Usinage CNC 3 axes, 4 axes ou 5 axes : lequel convient le mieux à votre pièce ?

Le choix entre l'usinage CNC à 3, 4 ou 5 axes peut affecter directement la complexité des pièces, les exigences de configuration, l'efficacité de l'usinage, la qualité de la surface, les délais de livraison et le coût global.

Mais plus d’axes ne signifie pas automatiquement un meilleur usinage.

Pour un support, un boîtier, une plaque ou un montage relativement simple, l'usinage CNC à 3 axes peut constituer la solution la plus efficace et la plus économique. Pour les pièces nécessitant un usinage autour de plusieurs côtés ou d'éléments cylindriques, l'usinage 4 axes peut réduire le repositionnement et simplifier la production. Pour les composants très complexes présentant des surfaces inclinées, des courbes composées, des cavités profondes ou des relations critiques entre plusieurs éléments, l'usinage CNC 5 axes peut offrir des avantages significatifs.

Ce guide compare l'usinage CNC 3 axes, 4 axes et 5 axes et explique comment choisir la bonne méthode d'usinage en fonction de la géométrie de votre pièce, des exigences de tolérance, du volume de production, de l'état de surface et du budget.

Comparaison rapide : usinage CNC 3 axes, 4 axes et 5 axes

La principale différence entre l'usinage CNC à 3 axes, 4 axes et 5 axes réside dans le nombre de directions dans lesquelles l'outil de coupe ou la pièce peut se déplacer ou tourner pendant l'usinage.

Une machine à 3 axes fonctionne le long des axes linéaires X, Y et Z. Une machine à 4 axes ajoute un axe rotatif, tandis qu'une machine à 5 axes ajoute deux axes rotatifs, permettant à l'outil de coupe d'approcher la pièce dans plusieurs directions.

En termes simples :

• Choisissez l'usinage CNC 3 axes lorsque la géométrie de votre pièce est relativement simple et que la plupart des fonctionnalités sont accessibles à partir de quelques orientations.

• Choisissez l'usinage CNC 4 axes lorsque votre pièce nécessite un usinage sur plusieurs côtés ou comprend des fonctionnalités de rotation.

• Choisissez l'usinage CNC 5 axes lorsque la géométrie complexe, les caractéristiques angulaires, les directions d'usinage multiples ou la précision liée à la configuration rendent l'usinage conventionnel inefficace.

Le processus correct est généralement la méthode d'usinage la plus simple permettant d'obtenir de manière fiable la géométrie, la tolérance, la qualité de surface et l'efficacité de production requises..

Comment les axes d'usinage CNC affectent la fabrication de pièces

Comprendre les axes CNC permet de comprendre plus facilement pourquoi différentes machines sont adaptées à différents types de pièces.

Les trois axes linéaires de base sont :

• Axe X : mouvement de gauche à droite

• Axe Y : mouvement d’avant en arrière

• Axe Z : mouvement de haut en bas

Ces trois mouvements constituent la base du fraisage CNC 3 axes conventionnel.

Les machines multi-axes introduisent un mouvement de rotation autour d'un ou plusieurs de ces axes linéaires. Les axes rotatifs sont communément identifiés par A, B et C selon la configuration de la machine.

L'ajout d'un mouvement rotatif permet à l'outil de coupe d'accéder à des surfaces qui autrement nécessiteraient que l'opérateur arrête l'usinage, retire ou repositionne la pièce, établisse une nouvelle configuration et continue l'usinage.

C’est l’un des avantages les plus importants de l’usinage CNC multi-axes.

La réduction des configurations répétées peut réduire le temps de manipulation et, plus important encore pour les pièces de précision complexes, réduire les erreurs introduites lorsqu'une pièce est repositionnée entre les opérations. Haas et Autodesk identifient tous deux la réduction des réglages comme un avantage majeur de l'usinage multi-axes et 5 axes.

Cependant, des axes supplémentaires signifient également des machines, une programmation, des stratégies d'outillage et une planification des processus plus sophistiquées.

C'est pourquoi une machine 5 axes n'est pas automatiquement le choix le plus rentable pour chaque pièce.

