Machine-outil à commande numérique

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Une machine-outil à commande numérique (MOCN, ou simplement CN) est une machine-outil dotée d'une commande numérique. Lorsque la commande numérique est assurée par un ordinateur, on parle parfois de machine CNC pour computer numerical command, francisé en « commande numérique par calculateur »

Définition

Dans le domaine de la fabrication mécanique, le terme « commande » désigne l'ensemble des matériels et logiciels ayant pour fonction de donner les instructions de mouvements à tous les éléments d'une machine-outil :

• l'outil (ou les outils) d'usinage équipant la machine,
• les tables ou palettes où sont fixées les pièces,
• les systèmes de magasinage et de changement d'outil,
• les dispositifs de changement de pièce,
• les mécanismes connexes, pour le contrôle ou la sécurité, l'évacuation des copeaux, …

On peut aussi découper la famille des commandes numériques en quatre sous familles de machines :

• fraisage à commande numérique (FCN) ;
• tournage à commande numérique (TCN) ;
• centre d'usinage à commande numérique (CUCN) ;
• rectification à commande numérique ;
• électro-érosion à commande numérique.

Dans chaque famille, les méthodes de montage et de travail sont totalement différentes, mais elles se rejoignent sur le principe de programmation, la grande majorité des machines utilisant un langage ISO. À cela peuvent se rajouter des interfaces dites conversationnelles ou par apprentissage qui simplifient l'utilisation de la machine.

La notion de commande numérique s'étend aussi au domaine de la chaudronnerie : découpage plasma, presse plieuse.

Généralités

Par extension, on appelle « commande numérique » l'armoire de commande recevant le programme d'usinage sous forme d'un ruban perforé, d'une bande magnétique, ou de données issues d'un ordinateur. On désigne parfois ainsi la machine complète équipée d'un tel dispositif. On parle d'un tour à commande numérique, ou d'une fraiseuse à commande numérique, par opposition à un tour conventionnel ou une fraiseuse conventionnelle, dont les mouvements sont commandés manuellement ou par un dispositif automatisé d'une façon figée.

Les machines-outils spécialisées (aléseuses-perceuses, fraiseuses) à commande numérique ont évolué en centres d'usinage à commande numérique permettant d'usiner des formes complexes sans démontage de la pièce. Ces centres d'usinage sont généralement équipés de magasins d'outils (tourelles, tables, chaînes) sur lesquels sont disposés les différents outils. Les changements d'outils équipant la (ou les) tête(s) d'usinage sont programmés en fonction de la définition numérique de la pièce.

Le fichier de définition numérique (qu'on appelle aussi DFN, définition numérique, numérisation ou même tout simplement « num ») est un fichier informatique généré par CAO, qui remplace de plus en plus le plan sur la traditionnelle planche à dessin.

CATIA est actuellement l'un des logiciels les plus utilisés pour établir les DFN dans les domaines de l'automobile et de l'aéronautique.

Sur ces définitions doivent ensuite être calculés des parcours d'outil au moyen de logiciels de FAO. Ces parcours seront ensuite traduits dans un langage compréhensible par la « commande numérique » appelé : langage de programmation. On parle de programmation de commande numérique.

On constitue ainsi la chaîne numérique ; on parle en anglais de F2F, file to factory, littéralement « du fichier à l'usine ».

Origines de la commande numérique

C’est en 1952 aux États-Unis que la CN a commencé à être exploitée, pour permettre l’usinage de pompes à injection pour moteurs d’avions. Il s’agissait en fait de cames, dont le profil complexe était irréalisable au moyen d’une machine traditionnelle ^{[réf. nécessaire]}. La première machine à commande numérique fut développée en 1952 au M.I.T (Massachusetts Institute of Technology) par le Dr Richard KEGG.

Exemples de machines-outils à commande numérique

Centre d'usinage à broche verticale et deux plateaux tournants (5 axes) de Deckel Maho

Mazak

Constructeur Japonais et leader mondial de MOCN par enlévements de copeaux.

1. REDIRECTION [1]

Hermle

Constructeur Allemand de Centre d'Usinage 5 axes simultanés.

