Qu'est-ce que l'usinage CNC ?

Une machine à commande numérique par ordinateur (CNC) est un outil d'usinage qui façonne le matériau de base à une 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 le matériau.

Ces techniques de fabrication assistées par ordinateur peuvent effectuer une large gamme de tâches d'usinage CNC complexes et précises pour créer des produits manufacturés et des pièces spécialement conçues pour les industries de l'automobile, de la défense et de l'aérospatiale.

Bien que l'impression 3D et d'autres processus de fabrication additive occupent une place centrale dans la production de composants fabriqués avec des matériaux souples au XXIe 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 d'enfonçage CNC, et les composants du système d'entraînement individuel de toute voiture sur la route sont fraisés à des dimensions précises pour permettre à tous les engrenages mobiles de s'emboîter de manière transparente 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", déclare 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 séparés ont été usinés puis assemblés pour faire décoller cet avion."

Les machines-outils à commande numérique 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 par ordinateur 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.

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 des fraiseuses CNC et d'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 l'avance des tours et autres machines-outils à commande numérique en temps réel.

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 enfonçage (électroérosion) et l'électroérosion à fil.

Un enfonçage EDM utilise une érosion thermique de l'interaction entre deux électrodes - une attachée à l'outil sous forme de cuivre ou de graphite. L'autre est le fluide diélectrique dans lequel baigne le matériau. Étonnamment, l'outil et la pièce n'entrent jamais en contact direct pendant la production. Le Wire EDM fonctionne de la même manière, sauf qu'il utilise des fils-électrodes comme outils de coupe précis.

Ce processus de perforation précis 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 et des boulons d'assemblage.

Les machines CNC sont souvent équipées de meules abrasives qui produisent des finitions de surface presque parfaites. Cette technique de meulage soustractif dépasse largement la précision de tout processus de fabrication additive et peut réduire les imperfections à des tolérances aussi petites que 1/10ème de la largeur d'un cheveu humain.

Une fraiseuse CNC, similaire aux fraiseuses de base et aux autres fraiseuses manuelles, utilise des tours, des jets d'eau ou des outils de tournage pour enlever la matière d'une pièce de stock fixe. Les fraiseuses CNC peuvent se déplacer le long de plusieurs axes, permettant aux opérateurs d'effectuer des tâches de fraisage horizontal, vertical, angulaire et de surfaçage 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 sécuriser le matériau en 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 le stock à la forme souhaitée.

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 à la fois les entrées et les 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 dans CAM. CAM interprétera ensuite le modèle et agira comme un générateur de code m ou de code g, 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 CAM et informe l'opérateur de toute variable susceptible d'affecter le résultat du produit.

L'usinage CNC est enraciné dans les avancées technologiques de la révolution industrielle au milieu du XIXe 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 du quotidien. Dans les années 1940 et 1950, l'usinage à commande numérique rudimentaire sous la forme de cartes perforées à code m a commencé à automatiser plusieurs tâches de fabrication qui étaient à l'origine contrôlées manuellement par une équipe de travailleurs.

À mesure que les ordinateurs numériques et les logiciels informatiques se sont améliorés dans les années 1970 et 1980, davantage d'outils de fabrication pourraient être automatisés pour améliorer la vitesse de production et l'efficacité globale.

Aujourd'hui, au 21e siècle, les logiciels de FAO et de CAO et les machines CNC de pointe permettent aux petites équipes de production une stratégie rentable pour fabriquer de grandes quantités de pièces complexes. Alors 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 universitaires en ingénierie comprennent tous les deux que le processus d'usinage CNC nécessite des travailleurs qualifiés pour s'assurer que tout fonctionne comme cela devrait.

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

Schmitz dit également que cette fabrication hybride "commencera par une pièce additive qui est la préforme ou la condition de départ, puis nous utiliserons un usinage limité pour produire une finition de surface lisse que vous ne pouvez pas obtenir avec un additif".

Cependant, l'un des obstacles les plus difficiles à surmonter pour l'avenir de l'usinage CNC est la pénurie actuelle de main-d'œuvre qualifiée et familiarisée avec la programmation CNC. Cette pénurie ne fera que s'aggraver à mesure que les professionnels vétérans de la CNC prendront leur retraite et que peu 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 national de fabrication défaillant et de mettre en œuvre des processus de fabrication de pointe qui rendront le pays compétitif dans l'industrie.

"Alors qu'historiquement, l'usinage a 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 pense que nous allons nous éloigner de cela pour un environnement d'usinage plus automatisé. ", dit 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 40 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 sous-traiter la fabrication dans les années 1960 et 1970, ce qui a conduit à une plus forte dépendance à l'égard des produits fabriqués à l'étranger. Les dirigeants de l'industrie et les organisations fédérales conviennent que le pays a un besoin urgent 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, le moment n'a jamais été aussi propice pour rejoindre cette profession très demandée.

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