Comprendre l'usinage CNC à 3, 4 et 5 axes

Qu'est-ce que l'usinage CNC 3 axes ?

L'usinage CNC à 3 axes utilise un mouvement le long des axes X, Y et Z pour enlever de la matière d'une pièce stationnaire.

Il s'agit de l'une des méthodes de fraisage CNC les plus largement utilisées et elle est très efficace pour les pièces présentant des caractéristiques supérieures accessibles, des poches, des trous, des fentes, des surfaces planes, des contours et des géométries relativement simples.

Les pièces typiques usinées CNC à 3 axes comprennent :

• Supports

• Assiettes

• Calendrier

• Boîtiers

• Logements

• Composants de montage

• Moules simples

• Blocs mécaniques

Le principal avantage de l’usinage 3 axes est l’efficacité.

Pour les pièces qui ne nécessitent pas d'usinage multiface approfondi ou d'orientations d'outils complexes, les machines à 3 axes peuvent offrir un temps de programmation plus court, un montage plus simple et des coûts d'usinage compétitifs.

Sa limitation apparaît lorsque les éléments sont situés sur plusieurs côtés ou à des angles difficiles. La pièce devra peut-être être repositionnée et usinée manuellement dans plusieurs configurations.

Cela ne signifie pas que l’usinage 3 axes ne peut pas produire des pièces de précision. La précision dépend de la machine, du contrôle du processus, de l'outillage, du dispositif de serrage, de l'inspection, de la géométrie et des tolérances requises, et pas simplement du nombre d'axes.

Qu'est-ce que l'usinage CNC 4 axes ?

L'usinage CNC à 4 axes ajoute un axe de rotation aux axes linéaires conventionnels X, Y et Z.

Ce mouvement de rotation permet à la pièce d'être indexée ou tournée afin que des surfaces supplémentaires puissent être usinées sans retirer et repositionner manuellement la pièce à plusieurs reprises.

Autodesk note que l'usinage 4 axes est particulièrement utile pour les pièces quasi cylindriques, les fonctions de rotation et l'accès à plusieurs côtés d'une pièce.

Les applications typiques à 4 axes incluent :

• Arbres

• Boîtiers cylindriques

• Composants de vannes

• Pièces avec trous radiaux

• Composants avec fonctionnalités sur plusieurs côtés

• Appareils rotatifs

• Supports complexes

• Pièces mécaniques multifaces

Il existe différentes approches de l'usinage 4 axes.

En usinage indexé ou 3+1 , l'axe rotatif positionne la pièce à un angle spécifique et la verrouille en place pendant la coupe conventionnelle à 3 axes.

Dans l'usinage simultané à 4 axes, l'axe rotatif peut se déplacer pendant la coupe.

Pour de nombreuses pièces multifaces, l'usinage 4 axes constitue un juste milieu entre l'usinage 3 axes conventionnel et l'usinage 5 axes plus sophistiqué.

Qu'est-ce que l'usinage CNC 5 axes ?

L'usinage CNC 5 axes combine trois axes linéaires avec deux axes de rotation.

Cela permet à l'outil ou à la pièce d'être orienté de manière à ce que les surfaces difficiles, les caractéristiques inclinées, les zones profondes et les géométries complexes soient accessibles avec moins de configurations.

Deux approches courantes sont :

Usinage 3+2 positions :
les axes rotatifs positionnent la pièce ou l'outil à un angle spécifié, se verrouillent en place, puis l'usinage 3 axes a lieu.

Usinage simultané sur 5 axes :
les cinq axes contrôlés peuvent se déplacer ensemble pendant la coupe, permettant à l'outil de suivre des surfaces complexes et de maintenir en permanence une orientation appropriée.

Autodesk décrit l'usinage simultané sur 5 axes comme particulièrement adapté aux géométries complexes, tandis que l'usinage 3+2 est utile pour les trous inclinés et les éléments multifaces avec moins de configurations.

Les composants typiques usinés CNC à 5 axes comprennent :

• Composants structurels aérospatiaux

• Roues

• Composants liés aux turbines

• Instruments médicaux

• Composants robotiques complexes

• Moules de précision

• Pièces à angles composés

• Composants avec cavités profondes

• Prototypes complexes

Son plus grand avantage n'est pas simplement d'avoir « plus d'axes ».

