rugosité de surface.
Connaissance des matériaux et des applications
Les ingénieurs doivent s'assurer que le fournisseur est capable de travailler avec le matériau spécifique et de réaliser les produits finaux requis. Par exemple, un projet de pièces en laiton usinées CNC devrait être confié à des fournisseurs justifiant d'une expertise et de résultats vérifiables dans le domaine du tournage du laiton.
Expérience avec les pièces tournées à tolérance serrée
L'expérience est essentielle en usinage CNC, et elle ne se mesure pas seulement en années d'ancienneté, mais aussi au nombre de projets menés à bien par le fournisseur. Les fournisseurs doivent être expérimentés dans la gestion des différents risques et problèmes liés aux pièces cylindriques, tels que les vibrations, la conicité, les défauts de coaxialité et les irrégularités de surface.
Systèmes qualité
Le fournisseur doit se conformer aux normes réglementaires du secteur. Par exemple, il doit fournir la preuve de ses certifications ISO 9001 ou ISO 2768, ainsi que la certification GD&T. Certains secteurs peuvent également exiger des certifications spécifiques, comme la norme AS9100D pour les pièces aérospatiales.
Délai d'exécution et évolutivité
En général, plus la tolérance est serrée, plus le processus de production est long. Un signe alarmant chez les fournisseurs est leur incapacité à adapter les délais de livraison à la complexité des projets. Bien que l'objectif soit généralement de livrer les produits le plus rapidement possible, les fournisseurs dont les délais de livraison sont irréalistes risquent de sacrifier la qualité.
Par ailleurs, la capacité des fournisseurs à maintenir la qualité des produits malgré une augmentation de la charge de travail est un facteur déterminant dans le choix d'un fournisseur. La tolérance et la stabilité thermique, la précision géométrique et le respect des délais de livraison sont des critères essentiels pour évaluer le potentiel d'augmentation de la production du fournisseur.
Conclusion
Le tournage CNC de précision est la méthode de fabrication privilégiée pour les pièces cylindriques exigeant des tolérances serrées et des états de surface supérieurs, notamment dans les secteurs de l'aérospatiale, du médical, de l'automobile, de l'électronique et de l'hydraulique. Pour exploiter pleinement ces performances, le choix d'un partenaire d'usinage adapté est essentiel.
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