Guide de conception CNC

Conseils généraux de conception

Essayez d'éviter les murs minces : Il s’agit d’une indication du rapport hauteur/largeur plutôt que d’une limitation d’épaisseur spécifique. En règle générale, la hauteur des murs debout ne doit pas dépasser 3 fois leur épaisseur générale.

Des parois minces sont souvent nécessaires mais elles représentent des difficultés d'usinage ;

• Ils sont susceptibles de vibrer pendant la coupe, augmentant ainsi le bruit de finition.
• Ils sont susceptibles de s'écarter de la fraise, ce qui nécessite des coupes plus nombreuses et plus fines pour maintenir la précision dimensionnelle.
• Lorsqu'ils soutiennent d'autres éléments d'une conception, ces éléments sont de plus en plus sujets à des erreurs et à des problèmes de qualité.

L'épaisseur minimale standard des parois est de 0.8 mm pour les métaux et de 1.5 mm pour les plastiques. Cependant, il ne s'agit pas de limites strictes et définitives : lorsqu'une paroi est soutenue sur plusieurs côtés, l'épaisseur générale peut être réduite en toute sécurité.

Lorsque des murs minces et mal soutenus sont des nécessités de conception, envisagez de remplacer la pièce usinée par un composant en tôle découpée ou usinée en 2D.

Évitez les fonctionnalités impossibles à usiner CNC

Toutes les fonctionnalités ne se prêtent pas à l’usinage CNC. Comprendre les capacités de la machine, les types de couteaux et les configurations de serrage des composants peut empêcher l'inclusion de fonctionnalités qui ne peuvent pas être programmées/coupées.

Un bon exemple de caractéristique qu'un processus CNC ne peut pas reproduire est celui des galeries courbes internes. Lorsque de telles fonctionnalités sont impératives ou inévitables, vous pouvez envisager de diviser la pièce pour créer la galerie en deux moitiés, ou d'imprimer en 3D en métal une partie ou la totalité du composant pour permettre des fonctionnalités autrement impossibles.

Évitez les tolérances trop serrées

Une tolérance générale adaptée au processus de la machine conçue permet le traitement le plus rapide. Lorsque des tolérances plus strictes sont requises, elles doivent être soigneusement étudiées et étendues jusqu'à la limite de la conception.

Des tolérances serrées augmentent la consommation de fraises et le temps d'usinage, nécessitant des coupes plus nombreuses et plus fines et une inspection plus minutieuse. Il y aura également une augmentation du taux de rebut en raison d'une tolérance excessive et ces facteurs peuvent augmenter considérablement les coûts.

Réduire les fonctionnalités à l’essentiel

Réduire la courbure peut entraîner une esthétique inacceptable, mais si le coût est un facteur plus important, la simplicité est le moyen de limiter ce phénomène, car cela réduira le temps de coupe. Les caractéristiques esthétiques peuvent également obliger à utiliser l’usinage 5 axes, augmentant ainsi le coût de programmation et le temps machine.

En règle générale, il est conseillé de minimiser le texte, le lettrage et la gravure sur les pièces usinées - ces éléments doivent être inclus si nécessaire, mais ils représentent une augmentation des coûts en termes de changements d'outils et de réduction de la vitesse de coupe.

Les textes en relief doivent être évités et remplacés par du texte « en creux », car ils nécessitent moins d'enlèvement de matière et moins d'opérations. Utilisez des polices sans empattement et envisagez d'autres processus de gravure si une taille de police inférieure à 20 pts est requise, car cela nécessite des outils inhabituellement petits.

Considérez la relation profondeur-largeur dans les cavités

Les cavités plus profondes que six diamètres d'outil deviennent excessivement profondes. En règle générale, visez une limite de diamètre de coupe de 4 x.

Les caractéristiques des trous profonds augmentent le risque de blocage des outils, réduisent la précision en permettant une déviation excessive de l'outil, augmentent les difficultés de dégagement des déblais et augmentent considérablement le risque de casse de la fraise.

Arêtes internes émoussées de l'axe d'outil avec un rayon

Les outils de coupe sont cylindriques, de sorte que les bords qui ne sont pas perpendiculaires à l'axe de l'outil ne peuvent pas être « tranchants », bien que certains puissent l'être, au moyen de processus supplémentaires considérables. Pour réduire l'usure/la contrainte de l'outil, un bon guide consiste à utiliser des filets internes dont le rayon est au moins 1.2 fois le rayon de coupe attendu.

Il n'est pas conseillé d'utiliser des outils plus petits pour obtenir des rayons/congés d'angle internes plus petits, sauf si cela est impératif. Une technique pour éviter cela consiste à appliquer une petite contre-dépouille dans les zones à problèmes, pour que l'angle interne virtuel soit carré.