Le véritable avantage est la possibilité de fabriquer des éléments complexes avec moins d’opérations de repositionnement tout en conservant des relations plus cohérentes entre les éléments.

Usinage CNC 3 axes, 4 axes ou 5 axes : principales différences

Géométrie et complexité des pièces

La géométrie des pièces doit généralement être l'une des premières considérations lors de la sélection d'une méthode d'usinage CNC.

3 axes

Idéal pour les géométries relativement simples ou moyennement complexes où la plupart des caractéristiques d'usinage peuvent être atteintes à partir d'orientations simples.

Les exemples incluent :

• Surfaces planes

• Poches

• Machines à sous

• Trous verticaux

• Contours de base

• Boîtiers simples

4 axes

Plus adapté lorsque les éléments doivent être usinés autour de la circonférence d'une pièce ou sur plusieurs côtés.

Les exemples incluent :

• Trous radiaux

• Caractéristiques cylindriques

• Plusieurs faces latérales

• Modèles rotatifs

5 axes

Cela devient généralement utile lorsque la géométrie nécessite plusieurs angles d'approche de l'outil qui nécessiteraient autrement de nombreuses configurations distinctes.

Les exemples incluent :

• Surfaces composées

• Trous coudés

• Cavités profondes

• Surfaces sculptées

• Plusieurs éléments angulaires qui se croisent

• Géométries aérospatiales ou médicales complexes

Une règle utile est la suivante :

Plus les fonctionnalités sont difficiles d'accès à partir d'une direction d'outil fixe, plus l'usinage multi-axes devient précieux.

Nombre de configurations

La réduction de la configuration est l'une des plus grandes différences pratiques entre l'usinage CNC 3 axes et multiaxes.

Imaginez un composant nécessitant un usinage sur cinq faces différentes.

Avec l’usinage 3 axes conventionnel, l’opérateur peut être amené à :

1. Usiner la première orientation

2. Arrêtez la machine

3. Retirer ou repositionner la pièce

4. Établir une autre référence ou une autre position de fixation

5. Usiner la prochaine orientation

6. Répétez jusqu'à ce que toutes les fonctionnalités soient terminées

Chaque configuration supplémentaire ajoute du temps de manipulation et crée une autre opportunité de variation de positionnement.

Avec l'usinage 4 axes ou 5 axes, davantage de surfaces peuvent être atteintes tandis que la pièce reste dans le même agencement de serrage.

Pour les pièces complexes, cela peut contribuer à améliorer la cohérence d’une fonctionnalité à l’autre tout en réduisant les opérations de configuration et la gestion de la production.

Toutefois, pour les pièces simples, une réduction de la configuration peut apporter peu d’avantages économiques.

Contrôle de précision et de tolérance

Une idée fausse courante est la suivante :

'L'usinage CNC 5 axes est toujours plus précis que l'usinage 3 axes.'

Ce n'est pas nécessairement vrai.

Un processus d'usinage CNC à 3 axes bien contrôlé peut produire des pièces très précises.

Le véritable avantage de l’usinage multi-axes devient plus évident lorsqu’une pièce complexe nécessiterait autrement plusieurs configurations indépendantes.

Chaque fois que la pièce est repositionnée, de petites variations dans les conditions de localisation, de serrage, d'établissement des références ou de fixation peuvent affecter la relation entre les fonctions.

En usinant plus de caractéristiques dans une seule configuration, l'usinage 5 axes peut aider à réduire les variations de position liées à la configuration.

Donc:

• Pièce simple et précise : 3 axes peuvent suffire amplement.

• Pièce de précision multiface : 4 axes peuvent améliorer l’efficacité et la cohérence.

• Pièce complexe de précision multi-angle : 5 axes peuvent offrir des avantages de configuration et de positionnement significatifs.

Le processus requis doit toujours être déterminé par les tolérances réelles du dessin et la géométrie plutôt que par l'hypothèse selon laquelle plus d'axes signifie automatiquement une meilleure qualité.

Finition de surface

L'orientation de l'outil peut également influencer la finition de la surface.

