Bienvenue
Bienvenue dans l'usinage CNC : l'un des métiers les plus demandés dans la fabrication moderne.
CNC signifie Contrôle Numérique par Ordinateur. Cela signifie qu'un ordinateur lit un ensemble d'instructions et contrôle le mouvement d'un outil de coupe ou d'un pièce avec une précision extrême.
Avant l'ère CNC, un usinier tournerait les manivelles pour déplacer un outil de coupe sur du métal, observant des aiguilles et comptant les tours. Un usinier expérimenté pouvait tenir des tolérances d'environ plus ou moins deux milliers d'une inch. C'est impressionnant, mais cela dépend entièrement de la personne, et cela est lent.
Une machine CNC peut tenir des tolérances de plus ou moins un dixième de millième d'une inch (0,0001 pouces), et elle peut le faire sur le millième partie de la même manière que le premier. Aucune fatigue. Aucune variation.
L'usinage CNC n'a pas remplacé les usiniers. Il leur a donné un outil plus puissant. La machine fait le travail de coupe, mais l'usinier décide toujours comment : quel outil utiliser, à quelle vitesse le faire tourner, à quelle profondeur couper et dans quel ordre exécuter les opérations. Les mauvaises décisions peuvent toujours faire crasher les outils, gaspiller des pièces et coûter des milliers de dollars.
Cette leçon couvre les connaissances de base nécessaires à tout opérateur et programmeur CNC : types de machines, code G, outillage, matériaux, contrôle de qualité et parcours de carrière.
Réchauffement
Vérification Rapide
voyons où vous commencez.
Types de machines majeurs
Types de machines CNC
Différents emplois nécessitent différentes machines. Voici les types majeurs que vous rencontrerez dans un atelier.
Tourniquet CNC: L'outil de travail principal de la plupart des ateliers. Un outil coupant tournant se déplace sur un travail fixe pour enlever du matériau. Les tourniquets peuvent tailler des surfaces planes, des poches, des fentes, des trous et des contours 3D complexes. La plupart des ateliers utilisent des tourniquets verticaux, où l'arbre pointe vers le bas.
Tourniquet CNC (Centre de tourneage): Le travail se déplace tandis qu'un outil coupant fixe enlève du matériau. Les tourniquets fabriquent des pièces circulaires : arbres à bielles, bouchons, épissures, filets et tout ce qui possède une symétrie rotationnelle. Si la pièce est cylindrique, elle a probablement été fabriquée sur un tourniquet.
Perforateur CNC: Similaire à un tourniquet mais conçu pour des matériaux plus mous et de plus grandes surfaces de travail. Les perforateurs taillent dans le bois, le plastique, le mousse et l'aluminium feuilleté. Utilisés couramment dans la fabrication de panneaux d'affichage, les meubles et les composites.
EDM (Décharge électrique par machinage): Aucoutil ne touche pas au travail. Au lieu de cela, des étincelles électriques érodent le matériau. L'EDM peut tailler dans du acier trempé et créer des formes qui sont impossibles avec un découpe conventionnelle : des petits trous, des coins internes aigus et des cavités de moule complexes.
3 axes vs 5 axes: Un tourniquet à 3 axes se déplace en X (gauche-droite), Y (avant-arrière) et Z (haut-bas). Un tourniquet à 5 axes ajoute deux axes de rotation, permettant à l'outil de s'approcher du travail de presque n'importe quel angle. Les machines à 5 axes coûtent plus et sont plus difficiles à programmer, mais elles peuvent fabriquer des pièces complexes dans le secteur aéronautique et médical en une seule mise en place au lieu de nécessiter plusieurs mises en place et fixations.
Choisir la bonne machine
Correspondre la machine au travail
Un fondeur doit regarder une pièce et savoir sur quelle machine elle est fabriquée de manière la plus efficace.
Systèmes de coordonnées et mouvement
G-Code : Le langage du CNC
Chaque machine CNC lit un programme écrit en G-code : un langage simple où chaque ligne indique à la machine de faire une chose : se déplacer ici, tourner l'arbre, allumer le système de refroidissement, changer d'outil.
