L’usinage CNC dans l’industrie métallurgique et du tube

L’usinage CNC (Computer Numerical Control ou contrôle numérique par ordinateur) est le contrôle de machines-outils d’usinage à l’aide d’un ordinateur. Il existe depuis les années 70 du 20ème siècle comme une évolution du NC (Numerical Control en anglais, ou contrôle numérique, qui n’était pas nécessairement lié à des ordinateurs mais à d’autres moyens de contrôler des machines-outils), qui remonte aux années 40 et 50.

Pour ceux qui considèrent ce type d’usinage comme quelque chose de très compliqué réservé à l’industrie, peut-être une machine parmi les machines CNC développées dans de petits ateliers et même à un niveau particulier, parmi les amateurs, sera-t-elle familière : les imprimantes 3D. Ces imprimantes utilisent une technologie similaire aux lasers CNC, mais utilisent une extrudeuse pour déposer lentement le plastique (bien qu’elle soit également utilisée industriellement avec d’autres matériaux tels que les métaux) dans un mouvement consistant jusqu’à ce que le produit souhaité soit complet.

Pour créer un produit avec une imprimante 3D, il faut suivre les étapes de la CNC : concevez la pièce à l’aide d’un logiciel afin de créer un modèle 3D spécifiant les mouvements des axes, la vitesse d’avancement de l’outil de formage, etc. ; extraire le code de cette conception et le transférer dans un fichier vers le contrôle de l’imprimante et l’activer, en vérifiant que la pièce est fabriquée correctement.

Avant l’usinage NC et CNC

L’usinage CN et puis la CNC permettaient de contrôler les machines-outils sans la forte proportion d’intervention manuelle qui devait se produire jusque-là pour usiner une pièce.

Par exemple, avant l’usinage CNC et CN, le perçage d’un tube était effectué en plaçant le tube dans la presse de la machine-outil pour le maintenir, en sélectionnant dans cette machine la vitesse de rotation de la perceuse (généralement avec des poulies à courroie) et en activant la vis à rouleaux satellites. Ces actions comportaient une forte proportion de manipulations manuelles (mise en place de la mèche sur l’axe, activation de l’axe, placement de la pièce sous la perceuse, mécanisation du trou et arrêt de l’axe), ce qui ne posait pas de problèmes majeurs avec de petites quantités, mais comme il était nécessaire d’usiner un plus grand nombre de pièces et de réaliser des opérations d’usinage plus complexes, la probabilité de fatigue de la personne augmentait du fait de l’ennui de l’opération, et par conséquent, diminuait la productivité et augmentait la marge d’erreur.

L’usinage CN était un progrès dans ces sens car il permettait de contrôler la machine-outil à l’aide d’une bande perforée contenant les mouvements de la machine par rapport aux axes de coordonnées qui spécifiaient le mouvement de l’outil de découpe. De cette façon, l’intervention de la personne à chaque étape n’était pas nécessaire, elle pouvait accomplir d’autres tâches, et la productivité augmentait énormément.

Avant le contrôle numérique, les processus d’usinage comportaient une part importante de la manipulation manuelle. Actuellement, certaines opérations isolées sont effectuées manuellement, avec peu de pièces.

Par la suite, ce contrôle est passé à être fait avec une bande perforée à être fait par ordinateur, y compris la mise en place de la perceuse sur l’axe, l’activation, etc. Cela apportait plusieurs avantages.

Principaux avantages de l’usinage CNC

• Amélioration de l’automatisation en matière de contrôle numérique sans ordinateur. Cela signifie que l’intervention de la personne à chaque étape peut être réduite, voire supprimée, bien qu’une certaine action manuelle ait toujours lieu pour des tâches spécifiques, telles que la réparation et le travail sur des prototypes. Cela permet d’augmenter la production en même temps, car les machines CNC peuvent fonctionner 24 heures par jour.
• Plus grande précision et consistance des pièces obtenues. Les machines CNC actuelles ont des spécifications de précision et de répétabilité étonnantes, pouvant facilement réaliser deux, dix ou mille pièces identiques une fois le programme a été vérifié. C’était fondamental dans la production de masse.
• Une plus grande flexibilité, en tant que machines-outils contrôlées par un programme informatique, effectuer un nouvel usinage ne contenant que quelques modifications mineures par rapport à d’autres travaux antérieurs, nécessite uniquement ouvrir un projet enregistré, faire certaines modifications et la sauvegarde séparée, comme cela se produit dans tout autre logiciel. Cela permet des changements rapides et une adaptation à tout type de pièce, et l’élimination de la plupart des prototypes.
• Plus de sécurité, car l’interaction de l’opérateur avec la machine est minimale dans la plupart des mouvements. Auparavant, en intervenant dans des actions telles que changer de têtes, charger du matériel, arrêter un mouvement, etc., il était plus probable d’avoir des accidents.