Pour les surfaces planes et les poches relativement simples, l'usinage 3 axes peut produire d'excellentes finitions.

Les défis deviennent plus apparents sur les surfaces courbes ou abruptes complexes, où une orientation fixe de l'outil peut nécessiter :

• Outils de coupe plus longs

• Des enjambements plus petits

• Plusieurs directions d'usinage

• Configurations supplémentaires

• Plus de polissage secondaire

L'usinage 5 axes permet à l'outil de maintenir des orientations plus favorables sur des surfaces complexes.

Cela peut permettre l’utilisation d’outils plus courts et plus rigides, contribuer à réduire les vibrations et améliorer la qualité de surface sur des géométries difficiles. Autodesk note spécifiquement la finition de surface et les outils plus courts et plus rigides comme avantages de l'usinage 5 axes pour les composants complexes.

L'avantage est donc plus significatif sur les surfaces complexes , pas nécessairement sur toutes les pièces usinées CNC.

Efficacité de production

L’efficacité de l’usinage ne se limite pas à la vitesse de coupe.

Le temps total de fabrication peut inclure :

• Programmation FAO

• Préparation des outils

• Préparation du luminaire

• Configuration de la machine

• Temps de coupe

• Repositionnement

• Inspection en cours de fabrication

• Inspection finale

• Opérations secondaires

Une machine à 3 axes peut avoir un coût d'exploitation horaire inférieur, mais une pièce complexe qui nécessite six configurations peut finalement prendre plus de temps à fabriquer.

Une machine à 5 axes peut avoir un taux horaire plus élevé, mais si la même pièce peut être réalisée avec beaucoup moins de configurations, l'efficacité totale de la fabrication peut s'améliorer.

C'est pourquoi la sélection du processus CNC doit prendre en compte le temps de production total , et pas seulement la cadence de la machine.

Coût d'usinage CNC

En général, la complexité croissante des machines peut augmenter le coût horaire d’usinage et les exigences de programmation.

Cependant, le coût de l’usinage CNC est influencé par bien plus que le nombre d’axes.

Les facteurs de coût importants comprennent :

• Géométrie de la pièce

• Matériel

• Tolérance

• Nombre de configurations

• Complexité de la programmation

• Temps de cycle

• Outils de coupe

• Tenue de travail

• Finition superficielle

• Exigences d'inspection

• Quantité produite

Pour un simple support en aluminium, l'utilisation de l'usinage 5 axes peut apporter peu d'avantages financiers.

Cependant, pour un composant aérospatial complexe nécessitant de nombreuses caractéristiques angulaires, l'usinage 5 axes peut réduire suffisamment les risques de montages, de configurations, de manipulation manuelle et de reprise pour compenser la cadence plus élevée de la machine.

La bonne question n’est donc pas :

'Quelle machine a le taux horaire le plus bas ?'

C'est:

'Quelle stratégie d'usinage produit la pièce requise de la manière la plus fiable au coût total de fabrication le plus bas ?'

Quand devriez-vous choisir l’usinage CNC 3 axes ?

Envisagez l'usinage CNC 3 axes lorsque :

• Votre pièce a une géométrie relativement simple

• La plupart des fonctionnalités sont accessibles depuis une ou plusieurs orientations

• Les fonctionnalités ne nécessitent pas de mouvement angulaire continu de l'outil

• La rentabilité est une priorité

• La pièce peut être facilement repositionnée si nécessaire

• Les volumes de production justifient un montage simple et reproductible

Les pièces typiques comprennent :

• Supports de montage

• Assiettes

• Accessoires pour machines

• Boîtiers électroniques

• Dissipateurs de chaleur

• Couvertures

• Blocs mécaniques

• Prototypes simples

L'usinage 3 axes est souvent le meilleur choix lorsque des axes supplémentaires ajouteraient de la complexité à la machine et à la programmation sans réduire suffisamment les configurations pour justifier le coût supplémentaire.

Quand l’usinage CNC 4 axes est-il le meilleur choix ?

L'usinage CNC 4 axes devient intéressant lorsqu'une pièce nécessite un accès sur plusieurs côtés ou comprend des éléments répartis autour d'un axe de rotation.