Le G-code utilise un système de coordonnées cartésiennes. Sur une machine à meuler :
- X = gauche & droite
- Y = avant & arrière
- Z = haut & bas (Z positif est toujours loin du pièce de travail)
Chaque programme a un décalage de travail : un point sur la pièce de travail que la machine traite comme X0 Y0 Z0. Ce point est généralement un coin ou le centre du visage supérieur. Le forgeron défini ce point en touchant l'outil à la pièce de travail et en disant au contrôleur où il est.
Les commandes de mouvement les plus importantes :
- G00 : Mouvement rapide. La machine se déplace aussi vite que possible vers une position. Utilisé pour repositionner, jamais pour couper. Se déplacer en mode rapide dans le matériel fera crasher l'outil.
- G01 : Mouvement de charge linéaire. La machine se déplace en ligne droite à un taux de charge contrôlé. C'est votre mouvement de coupe de base.
- G02 : Arc horaire. Coupe un arc circulaire dans le sens horaire.
- G03 : Arc anti-horaire. Même chose que G02, mais dans le sens opposé.
Les M-codes contrôlent les fonctions de la machine qui ne sont pas des mouvements :
- M03 : Entraînement de l'arbre, dans le sens horaire
- M05 : Arrêt de l'entraînement
- M08 : L'écoulement est activé
- M09 : L'écoulement est arrêté
- M06 : Changement d'outil
- M30 : Fin du programme et réinitialisation
Lecture d'une Bloc G-Code
Lecture de G-Code
Voici un petit extrait de G-code. Chaque ligne s'appelle un bloc.
G00 X0 Y0 Z1.0
G00 Z0.1
G01 Z-0.25 F10.0
G01 X3.0 F15.0
G00 Z1.0La valeur F est le taux de charge : la vitesse à laquelle l'outil se déplace à travers le matériel, en pouces par minute.
Décalages d'outil
Longueur des outils et écarts de travail
Chaque outil de coupe a une longueur différente. Un tournevis de fraise de 6 pouces sort plus loin du moignon que d'un foret de 2 pouces. Si la machine ne prend pas en compte cette différence, elle coupera trop profondément ou pas assez.
Ceci est résolu par les écarts de longueur des outils. Le fondeur mesure la longueur de chaque outil et l'entre dans le contrôleur. Lorsque le programme appelle cet outil, la machine ajuste toutes les déplacements Z pour compenser.
Ne pas avoir correctement configuré l'écart d'un outil est l'une des causes les plus courantes de collisions. Si l'écart est trop court, l'outil plonge plus profondément que prévu. Si l'écart est trop long, l'outil coupe de l'air au-dessus du travail.
Écarts de travail (G54, G55, G56, etc.) indiquent à la machine où se trouve l'objet de travail sur la table. Un fondeur peut configurer plusieurs pièces avec différents écarts de travail et les exécuter en séquence sans réinitialisation.
Outils de Coupe
Outils de Coupe et Leurs Tâches
Une machine CNC n'est bonne que si l'outil dans son moignon le est. Différentes opérations nécessitent différents outils.
Fraises: L'outil de fraise le plus polyvalent. Elles coupent sur le dessous et les côtés. Une fraise plate laisse un plancher plat. Une fraise bille laisse une surface arrondie, utilisée pour le modelage 3D. Les fraises sont disponibles en 2, 3 et 4 flutes: plus de flutes donnent un fini plus lisse mais nécessitent des taux de progression plus rapides pour maintenir une charge de copeaux adéquate.
Forages: Pour faire des trous. Les forages à point commencent un trou avec un centre précis. Les forages tournants creusent le trou jusqu'à la profondeur. Les repasseurs suivent pour porter le trou à un diamètre précis avec un fini lisse.
Douilles: Bouchons de coupe remplaçables qui se fixent dans un support de coupe. Utilisés couramment sur les lames et les fraisages à face. Lorsqu'un bord de douille s'use, vous l'indexez (rotation vers un bord frais) ou vous le remplacez, simplement la douille, pas tout l'outil. Cela économise de l'argent significatif dans la production.
Matériaux des outils: La plupart des outils de coupe sont soit en acier rapide (HSS) soit en carbure. Le carbure est plus dur et peut fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées, mais il est fragile et plus cher. Les outils en céramique et en diamant existent pour des applications à haute vitesse spécialisées.