Tsugami

Constructeur Japonais de tours à poupée mobile.

Somab

Constructeur Français de tours et centres d'usinage.

Realmeca

Cazeneuve

Constructeur Français de tours depuis 1905.

Mecanumeric

Ce constructeur européen offre une gamme de machines pour la découpe, la gravure, le thermoformage et le polissage. Les technologies développées sont aussi diverses que : fraisage UGV (machines 3 axes, machines 4 axes et machines 5 axes continus) :

• gravure par fraisage ;
• découpe et gravure par laser CO₂ ou YAG ;
• découpe et semi-découpe au couteau à contrôle tangentiel ;
• découpe au jet d’eau abrasif haute pression ( jusqu'à 1100 bar );
• thermoformage de plastiques et de composites et étuves associées ;
• polissage.

Le Demeter

(gravure à grande échelle)

Le hermes

(perçage à grande échelle)

CharlyRobot

(Gravure à petite échelle, souvent utilisé dans les établissements scolaires)

Hyundai-Kia

Fanuc GE

La structure d'une machine à commande numérique

Centre d'usinage avec broche (Axe Z) horizontal et plateau de chargement/déchargement

Les programmes d'usinage sont réalisés à partir d'une origine appelée « origine programme » (OP) positionnée par le programmeur. Le programme commande les déplacements relatifs entre le brut et les outils dans le but de réaliser l'usinage de la pièce finale. Ces déplacements sont réalisés dans un repère orthonormé normalisé $(\mathrm{O}, \vec x, \vec y, \vec z)$ basé sur la structure de la machine.

L'axe $\vec z$ de ce repère est un axe confondu avec celui de la broche de la machine — axe de rotation de la fraise en fraisage, axe de rotation de la pièce en tournage. Le sens positif de cet axe est donné par le sens d'éloignement de l'outil par rapport à la pièce. La détermination de l'axe $\vec x$ entre les 2 axes restants se fait en identifiant celui qui permet le plus grand déplacement. Le sens positif de $\vec x$ est déterminé par le sens logique d'éloignement de l'outil par rapport à la pièce.

L'axe $\vec y$ est déterminé à partir de $\vec x$ et $\vec z$ grâce à la règle du trièdre direct.

Méthodes d'usinage spécifiques aux machines à commande numérique

Certains procédés d'usinage sont rendus possibles sur les MOCN du fait des caractéristiques mécaniques de leurs axes ou de la possibilité de faire varier en continu les vitesses des axes ou de rotation des broches.

Fraisage

En fraisage conventionnel, on travaille « en opposition » : en raison du jeu dans la vis d'entraînement, un travail « en avalant » provoquerait des chocs pouvant nuire à la précision de l'usinage voire détériorer la machine.

Les machine à commande numérique possèdent des vis avec noix pourvues de billes précontraintes donc exemptes de jeu, ce qui permet le travail en avalant qui soulage l’effort de coupe.

L'usage de moteurs linéaires sur certaines machines a même supprimé l'usage des vis (noix bronze ou butée à billes ou à rouleaux).

Tournage

En tournage traditionnel, la vitesse de rotation choisie en fonction de la matière et du diamètre reste constante pendant l'opération. Sur les tours à commande numérique une fonction de programmation (appelée G96 sous langage FANUC) permet d'avoir une vitesse de rotation évolutive (recalculée dynamiquement par rapport au diamètre usiné).

Cette fonctionnalité s'appelle la vitesse de coupe constante, ou vitesse circonférentielle. Elle permet d'avoir des états de surface bien supérieurs à l'usinage traditionnel.

Voir aussi

• Caractéristiques techniques de 4 000 machines outils à CN

Articles connexes

• Conception assistée par ordinateur,
• Fabrication assistée par ordinateur,
• CFAO,
• Post-processeur,
• Informatique industrielle,
• Programmation de commande numérique.

Bibliographie

• Gilles Patri, « Aérospatiale : une nouvelle ère industrielle. Des outils classiques à la commande numérique », dans Revue aérospatiale, N° hors série 20 ans d'Aérospatiale, janvier 1990