Principaux défis de l’usinage CNC

• Coûts d’opération élevés: bien que les machines CNC permettent de réduire le nombre de travailleurs manuels requis dans une usine de fabrication, leur utilisation est plus coûteuse. Cependant, les coûts associés au fonctionnement des machines diminuent progressivement.
• Besoin de formation: initialement, la généralisation de l’usinage CNC a entraîné beaucoup de chômage, réduisant ainsi le besoin de travailleurs manuels. Cependant, avec une formation adéquate, ce système génère de nouvelles opportunités d’emplois spécialisés, car il nécessite des opérateurs de machines-outils CNC, des programmeurs, du personnel de maintenance, ainsi que des ingénieurs et des techniciens pour la fabrication de machines-outils et des formateurs pour enseigner son fonctionnement.

Fonctionnement d’usinage CNC

En gros, l’usinage CNC permet de faire pratiquement tout ce qui a été fait manuellement auparavant : placer la perceuse sur l’axe, l’activer, placer la pièce à usiner dans la machine, l’usiner et arrêter l’axe. Une fois la machine-outil configurée par commande numérique et mise en service, l’intervention des opérateurs est minime. Il est même possible d’automatiser le processus de chargement des pièces.

Contrôle de mouvement

Toute machine-outil CNC d’usinage permet de programmer deux ou plus de directions de mouvement (axes pouvant être linéaires – suivant une ligne droite – ou tournant – suivant une trajectoire circulaire). Les noms des axes linéaires communs sont X, Y et Z. Les noms des axes de rotation communs sont A, B et C. Plus la machine a d’axes, plus elle est complexe. Lors du perçage, les trois axes linéaires positionnent l’outil sur le trou à usiner dans la pièce dans les axes X et Y et mécanisent le trou avec le troisième axe Z.

Accessoires programmables

Bien que la fonction fondamentale de toutes les machines d’usinage CNC soit de contrôler le mouvement en fonction des axes, ce qui donne vraiment la valeur à chaque machine n’est pas de déplacer la pièce sur deux axes ou plus, mais avec les accessoires programmables qu’elle a, ce qui les fait multiplier leurs fonctions.

Le programme d’usinage CNC

Un programme CNC n’est rien de plus qu’un ensemble d’instructions sous forme de phrases exécutées mot par mot dans un ordre séquentiel. Ces mots CNC sont utilisés pour communiquer ce que la machine doit faire et commencent par des lettres telles que F (feedrate – vitesse d’avance -), S (spindle speed – vitesse de l’axe) et X, Y et Z (chaque axe linéaire). Lorsque ces mots CNC sont regroupés à l’aide d’une méthode logique, la commande ressemble à une phrase. Et la machine fait ce que cette phrase dit, étape par étape. Normalement, les mots les plus utilisés par le contrôle d’une machine CNC se situent entre 40 et 50, il s’agit donc d’un langage relativement simple.

Contrôle de la machine CNC

Le programme CNC que nous avons vu doit être interprété par le contrôle de la machine-outil (l’ordinateur, le cerveau) et activera la série d’ordres dans un ordre séquentiel, étape par étape, provoquant le déplacement de l’outil. Ce contrôle exécute également d’autres fonctions, telles que la vérification pour confirmer que le programme fonctionne bien.

Système CAM

Le CAM (en anglais, Computer Assisted Machining) est l’usinage assisté par ordinateur. Ce sont divers logiciels qui simplifient le processus de programmation (sinon, il serait nécessaire de programmer manuellement, c’est-à-dire d’écrire toutes les lignes de mots de la CNC sur la machine) généralement au moyen de la conception assistée par ordinateur (CAD, en anglais, Computer Assisted Design). De cette manière, le programmeur CNC spécifie simplement dans le logiciel les opérations d’usinage à effectuer (par exemple, le choix des options) et le système CAM envoie des mots et des phrases au programme CNC (très similaire à celui qui aurait dû écrire ligne par ligne manuellement) automatiquement.

Système DNC

Une fois le programme développé, manuellement (en écrivant les lignes de programmation) ou avec un système CAM, ce programme doit être retourné à la commande CNC dans un fichier texte pouvant être transféré directement à la machine CNC au moyen d’un système de contrôle distributif numérique (DNC, en anglais Direct Numerical Control). Le DNC est un ordinateur en réseau (par exemple un Ethernet classique) avec une ou plusieurs machines d’usinage CNC.

Lorsque vous travaillez avec un système CAM, un fichier texte est déjà utilisé. Lorsqu’il est programmé manuellement, vous pouvez utiliser un traitement de texte standard (un fichier Word, par exemple, bien qu’il soit courant d’utiliser un éditeur spécial CNC) et le transférer au contrôle via le DNC. Il serait également possible de programmer directement sur le contrôle, mais cela n’implique aucun avantage supplémentaire, car il est plus pratique de le faire depuis un ordinateur, dans un document texte. Vous ne pouvez pas commencer l’usinage sans que le programme CNC ait été préalablement transféré à la machine CNC via le DNC.