Évitez une profondeur de taraudage excessive

Un taraudage supérieur à 3 fois le diamètre du trou n'est généralement pas bénéfique en termes de résistance et doit être évité. Cela réduit le risque de casse de robinetterie qui aurait des conséquences coûteuses. Lorsque les trous sont taraudés en aveugle, il est avantageux de laisser une longueur de trou non exploitée pour éviter de toucher le fond, soit sur le trou, soit sur les déblais piégés. Fermer un robinet est un excellent moyen de le rompre.

Réduire les petites fonctionnalités internes

En règle générale, les fraises de moins de 2.5 mm ne sont pas recommandées, car elles rendent impossibles les caractéristiques internes de cette taille ou plus petites. Les caractéristiques externes peuvent cependant être plus petites que la fraise à certains égards - mais n'oubliez pas que les petites fraises nécessitent des coupes peu profondes et augmentent considérablement le temps d'usinage.

Essayez d'utiliser des tailles standard pour les trous

Dans la mesure du possible, respectez des pas de millimètres entiers dans les tailles de forets et essayez de limiter le nombre de tailles de trous différentes sur un composant. Cela évite le recours à des forets/fraises spécialisés (qui sont souvent fabriqués sur mesure) et réduit le besoin de mouvements d'outil perpendiculaires à la fraise, qui ralentissent le processus.

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Conseils de conception spécifiques

Tolérances générales

Lors de la conception de vos pièces, n'oubliez pas que les bords seront ébavurés par défaut. Si vous les souhaitez donc tranchants, précisez-le sur un dessin.

Supposons les tolérances générales ci-dessous :

Vous devez spécifier les tolérances sur les caractéristiques et mesures individuelles selon les besoins de la conception. Sachez qu'un tolérancement plus strict nécessite un traitement plus lent et potentiellement des changements d'outils supplémentaires et des taux de rebut plus élevés.

En particulier, les tolérances de la base des trous et de la base de l'arbre sont essentielles au fonctionnement des pièces mobiles ; elles doivent donc être spécifiées comme ci-dessous.

Il est à noter que les tolérances serrées sont beaucoup plus difficiles à respecter dans l'usinage des plastiques car les matériaux sont flexibles, à moins que le plastique en question ne soit très rigide - le Tufnol/Garolite est un plastique qui permet des tolérances serrées. Les contraintes internes des ébauches en plastique ont également tendance à être libérées par l'usinage, ce qui entraîne une distorsion/imprécision importante des pièces.

Choix de matériaux

Le BLANK, ou matériau brut, est la pièce de matériau de stock à partir de laquelle une pièce sera découpée. C'est une bonne politique de prendre en compte les tailles de flans disponibles auprès d'un fournisseur lors de la conception pour la fabrication CNC en plusieurs pièces, afin de minimiser les déchets. Le coût des matériaux pour une ou plusieurs pièces est le résultat du coût VIDE et non du poids/volume restant du matériau.

C'est une bonne politique de laisser une marge dans l'usinage, de sorte que toutes les faces brutes extérieures soient usinées, plutôt que de compter sur une coupe précise et une correspondance des faces extérieures.

Le choix du flan doit également prendre en compte les méthodes de serrage, afin de permettre un nombre minimum de changements de configuration dans le processus de fabrication du filet.

Le choix des matériaux est avant tout une considération de conception, mais des facteurs tels que la facilité d'usinage peuvent influencer le choix. L'utilisation d'un matériau de coupe plus dur ou moins libre pour respecter le stock d'ébauches disponible, par exemple, aura un impact négatif significatif sur le temps d'usinage, la finition de surface et le coût.

Les plastiques et les métaux de décolletage comme l'aluminium et le laiton sont usinés facilement, ce qui réduit le temps de machine et donc le coût. Les matériaux durs tels que les aciers à outils et ceux qui travailler dur comme certains aciers inoxydables, les machines doivent être équipées d'un régime d'outil et de vitesses d'avance d'axe inférieurs, ce qui entraîne un usinage plus lent, associé à une usure de l'outil considérablement accrue.

L'aluminium coupe généralement à environ 4 fois la vitesse d'avance de l'acier à outils et 8 fois plus rapidement que la plupart des aciers inoxydables.

