Une machine à commande numérique par ordinateur (CNC) est un outil d'usinage qui donne au matériau de stock la forme souhaitée qui répondra aux directives de fabrication et aux exigences des composants. Les machines CNC utilisent un logiciel préprogrammé pour contrôler les mouvements de machines complexes, notamment les meuleuses, les tours, les fraiseuses et autres outils de coupe utilisés pour enlever de la matière.
Ces techniques de fabrication assistées par ordinateur peuvent effectuer un large éventail de tâches d'usinage CNC complexes et précises pour créer des produits manufacturés et des pièces spécialement conçues pour les industries de l'automobile, de la défense et de l'aérospatiale.
Bien que l'impression 3D et d'autres processus de fabrication additive occupent une place centrale dans la production de composants fabriqués à partir de matériaux souples au XXIe siècle, la plupart des objets du quotidien sont toujours le résultat de techniques d'usinage soustractif hautement automatisées.
Les bouteilles d'eau en plastique sont produites à partir de moules à l'aide de la technique d'enfonçage CNC, et les composants individuels du système d'entraînement de chaque voiture en circulation sont fraisés à des dimensions précises pour permettre à tous les engrenages mobiles de s'emboîter parfaitement pour des performances mécaniques optimales.
"Il y a de fortes chances que presque tout ce que vous touchez dans votre vie quotidienne ait été touché à un moment donné par une machine-outil", explique Tony Schmitz, professeur d'ingénierie à l'Université du Tennessee à Knoxville. "Si vous avez déjà voyagé dans un avion - un Boeing 747, par exemple - plus d'un million de composants distincts ont été usinés puis assemblés pour faire décoller cet avion."
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Les machines-outils CNC sont aussi polyvalentes et dynamiques que la multitude d’articles qu’elles créent. Cependant, la plupart des machines CNC fonctionnent dans deux cadres :un système en boucle ouverte ou en boucle fermée.
Dans les systèmes CNC en boucle ouverte, l'opérateur développera la commande numérique par ordinateur pour la tâche à accomplir et générera le code G ou le fichier de travail à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). L'ordinateur transmet ensuite les étapes appropriées au contrôleur et à ses servomoteurs connectés.
Ces moteurs manipulent les outils de coupe, comme les tours ou les meuleuses, le long d'au moins deux axes (X et Y), bien que les machines CNC haut de gamme puissent augmenter la polyvalence et la précision en déplaçant les fraiseuses CNC et autres accessoires autour de plusieurs axes supplémentaires.
Les systèmes CNC en boucle fermée fournissent des données de retour au moniteur pour résoudre les incohérences pendant que les machines CNC se déplacent autour du matériau. Cette communication moteur-moniteur permet aux systèmes en boucle fermée de modifier la vitesse, la position et l'avance des tours et autres machines-outils CNC en temps réel.
Voici quelques-unes des applications industrielles les plus courantes pour les machines CNC :
Les machines CNC sont d'excellents outils pour les projets qui nécessitent une vitesse de coupe précise et efficace et elles peuvent s'adapter à deux des techniques de coupe les plus avancées :l'électroérosion à platine (machine à décharge électrique) et l'électroérosion à fil.
Un EDM à plomb utilise une érosion thermique résultant de l'interaction entre deux électrodes - l'une fixée à l'outil sous forme de cuivre ou de graphite. L’autre est le fluide diélectrique dans lequel baigne le matériau. Étonnamment, l’outil et la pièce n’entrent jamais en contact direct pendant la production. L'électroérosion à fil fonctionne de la même manière, sauf qu'elle utilise des fils-électrodes comme outils de coupe précis.
Ce processus de perforation précis utilise un outil de coupe rotatif, généralement des forets ou des jets d'eau à grande vitesse, pour produire des trous ronds dans une pièce fixe. Ces trous accueillent souvent des vis et des boulons d'assemblage.
Les machines CNC sont souvent équipées de meules abrasives qui produisent des finitions de surface presque impeccables. Cette technique de meulage soustractif dépasse largement la précision de tout processus de fabrication additive et peut réduire les imperfections à des tolérances aussi petites que 1/10ème de la largeur d'un cheveu humain.
Une fraiseuse CNC, similaire aux fraiseuses de base et autres fraiseuses manuelles, utilise des tours, des jets d'eau ou des outils de tournage pour retirer de la matière d'une pièce fixe. Les fraiseuses CNC peuvent se déplacer sur plusieurs axes, permettant aux opérateurs d'effectuer des tâches de fraisage horizontal, vertical, angulaire et de surfaçage avec une précision absolue. Ces capacités multi-angles augmentent l'efficacité du processus de fabrication de pièces complexes en bois, en métal et en plastique, puisque le machiniste peut ajuster et sécuriser à nouveau le matériau en stock moins de fois.