Vitesses et charges de coupe
Vitesses & Charges de Coupe: Le Calcul de Base
Vitesse (RPM) est la vitesse de rotation de l'arbre. Charge (IPM: pouces par minute) est la vitesse à laquelle l'outil se déplace à travers le matériau. Avoir ces valeurs correctes est la différence entre une coupe bonne et un outil cassé.
Le point de départ est la vitesse de surface (SFM: pouces par minute), qui dépend du matériau coupé et du matériel de l'outil. L'aluminium avec un outil en carbure pourrait fonctionner à 800 SFM. L'acier doux avec un carbure pourrait fonctionner à 400 SFM. L'acier inoxydable pourrait être 250 SFM.
RPM est calculé à partir de SFM & diamètre de l'outil:
RPM = (SFM x 3.82) / Diamètre de l'outil
Charge de coupe est l'épaisseur du matériau que chaque dent enlève par révolution. C'est l'unité de base de la coupe. Une charge de coupe trop basse signifie que l'outil frotte plutôt que de couper, générant de la chaleur et accélérant l'usure. Une charge de coupe trop élevée surcharge l'outil et peut le briser.
La vitesse de charge provient de la charge de coupe:
Charge (IPM) = RPM x Nombre de Dents x Charge de Coupe
Ces valeurs sont des points de départ. Le forgeron ajuste en fonction de ce qu'il entend, voit et mesure. Une coupe bonne sonne lisse. Une mauvaise coupe hurle, chatouille ou fait trembler la machine.
Tolérances et GD&T
Tolérances : Quelle est la précision suffisante ?
Aucun élément n'est fabriqué à une dimension parfaite. Chaque dimension sur un dessin a une tolérance : l'écart acceptable de variation.
Une dimension peut indiquer 2,500 +/- 0,005 pouces. Cela signifie que la pièce réelle peut être n'importe où entre 2,495 et 2,505 pouces et passer l'inspection. Cette tolérance est de plus ou moins cinq millièmes : appelée également 'cinq thou'.
Les tolérances plus étroites coûtent plus cher. Une pièce tenue à plus ou moins 0,0005 pouces (demi thou) nécessite des machines meilleures, des outils plus précis, des alimentations plus lentes, des environnements à température contrôlée et des inspections plus attentives. Le travail du forgeron est de respecter la tolérance, pas de poursuivre la perfection au-delà de ce que le dessin exige.
GD&T (Dimensionnement et Tolerancement Géométrique) va au-delà du simple plus ou moins. Il contrôle la géométrie des caractéristiques :
- Platitude : Quelle est la hauteur d'une surface ? Une platitude de 0,001 signifie que toute la surface doit s'adapter entre deux plans parallèles de 0,001 pouces de large.
- Concentricité : Dans quelle mesure deux caractéristiques cylindriques partagent-elles le même axe central ?
- Position réelle : À quelle distance une trou se trouve-t-elle de où le dessin dit qu'elle devrait être ?
Le GD&T est sa propre langue avec ses propres symboles. Apprendre cela prend du temps, mais chaque forgeron a au moins les bases.
Mesure et Inspection
Mesurer ce que vous avez fabriqué
Vous ne pouvez pas atteindre une tolérance si vous ne pouvez pas la mesurer.
Calibres : Mesurent les diamètres intérieurs, extérieurs, les profondeurs et les étapes. Un calibre numérique lit jusqu'à 0,0005 pouces. Bon pour les tolérances de plus ou moins 0,005 et plus larges.
Micromètres : Plus précis que les calibres. Un micromètre extérieur lit jusqu'à 0,0001 pouces. Utilisé lorsque les tolérances sont de plus ou moins 0,001 ou plus étroites. Les micromètres mesurent une chose bien : vous avez besoin de types différents pour les dimensions extérieures, les bords intérieurs et les profondeurs.
MCM (Machine à Mesure Coordonnée): Un dispositif commandé par ordinateur qui touche des points sur un élément et construit une carte de mesure 3D. Les MCM peuvent vérifier les exigences complexes de GD&T (Géométrie Dimensionnelle et Tollerance) que aucune outil manuel ne peut vérifier. Ils sont coûteux mais standard dans l'aéronautique et la fabrication médicale.