Options métalliques pour la fabrication CNC :

• Aluminium dans divers alliages et duretés
• Laiton
• Bronze et bronze marin (Bronze Nickel Aluminium)
• Cuivre pour électrodes d'électroérosion, pièces de contacteurs, etc.
• Aciers inoxydables (austénitiques, martensitiques, décolletage)
• Aciers à outils/alliés dans différents états de dureté (de la coupe libre à l'usinage par érosion par étincelle entièrement dur)
• Titane

Options plastiques pour la fabrication CNC

• ABS
• Tufnol (époxy coulé renforcé de fibres)
• POM (Acétal ou Delrin®)
• Nylon
• PEEK
• PTFE
• Polycarbonate

Limites et surfaces

Rayons intérieurs

La découpe CNC permet de réaliser des angles verticaux internes d'un rayon égal ou supérieur à celui de la fraise qui les a réalisés. Les outils/fraise sont soit ronds par nature, soit ronds parce qu'ils tournent. La conception des produits et des composants doit tenir compte de cette limitation (ou l'exploiter de manière bénéfique).

Lors de la spécification de ces fonctionnalités au stade de la conception, il est préférable d'utiliser un rayon légèrement plus grand que celui de la fraise attendue pour former la fonctionnalité. Les fraises en bout sont plus efficaces lorsqu'elles peuvent continuer à fraiser tout en tournant un coin interne. Si le rayon du coin est le même que le rayon de l'outil, la fraise cessera de bouger pour changer de direction, ce qui risque d'entraîner des marques de broutage dans le coin difficiles à rectifier dans la pièce finie.

Les outils sont disponibles dans de très petits rayons (0.5 mm minimum typique) mais ils sont à la fois courts et fragiles. La profondeur de coupe maximale pour une fraise à rayon de 0.5 mm est de 1.5 mm, ce qui limite considérablement leur utilisation à de très petites fonctionnalités critiques. Des outils plus grands et des rayons internes plus grands qui en résulteront permettront un usinage plus rapide.

Filets de sol

Lorsqu'une volonté rencontre un plancher dans une fonction, les rayons internes verticaux se rapportent au diamètre de l'outil (plus la tolérance d'angle. Le congé du PLANCHER doit être plus petit que les congés d'angle verticaux, pour permettre l'utilisation d'une fraise à face plate sans usinage multipasse complexe. Ces fraises à face plate ont tendance à avoir des rayons d'angle minimes - mais une fraise à pointe arrondie peut être utilisée. Le rayon au sol sera défini par le rayon de la pointe de la fraise et il permet une coupe plus rapide si ce rayon reçoit une tolérance lâche et une taille PLUS PETITE que le congé vertical.

Contre-dépouilles

Les contre-dépouilles sont parfois inévitables et n'affectent pas beaucoup le temps d'usinage ou les changements d'outillage si certaines considérations sont respectées.

• Réalisez des contre-dépouilles aux dimensions standards (pas millimétriques) pour éviter de nécessiter la réalisation d'outils sur mesure.
• Il n'y a pas de limite de profondeur réelle pour les contre-dépouilles, mais une coupe moins profonde est plus facile et moins susceptible de nécessiter un outillage personnalisé.
• Assurez-vous que le dégagement peut être atteint sur toutes les faces - tenez compte des rayons de tous les coins du surplomb, ils doivent permettre un dégagement pour l'arbre de l'outil de dégagement.
• Ne spécifiez pas de rayons de coin inférieurs à celui de l'outil de contre-dépouille.

Threads

Différentes techniques sont utilisées pour former des filetages dans les pièces fabriquées par CNC : tarauds coupants normaux, tarauds formant filetage et fraises à fileter. Quelle que soit la meilleure option, suivez ces règles :

• Utilisez le fil le plus gros et le plus grossier adapté à cette fonction. Les diamètres de filetage plus petits utilisent des outils plus faibles qui sont plus sujets à la casse.
• Limitez la coupe du filetage à 3 fois le diamètre - ou moins si possible.
• Spécifiez les filetages et les profondeurs avec soin pour éviter les erreurs d'interprétation du diamètre d'usinage.
• Spécifiez la profondeur des trous non filetés dans les trous borgnes pour éviter le fond et permettre les coupes.

Finitions de surface

Les machinistes CNC offrent une variété de finitions :

• La finition usinée ou technique permet des avances pratiques maximales et peut être variable selon les caractéristiques d'une seule pièce.
• Le grenaillage permet d'obtenir une finition mate et uniforme grâce à l'ablation par des billes de grenat dans un flux d'air - effectuée à la main (sauf dans le cas d'une production importante, où elle peut être automatisée). Le masquage et le bouchage des trous pour maintenir les zones à haute tolérance augmentent les coûts.
• L'anodisation satinée et transparente produit une surface d'oxyde mate ou semi-brillante uniforme sur les pièces en aluminium - peut être colorée ou transparente.
• L'anodisation dure est plus épaisse et plus résistante à l'usure et à la corrosion que le satin ou le transparent.
• Le revêtement en poudre est un processus de peinture à base de poudre, appliqué électrostatiquement et durci par la chaleur. Il s’agit d’une couche résistante qui est beaucoup plus résistante que les peintures à base de solvant ou époxy.