Ce processus de machine CNC fonctionne de la même manière que le fraisage ; cependant, au lieu de fixer la crosse à un poste de travail, elle est attachée à un mécanisme tournant qui tourne à grande vitesse. Un travailleur utilisant un tour ou une CNC avec un accessoire similaire enlèvera ensuite de petites quantités de matériau jusqu'à ce qu'il donne à la pièce la forme souhaitée.
Les logiciels de fabrication assistée par ordinateur (FAO) sont un élément essentiel du processus d'usinage CNC. Il est le médiateur et l'interprète de toute opération d'usinage assisté par ordinateur car il gère les entrées et sorties humaines et automatisées de chaque étape de la production.
Par exemple, les concepteurs créent des modèles 3D de leur projet dans un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO) et téléchargent le fichier dans CAM. CAM interprétera ensuite le modèle et agira comme un générateur de code m ou de code g, traduisant l'objectif du projet dans le langage de programmation CNC. Au fur et à mesure que la machine CNC travaille sur le projet, elle renvoie les données au CAM et informe l'opérateur de toute variable susceptible d'affecter le résultat du produit.
L'usinage CNC est ancré dans les avancées technologiques de la révolution industrielle au milieu du XIXe siècle, lorsque les entreprises manufacturières ont commencé à utiliser des tours à cames et des outils de fraisage pour la production en série d'armes à feu, d'équipements d'usine et d'articles du quotidien. Dans les années 1940 et 1950, l'usinage rudimentaire à commande numérique sous la forme de cartes perforées à code M a commencé à automatiser plusieurs tâches de fabrication qui étaient à l'origine contrôlées manuellement par une équipe de travailleurs.
À mesure que les ordinateurs numériques et les logiciels informatiques se sont améliorés dans les années 1970 et 1980, davantage d'outils de fabrication ont pu être automatisés pour améliorer la vitesse de production et l'efficacité globale.
Aujourd'hui, au 21e siècle, les logiciels de FAO et de CAO et les machines CNC de pointe permettent aux petites équipes de production d'adopter une stratégie rentable pour fabriquer de grandes quantités de pièces complexes. À mesure que l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle continuent de progresser, l'industrie manufacturière continuera probablement à optimiser et à automatiser ses processus.
Il peut être facile de rêver à un monde où les robots font tout le travail alors que nous entrons dans les premières étapes de la révolution de l'intelligence artificielle. Cependant, les professionnels de l'usinage et les universitaires en ingénierie comprennent tous deux que le processus d'usinage CNC nécessite des travailleurs qualifiés pour garantir que tout fonctionne comme prévu. ça devrait.
"[L'usinage par commande numérique par ordinateur] est une capacité fondamentale qui ne va pas disparaître de si tôt", déclare Schmitz. Au lieu de cela, Schmitz soutient que la fabrication additive et la fabrication soustractive se complètent au point où la « fabrication hybride » deviendra le futur processus d'usinage CNC.
Schmitz indique également que cette fabrication hybride "commencera par une pièce additive qui est la préforme ou la condition de départ, puis nous utiliserons un usinage limité pour produire une finition de surface lisse que vous ne pouvez pas obtenir avec de l'additif."
Cependant, l’un des obstacles les plus difficiles auxquels est confronté l’avenir de l’usinage CNC est la pénurie actuelle de machinistes qualifiés et familiers avec la programmation CNC. Cette pénurie ne fera qu'exacerber à mesure que les professionnels chevronnés du CNC prendront leur retraite et que peu d'entre eux entreront dans l'industrie pour prendre leur place.
Aux États-Unis, le ministère de la Défense et diverses autres agences fédérales ont pris conscience de la nécessité de relancer un programme national de fabrication défaillant et de mettre en œuvre des processus de fabrication de pointe qui rendront le pays compétitif dans ce secteur.
"Bien qu'historiquement, l'usinage ait été considéré comme un métier – où quelqu'un a besoin d'années et d'années de formation et d'expérience pratique avant de pouvoir créer les pièces qu'il souhaite – je pense que nous allons nous éloigner de cela pour aller vers un environnement d'usinage plus automatisé. ", dit Schmitz. "Il y aura toujours des emplois, mais ils seront radicalement différents de ce qu'ils étaient lorsque la technologie CNC a débuté dans les années 40 et 50."
Maintenant, c'est intéressantLes États-Unis étaient une puissance manufacturière qui a dominé le monde en matière de technologies innovantes après la Seconde Guerre mondiale. Les États-Unis ont ensuite commencé à sous-traiter leur production dans les années 1960 et 1970, ce qui a conduit à une dépendance accrue à l’égard des produits fabriqués à l’étranger. Les dirigeants de l'industrie et les organisations fédérales conviennent que le pays a cruellement besoin d'une plus grande autonomie et d'une renaissance de l'industrie américaine de l'usinage au 21e siècle. Alors que la main-d'œuvre diminue, avec moins de personnes entrant que sortant dans le domaine de la technologie CNC, cela n'a jamais été le meilleur moment pour rejoindre cette profession très demandée.