En bref:

Avec le système d’usinage CNC, une pièce est usinée en suivant les étapes suivantes :

• 1) Conception de la pièce conçue: utilisez le logiciel de CAD pour créer un modèle 2D ou 3D de la pièce.
• 2) Programmation CNC: utilisez le logiciel de CAM pour convertir le modèle CAD en g-code. G-Code est le langage utilisé pour programmer les machines CNC, qui peuvent être éditées à partir d’un gestionnaire de texte normal (Notepad, Word) ou d’un programme spécialisé.
• 3) Configuration de la machine CNC : à cette étape, la machine est configurée à l’aide de fixation, des outils appropriés et du programme d’édition de G-code (à l’aide du système DNC), et les données de l’outil sont sauvées pour la préparation de la machine pour usiner la pièce. L’opérateur indiquera également à la machine où est le point zéro pour commencer.
• 4) Usinage CNC de la pièce: avec tout ce qui précède prêt, il est temps de commencer l’usinage de la pièce.

L’usinage CNC permet de faire pratiquement tout ce qui était auparavant fait manuellement : placer la perceuse sur l’axe, l’activer, placer la pièce à usiner dans la machine, l’usiner et arrêter l’axe.

Industrie métallurgique et l’usinage CNC

L’usinage CNC a révolutionné l’industrie métallurgique, en influant de manière décisive sur son potentiel économique, en augmentant la production à moindre coût. Fondamentalement, nous pouvons distinguer trois grands groupes de l’industrie métallurgique qui fait des machines-outils à usiner CNC son système de travail principal:

Industrie de transformation de métaux: dans de nombreux secteurs, les tôles minces sont nécessaires comme tôles d’acier à des fins diverses, et dans l’industrie manufacturière, elles sont usinées, généralement à l’aide de machines CNC permettant d’effectuer diverses opérations telles que le découpage, le découpage à la flamme ou le plasma, poinçonnage, découpage au laser, contournage et soudage et bien d’autres applications.

Industrie de l’extraction des métaux: est l’industrie chargée de donner la forme finale stipulée dans les plans aux pièces semi-finies ou qui ont déjà été transformées avec d’autres processus tels que le moulage ou le forgeage par élimination de matériau, ce qui peut être par enlèvement de copeaux ou par abrasion (vous pouvez consulter le sommaire du blog pour d’autres articles sur ce sujet). La découpe de tube est un exemple de ce type d’industrie, et l’industrie automobile est un exemple de ses destinataires.

Cette industrie était l’une des que utilisait plus de machines manuelles il y a plusieurs décennies (poinçonneuses, découpeuses à disque, presses, etc.), mais aujourd’hui, les versions CNC de ces mêmes machines sont entièrement développées et sont les plus utilisées.

Les machines-outils les plus utilisées dans l’industrie de la fabrication et de l’extraction des métaux sont :

Le laser CNC et le plasma CNC : donnent leur forme finale aux plaques ou aux autres types de pièces. Dans l’industrie du tube, le laser est spécialement utilisé pour l’usinage de formes complexes avec une finition lisse.

• Poinçonneuses CNC: elles font des trous de toutes tailles dans les plaques ou autres pièces. Dans les tubes, elle peut être utilisée dans l’industrie de la fabrication de meubles, car les trous dans les tubes permettent l’introduction de vis pour la fabrication de structures.
• Presses CNC: utilisées pour plier la plaque ou une autre pièce afin de donner la forme finale. Dans le cas des tubes, elle peut être utilisée pour élargir et écraser une extrémité, par exemple.
• Les gabarits CNC: ils sont parfois accouplés à des machines de cisaillage pour contrôler la longueur de la plaque à couper, entre autres applications.

Otras industrias y el mecanizado CNC

L’usinage CNC est utilisé non seulement dans l’industrie des métaux, mais également dans l’industrie du bois pour effectuer diverses opérations telles que le routage (similaire au fraisage) et le perçage. La technologie CNC est également utilisée dans le nombre de systèmes de lettres et de gravure. Il existe également des machines CNC pour l’industrie électrique, telles que des bobineuses CNC, des machines de localisation CNC et machines de soudage CNC.

En fait, certains types de machines CNC (téléphones portables, tablettes, etc.) peuvent être trouvés d’une manière ou d’une autre dans n’importe quelle industrie, étant donné que, comme nous l’avons vu au début, les progrès du secteur manufacturier sont dus en grande partie aux progrès de la technologie CNC.

Bibliographie:

• Qué es el CNC (en inglés)? Materiales formativos
• Los básicos del CNC (en inglés). Materiales formativos
• El control numérico. Entrada en la Wikipedia
• Qué esl el CNC y las máquinas CNC (en inglés)? CNC Cookbook
• Cómo las máquinas CNC han cambiado la manufactura moderna (en inglés)? Tramar Industries