Envisagez l'usinage 4 axes lorsque :

• Des trous ou des fentes apparaissent autour d'une surface cylindrique

• Plusieurs côtés nécessitent un usinage

• Le repositionnement manuel augmenterait le temps d'installation

• Les modèles de rotation doivent être usinés à plusieurs reprises

• L’alignement fonctionnalité à fonctionnalité entre les côtés est important

• Un processus complet à 5 axes serait inutile

Les applications typiques incluent :

• Arbres à caractéristiques radiales

• Composants de vannes

• Boîtiers cylindriques

• Supports multi-faces

• Composants rotatifs

• Montages nécessitant un usinage autour de plusieurs faces

Pour de nombreux composants, l’usinage CNC 4 axes offre un compromis efficace entre la simplicité du 3 axes et la flexibilité de l’usinage 5 axes.

Quand l’usinage CNC 5 axes vaut-il le coût supplémentaire ?

L'usinage 5 axes est particulièrement utile lorsque la géométrie (et pas simplement le désir d'un « meilleur usinage ») nécessite un accès supplémentaire aux outils.

Envisagez l'usinage CNC 5 axes lorsque votre pièce comprend :

• Surfaces à angles multiples

• Courbes composées

• Cavités profondes

• Caractéristiques dans des orientations difficiles

• Transitions de surfaces complexes

• Relations critiques entre les caractéristiques de différentes faces

• Géométrie nécessitant de nombreux réglages sur des équipements conventionnels

Il est fréquemment utile pour les composants complexes de l’aérospatiale, du médical, de l’automobile, de la robotique, des moules et des composants industriels hautes performances.

Haas note que l'usinage simultané sur 5 axes peut réduire les opérations et les configurations tout en améliorant la conformité tout au long d'un cycle de production.

Cependant, une pièce simple ne doit pas être automatiquement déplacée vers une machine 5 axes.

Si une machine à 3 axes peut fabriquer le composant de manière fiable avec une ou deux configurations simples, elle peut rester le choix le plus économique.

L'usinage 5 axes vaut le coût supplémentaire lorsque sa capacité à réduire les configurations, à améliorer l'accès, à simplifier les fixations ou à usiner une géométrie complexe crée plus de valeur que le coût supplémentaire de la machine et de la programmation.

Comment choisir la bonne méthode d'usinage CNC pour votre pièce

Le choix entre l'usinage CNC à 3, 4 ou 5 axes doit commencer par votre dessin et non par la machine.

Utilisez le processus en six étapes suivant.

Étape 1 — Évaluer la géométrie de la pièce

Commencez par regarder la forme générale.

Demander:

• La pièce est-elle majoritairement prismatique ?

• Est-ce qu'il a plusieurs côtés usinés ?

• Y a-t-il des surfaces courbes ou sculptées ?

• Y a-t-il des trous inclinés ?

• Y a-t-il des cavités profondes ?

• Y a-t-il des éléments difficiles à atteindre avec un outil de coupe vertical ?

Une géométrie simple favorise généralement l'usinage 3 axes.

La géométrie à plusieurs côtés ou en rotation peut favoriser les 4 axes.

Une géométrie multi-angle complexe peut justifier 5 axes.

Étape 2 — Identifier les directions d'usinage requises

Considérez dans combien de directions l'outil de coupe doit s'approcher de la pièce.

Si presque toutes les fonctionnalités sont accessibles par le haut, 3 axes peuvent suffire.

Si la pièce nécessite un accès répété sur ses côtés, le mode 4 axes peut éliminer le repositionnement manuel.

Si les éléments doivent être atteints sous de nombreux angles différents, le 5 axes devient de plus en plus utile.

Étape 3 — Examiner les exigences de tolérance

Ne regardez pas uniquement les tolérances dimensionnelles individuelles.

Portez une attention particulière aux relations entre les fonctionnalités, telles que :

• Position

• Concentricité

• Perpendicularité

• Relations angulaires

• Relations de référence

Si des entités étroitement contrôlées existent sur plusieurs faces différentes, la réduction des configurations peut aider à maintenir leurs relations de position.

