L’usinage simultané 5 axes est un procédé d’usinage par enlèvement de matière qui combine le mouvement linéaire des trois axes classiques (X, Y, Z) et le mouvement rotatif de deux axes supplémentaires (généralement A et B, ou A et C, selon la cinématique de la machine). Contrairement à l’usinage 3+2 axes, où les axes rotatifs sont bloqués en position pendant la coupe, les cinq axes bougent en même temps pendant l’usinage simultané 5 axes.
Ses propriétés clés pour l’usinage se décomposent en deux piliers : le contrôle de l’axe de l’outil et la cinématique de la machine.
C’est la capacité à orienter l’outil par rapport à la surface de la pièce en temps réel pendant la coupe. Cette orientation est définie par deux angles :
Ce contrôle permet d’ajuster en continu l’engagement de l’outil, sa longueur effective de coupe et la direction de l’enlèvement de matière.
C’est la manière dont les axes rotatifs sont disposés sur la machine. Deux configurations principales existent :
Chaque cinématique a des implications sur la stabilité, la charge maximale de la pièce et la précision, comme nous le verrons plus loin.
L’usinage simultané 5 axes modifie profondément le comportement de la coupe par rapport à l’usinage 3 axes, du fait de l’orientation variable de l’outil.
Les forces de coupe dépendent de l’engagement de l’outil, lui-même modifié par l’orientation. En 3 axes, l’engagement est souvent constant sur une surface, ce qui génère des forces de coupe régulières. En 5 axes, l’orientation variable peut réduire l’engagement effectif de l’outil : par exemple, en inclinant l’outil de 15 à 30 degrés par rapport à la normale, on réduit la profondeur de coupe effective, ce qui diminue les forces de coupe.
Cependant, si l’orientation est mal ajustée, l’engagement peut augmenter localement, générant des pics de force qui déforment la pièce ou la machine. Par exemple, sur le GA-UHD500 (centre 5 axes haute précision), une déformation de 0,01 mm de la table sous une charge de 500 kg peut entraîner un écart de position de l’outil de 0,02 mm si l’angle d’inclinaison est de 20 degrés.
La chaleur générée par la coupe dépend de la vitesse de coupe, de l’engagement de l’outil et de la conductivité thermique du matériau. En 5 axes, l’orientation variable permet souvent de réduire la chaleur concentrée sur un point de l’outil : en changeant l’angle de coupe, on déplace la zone de contact entre l’outil et la pièce, ce qui répartit la chaleur sur une plus grande surface de l’outil.
Cependant, pour les matériaux à haute conductivité thermique (comme l’aluminium), la chaleur est évacuée plus facilement, tandis que pour les matériaux réfractaires (comme le titane ou l’Inconel), la chaleur reste concentrée, augmentant le risque de dégradation de l’outil.
L’orientation de l’outil modifie la direction de formation des copeaux. En 5 axes, on peut ajuster l’angle de coupe pour que les copeaux soient évacués loin de la zone de coupe, évitant qu’ils ne se réintroduisent dans la coupe (phénomène de recoupe des copeaux). Par exemple, en inclinant l’outil vers le bas par rapport à la surface de la pièce, les copeaux tombent par gravité loin de la zone de travail.
Cependant, si l’orientation est mal ajustée, les copeaux peuvent se coincer entre l’outil et la pièce, générant des marques sur la surface ou augmentant l’usure de l’outil.
L’usinage simultané 5 axes modifie les mécanismes d’usure par rapport à l’usinage 3 axes :
Les paramètres d’usinage simultané 5 axes dépendent du matériau de la pièce, de la cinématique de la machine et du type d’outil. Nous présentons ici des plages courantes et les compromis associés.
La vitesse de coupe est la vitesse linéaire de l’outil par rapport à la surface de la pièce. Elle est exprimée en mètres par minute (m/min).
| Matériau | Plage de Vc (m/min) | Compromis |
|---|---|---|
| Aluminium (6061, 7075) | 200 à 500 | Vitesse élevée = productivité, mais risque d’usure par abrasion si engagement trop important. |
| Acier doux (1045) | 100 à 200 | Vitesse modérée = réduction de la chaleur, mais productivité plus faible. |
| Titane (Ti6Al4V) | 30 à 80 | Vitesse faible = réduction de la chaleur concentrée, mais usure de l’outil plus rapide. |
| Inconel (718) | 10 à 40 | Vitesse très faible = contrôle de la chaleur, mais productivité très faible. |
Exemple d’application sur une machine Gree CNC : le GA-UHD500 (centre 5 axes haute précision) peut supporter une vitesse de coupe de 400 m/min pour l’aluminium, grâce à sa broche électrique de 12 000 tr/min et sa précision de positionnement de 0,006 mm.
L’avance par dent est la distance que l’outil avance par dent de coupe par tour de broche. Elle est exprimée en millimètres par dent (mm/dent).
| Matériau | Plage de fz (mm/dent) | Compromis |
|---|---|---|
| Aluminium | 0,1 à 0,3 | Avance élevée = productivité, mais risque de déformation de la pièce si forces de coupe trop importantes. |
| Acier doux | 0,05 à 0,15 | Avance modérée = réduction des forces, mais productivité plus faible. |
| Titane | 0,02 à 0,08 | Avance faible = contrôle des forces, mais usure de l’outil plus rapide. |
| Inconel | 0,01 à 0,05 | Avance très faible = contrôle des forces, mais productivité très faible. |
La géométrie de l’outil est adaptée à l’usinage simultané 5 axes pour tenir compte de l’orientation variable :
L’usinage simultané 5 axes présente des modes de défaillance spécifiques, liés à l’orientation variable de l’outil et à la cinématique de la machine.
