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Stratégies d’optimisation des coûts en usinage CNC basées sur la conception

L’usinage CNC est synonyme de précision, de qualité et de fiabilité comme peu d’autres procédés de fabrication. Ces caractéristiques rendent les composants usinés CNC idéaux pour les applications nécessitant des tolérances serrées et une fonctionnalité élevée. Toutefois, les composants usinés CNC sont généralement plus coûteux que des composants de taille comparable fabriqués par d’autres procédés. Dans cet article, nous vous proposons des conseils pratiques pour concevoir et approvisionner des composants CNC de manière rentable, afin que les petites entreprises, les instituts de recherche et les start-up puissent également accéder à des technologies CNC de haut niveau à des coûts attractifs.

Le temps d’usinage CNC peut être considéré comme le principal facteur générateur de coûts, dépassant souvent les coûts matière, les investissements initiaux ainsi que les coûts de finition liés aux traitements de surface ou thermiques. La plus grande optimisation des coûts dans le processus de fabrication CNC est donc obtenue en réduisant le temps d’usinage. La méthode la plus efficace pour y parvenir consiste à mettre en œuvre un processus de conception adapté, également appelé « design for manufacturing ». Les stratégies clés pour optimiser les coûts CNC incluent l’amélioration de la géométrie de la pièce usinée, de la géométrie de la machine et des dimensions d’outils, ainsi que la simplification de la fabrication de géométries complexes. Plus loin dans l’article, nous verrons également que des économies significatives peuvent être réalisées grâce à une stratégie d’achat numérique efficace.

Principes de l’usinage CNC

Lors du fraisage ou du tournage, des outils de coupe rotatifs sont utilisés pour enlever de la matière à partir d’un brut. La géométrie finale est obtenue par enlèvement de matière couche par couche. L’engagement de l’outil dans le matériau de base produit des copeaux. La pièce et l’outil peuvent se déplacer dans différentes directions. Les fraiseuses simples disposent de trois axes de mouvement linéaires selon les axes x, y et z. Les machines 5 axes permettent en plus l’inclinaison de la table de bridage avec la pièce et/ou de l’outil autour de deux axes.

Plus la complexité de la pièce augmente, plus le nombre d’axes nécessaires pour atteindre toutes les surfaces est élevé. Afin de réduire les coûts de fabrication, la pièce doit donc être conçue uniquement aussi complexe que nécessaire et les fonctionnalités superflues doivent être éliminées. Voici quelques recommandations de conception.

Arrondir les angles internes des pièces usinées CNC

Une bonne usinabilité nécessite un enlèvement de matière efficace, ce qui peut être obtenu en augmentant le rayon des angles internes afin de réduire le nombre de passes répétitives de l’outil. Les géométries avec de petits rayons internes doivent être usinées avec des outils plus petits et à des vitesses plus faibles, ce qui réduit le risque de casse d’outil mais augmente le temps d’usinage. Une règle de conception courante consiste à prévoir un rayon interne avec un rapport longueur/diamètre de 3:1.

En résumé, la réduction des coûts peut être obtenue en arrondissant les angles internes :
1. Ajouter un rayon d’au moins 1/3 de la profondeur de la cavité
2. Utiliser le même rayon pour toutes les arêtes internes afin d’éviter les changements d’outil
3. Au fond de la cavité, utiliser un petit rayon (0,5 mm ou 1,0 mm) ou aucun rayon

Lorsque des arêtes internes plus vives sont nécessaires, notamment pour l’insertion d’une forme rectangulaire dans une cavité, cela peut être réalisé par des contre-dépouilles plutôt que par la réduction du rayon interne.

Limiter la profondeur des cavités et poches profondes

L’usinage de cavités profondes génère des coûts élevés en raison du volume important de matière à enlever. En raison de la longueur de coupe limitée des outils CNC, les performances optimales sont généralement atteintes pour des profondeurs correspondant à deux ou trois fois le diamètre de l’outil. Par exemple, une fraise de 12,0 mm peut usiner sans difficulté des cavités jusqu’à environ 25,0 mm de profondeur. Des cavités plus profondes sont possibles, mais à un coût plus élevé, car elles nécessitent des outils spéciaux ou des vitesses d’avance réduites.

Il est donc optimal de limiter la profondeur de la cavité à quatre fois la plus grande dimension dans le plan XY. Des procédés alternatifs comme la descente progressive, l’électroérosion à fil ou le brochage peuvent être utilisés pour les poches profondes, mais entraînent des coûts supplémentaires.

Limiter la longueur des filetages

D’un point de vue structurel, la longueur du filetage ne devrait pas dépasser 1,5 fois le diamètre du trou taraudé. Des filetages plus longs n’augmentent pas la résistance, mais accroissent les coûts d’usinage CNC. Pour les trous borgnes taraudés, une zone non filetée équivalente à au moins la moitié du diamètre doit être prévue au fond.

Utilisation de diamètres de perçage standard et optimisation de la conception des trous

Les forets de dimensions standard permettent un usinage précis et économique des trous. Les dimensions non standard augmentent les coûts en raison de temps d’usinage plus longs. Les trous débouchants sont moins coûteux à usiner que les trous borgnes et devraient être privilégiés dès la phase de conception. La profondeur des trous doit être limitée à quatre fois leur diamètre. Il est recommandé d’utiliser des incréments de diamètre de 0,1 mm jusqu’à 10,0 mm, et de 0,5 mm pour les diamètres supérieurs.

Optimisation paramétrique des trous taraudés lors de l’usinage

La profondeur du trou et la taille du taraud sont les paramètres les plus importants pour l’optimisation des trous taraudés. Une longueur de filetage maximale de trois fois le diamètre du trou est recommandée. Des filetages plus profonds augmentent le risque de casse d’outil et prolongent le processus. Les tarauds standardisés sont facilement disponibles et réduisent considérablement les coûts.

Spécifier uniquement les tolérances nécessaires

Les tolérances serrées sont l’une des principales causes de coûts élevés en usinage. Elles ne doivent être spécifiées que lorsqu’elles sont fonctionnellement nécessaires. En l’absence d’exigences particulières, des tolérances standard suffisent pour la majorité des caractéristiques non critiques.

Les coûts peuvent également être réduits en définissant un point de référence unique pour toutes les dimensions tolérancées. La cotation et le tolérancement géométriques (GD&T) doivent être utilisés avec prudence, car ils constituent des facteurs de coûts majeurs.

Réduction des coûts des pièces usinées CNC grâce aux plateformes d’achat numériques

Comme dans tout processus d’achat B2B, le prix dépend à la fois de l’objet acheté et de l’accès aux fournisseurs. L’optimisation de la conception constitue la base d’une fabrication rentable.

Les plateformes numériques simplifient les processus d’achat en centralisant les offres, les fournisseurs et l’assurance qualité.

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