C’est l’une des raisons pour lesquelles l’usinage multi-axes peut être utile pour les composants de précision complexes.

Étape 4 - Envisagez la réduction de la configuration

Estimez le nombre de configurations nécessaires pour chaque stratégie d'usinage.

Par exemple:

3 axes : 4 à 6 configurations
4 axes : 2 à 3 configurations
5 axes : potentiellement 1 à 2 configurations

Ces chiffres sont uniquement indicatifs : le résultat réel dépend entièrement de la géométrie de la pièce et de la configuration de la machine.

Si le passage à l’usinage multi-axes élimine plusieurs montages et opérations de repositionnement compliqués, cela peut améliorer considérablement l’efficacité de la fabrication.

Étape 5 — Comparez le volume et le coût de production

Pour un prototype unique, les coûts de programmation et de configuration peuvent représenter un pourcentage important du coût total.

Pour une production répétée, le temps de cycle, l’efficacité des montages, l’automatisation, la répétabilité et la stabilité du processus deviennent de plus en plus importants.

Par conséquent, le meilleur processus pour un prototype n’est pas toujours le meilleur processus pour 10 000 pièces.

La stratégie de production doit prendre en compte à la fois :

coût de configuration initial et efficacité de production répétée.

Étape 6 — Examiner les exigences de finition de surface

Les surfaces cosmétiques complexes peuvent influencer le choix de la machine.

Si la pièce nécessite des courbes composées lisses avec des marques de fusion minimes, un parcours d'outil multi-axes peut permettre une orientation d'outil plus favorable et moins de transitions d'usinage.

Si la pièce est constituée principalement de surfaces fonctionnelles planes, un usinage conventionnel peut être tout à fait suffisant.

Exemples d'usinage CNC réels

Les exemples suivants illustrent comment la géométrie des pièces peut influencer la sélection du processus.

Ces recommandations doivent être considérées comme des points de départ plutôt que comme des règles fixes.

Le même type de pièce peut nécessiter une stratégie d'usinage différente en fonction des dimensions, de la tolérance, du matériau, de la quantité, de l'accessibilité des fonctionnalités et des exigences d'inspection.

Erreurs courantes lors du choix d'un processus d'usinage CNC

En supposant que plus d’axes signifient toujours une meilleure qualité

Une machine à 5 axes est plus flexible, mais la flexibilité n’est pas la même chose que la précision automatique.

Pour une géométrie simple, un processus 3 axes correctement contrôlé peut répondre à toutes les exigences dimensionnelles et de surface.

Choisissez des axes supplémentaires lorsqu’ils offrent un avantage de fabrication mesurable.

Choisir l'usinage 5 axes pour des pièces simples

L’utilisation d’un équipement sophistiqué pour un composant pouvant être produit efficacement sur un équipement à 3 axes peut inutilement augmenter les coûts de programmation et de machine.

L’objectif doit toujours être l’efficacité des processus, et pas simplement l’utilisation de la machine la plus avancée disponible.

Ignorer la précision liée à la configuration

Une pièce complexe peut être techniquement réalisable sur une machine 3 axes mais nécessiter plusieurs réglages.

Si les caractéristiques sur différentes faces ont des relations de position critiques, des repositionnements répétés peuvent rendre le contrôle du processus plus difficile.

Dans ces situations, l’usinage multi-axes peut apporter une plus grande valeur.

Se concentrer uniquement sur le taux horaire des machines

Un taux horaire machine inférieur ne signifie pas automatiquement un coût des pièces finies inférieur.

Comparer:

• Temps d'installation

• Nombre de rencontres

• Temps de cycle

• Manipulation de l'opérateur

• Inspection

• Outillage

• Risque de reprise

• Temps de production total

Le coût total du processus le plus bas est plus important que le taux de machine le plus bas.

Ignorer les exigences de production futures

Une stratégie d'usinage optimisée pour cinq prototypes n'est peut-être pas idéale pour 5 000 pièces de production.

Si la conception doit passer à une fabrication répétée, envisagez l’évolutivité pendant la phase de prototype.

Cela peut rendre la transition du prototype à la production beaucoup plus fluide.