Il se manifeste par un écart entre la dimension de la pièce usinée et la dimension souhaitée. Il peut être causé par :
Elle se manifeste par un bruit anormal pendant la coupe et des marques de vibration sur la surface de la pièce. Elle peut être causée par :
Elle se manifeste par une dégradation de la qualité de la surface de la pièce ou une rupture de l’outil. Elle peut être causée par :
Elle se manifeste par un arrêt d’urgence de la machine et des dommages à l’outil, la pièce ou la machine. Elle peut être causée par :
L’usinage simultané 5 axes n’est pas adapté à tous les cas. Voici les situations où il est préférable de choisir un autre procédé :
Si la pièce est simple (par exemple, un bloc de métal avec des trous et des surfaces planes), l’usinage 3 axes est plus économique. L’usinage 5 axes nécessite une machine plus chère, une programmation plus complexe et une maintenance plus coûteuse. Par exemple, pour usiner un bloc d’aluminium de 100×100×50 mm, l’usinage 3 axes sur un GA-MV856 (centre d’usinage vertical 3 axes) est 30 % moins cher que l’usinage 5 axes sur un GA-FA320 (centre 5 axes).
Si la pièce est très grande ou très lourde, la cinématique de la machine peut limiter l’usinage simultané 5 axes. Par exemple, pour une pièce de 2000×1000×1000 mm pesant 1500 kg, la table pivotante du GA-UHD500 (charge maximale de 800 kg) ne peut pas supporter la pièce. Dans ce cas, un usinage 3+2 axes sur un GA-FMB3020D (centre d’usinage 5 axes à portique) est plus adapté.
Si la pièce est très dure (par exemple, le carbure de tungstène) ou très fragile (par exemple, la céramique), l’usinage simultané 5 axes peut générer des forces de coupe trop importantes, déformant ou cassant la pièce. Dans ce cas, un usinage par électroérosion ou un usinage par laser est plus adapté.
Si la production est en grande série (plus de 1000 pièces identiques), l’usinage 3 axes ou l’usinage 3+2 axes est plus productif. L’usinage 5 axes nécessite un temps de programmation et de réglage plus important, qui n’est pas amorti sur une production en grande série. Par exemple, pour une production de 2000 pièces identiques en aluminium, l’usinage 3 axes sur un GA-MV856 est 25 % plus productif que l’usinage 5 axes sur un GA-FA320.
| Catégorie | Problème | Cause possible | Solution | Machine Gree CNC adaptée |
|---|---|---|---|---|
| Paramètres de coupe | Vitesse de coupe trop élevée | Risque d’usure prématurée de l’outil, de vibration ou de déformation de la pièce | Réduire la vitesse de coupe de 10 à 20 % | Toutes |
| Paramètres de coupe | Avance par dent trop importante | Risque de forces de coupe trop importantes, de déformation de la pièce ou de rupture de l’outil | Réduire l’avance par dent de 10 à 20 % | Toutes |
| Précision | Erreur de dimension de la pièce | Erreur de cinématique de la machine | Étalonner la machine tous les 6 à 12 mois | GA-UHD500, GA-FA500 |
| Précision | Erreur de dimension de la pièce | Déformation de la pièce sous charge | Ajouter des supports pour rigidifier la pièce | Toutes |
| Vibration | Bruit anormal pendant la coupe | Rigidité insuffisante de l’outil | Utiliser un outil plus court ou plus rigide | Toutes |
| Vibration | Bruit anormal pendant la coupe | Résonance de la machine | Modifier la vitesse de coupe pour éviter la fréquence de résonance | Toutes |
| Usure de l’outil | Dégradation de la surface de la pièce | Évacuation des copeaux insuffisante | Ajuster l’orientation de l’outil pour améliorer l’évacuation des copeaux | Toutes |
| Usure de l’outil | Rupture de l’outil | Engagement de l’outil trop important | Ajuster l’orientation de l’outil pour réduire l’engagement | Toutes |
| Collision | Arrêt d’urgence de la machine | Erreur de programmation | Simuler le programme de CN avant l’usinage | Toutes |
Avant de lancer un usinage simultané 5 axes, vérifiez les points suivants :
Vérification de la machine :
Vérification de l’outil :
Vérification de la pièce :
Vérification du programme de CN :
Vérification de la lubrification :
Quelle est la différence entre l’usinage simultané 5 axes et l’usinage 3+2 axes ? L’usinage 3+2 axes est un usinage 3 axes où les axes rotatifs sont bloqués en position pendant la coupe. Il permet d’usiner des surfaces inclinées sans changer de position de la pièce, mais il ne permet pas d’usiner des surfaces complexes (comme des aubes de turbine ou des moules de carrosserie) qui nécessitent une orientation variable de l’outil pendant la coupe. L’usinage simultané 5 axes permet d’orienter l’outil en temps réel pendant la coupe, ce qui permet d’usiner des surfaces complexes en une seule opération.
Quand l’usinage simultané 5 axes est-il rentable ? Il est rentable dans les cas suivants :
Quelle cinématique de machine choisir : tête pivotante ou table pivotante ? Le choix dépend de la taille et de la charge de la pièce :
Comment réduire l’usure de l’outil en usinage simultané 5 axes ? Plusieurs solutions existent :
Quelle est la précision typique d’un usinage simultané 5 axes ? La précision dépend de la machine et du réglage :
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