Épinglettes de contrôle et blocs de référence: Précisément aiguisés pour des tailles exactes. Utilisés pour vérifier les diamètres des trous (épinglettes d'acceptation / de refus) et pour calibrer d'autres instruments. Un ensemble de blocs de référence précis à la centaine millionièmes de pouce coûte des milliers de dollars.
Parcours professionnels en usinage CNC
Parcours professionnels en usinage CNC
L'usinage CNC offre de multiples parcours professionnels avec des mélanges différents de travail manuel et de planification technique.
Opérateur CNC: Exécute les machines. Charge le matériau, régle les outils, lance les programmes, surveille les coupes et inspecte les pièces finies. Poste d'entrée de gamme, mais un bon opérateur qui comprend le processus vaut son poids en carbure. Salaire médian autour de 40 000 à 50 000 $, plus dans l'aéronautique et la fabrication médicale.
Technicien de mise en place CNC: Gère la partie complexe : aménagement, décalages d'outils, première inspection et mise en route d'un nouveau job. Une fois que le technicien de mise en place a le processus en cours, les opérateurs le maintiennent. Les techniciens de mise en place gagnent généralement entre 50 000 et 65 000 $.
Programmeur CNC: Écrit le code G, souvent en utilisant un logiciel CAM (Conception Assistée par Ordinateur) qui génère des trajectoires d'outils à partir de modèles 3D. Les programmeurs décidendent des stratégies de coupe, des sélections d'outils et des séquences d'usinage. Ils ont besoin d'une bonne compréhension à la fois du logiciel et du processus physique de coupe. Le revenu varie généralement entre 55 000 et 80 000 $.
Ingénieur de fabrication: Conception de l'ensemble du processus de fabrication : quels machines, quel ordre d'opérations, quelles fixations, quelles vérifications de qualité. Ils résolvent les problèmes de production et optimisent les coûts et la qualité. Habituellement, cela nécessite un diplôme ou une expérience considérable. 65 000 $ à 95 000 $.
Certification NIMS: Le National Institute for Metalworking Skills offre des crédits reconnus par l'industrie dans le CNC de meulage, de tournage et d'autres spécialités. La certification NIMS prouve la compétence aux employeurs et peut accélérer la progression de carrière.
De nombreux mécaniciens commencent en tant qu'opérateurs, obtiennent des crédits NIMS, passent au setup ou au programmation et finissent par diriger des départements ou ouvrir leurs propres ateliers. La voie allant de l'opérateur au propriétaire d'atelier est bien fréquentée dans ce métier.
Votre chemin vers l'avenir
Réfléchissez à votre chemin
Il n'y a pas d'entrée unique. Certains personnes commencent dans des programmes de collège communautaire. D'autres passent par des stages dans des entreprises de fabrication. D'autres rejoignent les forces armées et apprennent la mécanique là-bas. Le fil conducteur est le temps passé aux machines.
Que vous souviendrez-vous ?
Conclusion
Voici ce que vous avez abordé aujourd'hui :
- Les machines CNC utilisent un contrôle par ordinateur pour tailler des pièces avec une précision de millième d'inch, mais le mécanicien prend encore les décisions importantes
- Les meules taillent des formes planes et complexes ; les tournes font des pièces rondes ; les routeuses traitent les grands matériaux mous ; l'EDM utilise des étincelles électriques pour le acier durcis
- Le G-code est le langage des CNC : G00 pour les déplacements rapides, G01 pour la coupe, G02 / G03 pour les arcs, les codes M pour les fonctions de la machine
- Les vitesses et les charges de coupe sont calculées à partir de la vitesse de surface, du diamètre de l'outil, de la charge de copeau et du nombre de canaux
- Les tolérances définissent la variation acceptable ; le GD&T contrôle la géométrie ; l'outil de mesure approprié doit être plus précis que la tolérance
- Les parcours de carrière vont de l'opérateur au ingénieur de la fabrication, avec la certification NIMS en tant que crédit d'industrie
La fabrication par usinage numérique est un métier où la mathématique, le problème à résoudre et la compétence manuelle comptent. Les machines deviennent de plus en plus capables chaque année, mais elles ont toujours besoin de personnes qui comprennent la physique de la coupe du métal.