Réduisez les coûts d'usinage CNC grâce à une conception intelligente des pièces

TL ;DR

L'optimisation de la conception des pièces afin de réduire les coûts d'usinage repose sur l'application des principes de la Conception pour l'Usinabilité (DFM). Cela implique de simplifier la géométrie des pièces, d'ajouter des rayons généreux aux angles intérieurs, d'utiliser des dimensions standardisées pour les trous et les filetages, et de spécifier des tolérances larges chaque fois que possible. Le choix de matériaux économiques et hautement usinables constitue également une stratégie essentielle pour minimiser le temps machine, la complexité et le coût global.

Les Principes Fondamentaux de la Conception pour l'Usinabilité (DFM)

Avant d'aborder des changements de conception spécifiques, il est essentiel de comprendre la stratégie fondamentale de réduction des coûts : la conception pour l'usinabilité (DFM). La DFM consiste à concevoir intentionnellement des composants de manière à ce qu'ils puissent être fabriqués de la façon la plus efficace et la plus simple possible. L'objectif est de minimiser non seulement le temps passé par une pièce sur une machine CNC, mais aussi la complexité de l'ensemble du processus de production, depuis la configuration initiale jusqu'à la finition finale. Chaque décision prise pendant la phase de conception a un impact direct, souvent significatif, sur le coût final.

Les principes fondamentaux de la DFM reposent sur deux objectifs clés : réduire le temps d'usinage et minimiser le nombre d'opérations. Le temps d'usinage est souvent le principal facteur de coût ; ainsi, les conceptions permettant des vitesses de coupe plus élevées et moins de passes seront toujours moins coûteuses. Cela peut être obtenu en choisissant des matériaux présentant une bonne usinabilité ou en concevant des éléments pouvant être réalisés avec des outils plus grands et plus robustes. Comme détaillé dans un guide provenant de Protolabs Network même de petits ajustements, comme l'augmentation d'un rayon de congé, peuvent permettre à une machine de fonctionner plus rapidement et plus efficacement.

Tout aussi important est la minimisation du nombre de montages. Un montage correspond à chaque fois qu'une pièce doit être repositionnée manuellement ou re-fixée pour accéder à différentes faces. Chaque montage augmente les coûts de main-d'œuvre et introduit un risque d'erreur. Une pièce complexe avec des caractéristiques sur les six faces pourrait nécessiter six montages distincts, augmentant considérablement son coût par rapport à une pièce plus simple dont toutes les caractéristiques peuvent être usinées depuis une seule direction. Une stratégie clé de la conception pour la fabrication (DFM) consiste donc à concevoir des pièces qui peuvent être réalisées en aussi peu de montages que possible, idéalement un seul.

Principales optimisations géométriques pour réduire les coûts

La géométrie d'une pièce est l'un des facteurs les plus importants influant sur son coût d'usinage. Les formes complexes, les poches profondes et les détails délicats nécessitent tous plus de temps, des outils spécialisés et une manipulation soigneuse, ce qui augmente le prix. En apportant des optimisations stratégiques à la géométrie de la pièce, les ingénieurs peuvent réaliser des économies substantielles sans compromettre la fonctionnalité.

• Ajoutez des rayons généreux aux coins internes. Tous les outils de fraisage CNC sont ronds, ce qui signifie qu'ils laissent naturellement un rayon dans chaque coin interne. Tenter de créer un angle vif ou un très petit rayon nécessite un outil de petit diamètre, qui doit avancer lentement et effectuer plusieurs passes, augmentant ainsi le temps machine. Une règle simple consiste à concevoir les rayons des coins internes de manière à ce qu'ils représentent au moins un tiers de la profondeur de la cavité. Comme Protocase l'explique , l'utilisation de rayons aussi grands que possible améliore la finition de surface et réduit les coûts en permettant l'utilisation d'outils de coupe plus grands et plus stables.
• Limitez la profondeur des cavités et des poches. L'usinage de poches profondes est excessivement coûteux. Les outils de coupe standards ont une longueur de coupe limitée, généralement efficace jusqu'à une profondeur d'environ 2 à 3 fois leur diamètre. Bien que des coupes plus profondes soient possibles, elles nécessitent des outils spécialisés et plus longs, moins rigides, qui doivent fonctionner à des vitesses plus lentes afin d'éviter les vibrations et la casse. Fictiv recommande de limiter la profondeur de coupe à cinq fois le diamètre de l'outil pour les fraises afin d'assurer une bonne finition et un coût réduit.
• Évitez les parois minces. Les parois plus minces que 0,8 mm pour les métaux ou 1,5 mm pour les plastiques sont sujettes aux vibrations, déformations et ruptures pendant l'usinage. Pour réaliser ces éléments avec précision, un fraiseur doit effectuer plusieurs passes lentes avec une faible profondeur de coupe. Sauf si cela est absolument nécessaire pour le fonctionnement de la pièce, concevoir des parois plus épaisses et plus rigides rendra la pièce plus stable et nettement moins coûteuse à produire.
• Simplifiez et regroupez les caractéristiques. La complexité d'un design a un impact direct sur le coût. Les pièces symétriques sont plus faciles à usiner, et la réduction du nombre total de caractéristiques uniques diminue le besoin de changements d'outils. Si une pièce comporte des éléments complexes comme des sous-découpes ou des trous sur plusieurs faces, envisagez si le design peut être divisé en plusieurs composants plus simples, qui pourront être usinés facilement puis assemblés. Cette approche s'avère souvent plus rentable que l'usinage d'une seule pièce très complexe nécessitant une machine 5 axes et des outillages spéciaux.

Stratégies intelligentes pour les tolérances, les filetages et les trous

Alors que les grandes caractéristiques géométriques sont des facteurs de coût évidents, des détails mineurs comme les tolérances, les filetages et les trous peuvent avoir un impact inattendu sur le prix final. Ces caractéristiques exigent souvent une grande précision, des outils spécialisés ou des opérations machines supplémentaires. Appliquer des stratégies de conception intelligentes à ces éléments constitue une étape essentielle pour optimiser la fabrication rentable d'une pièce.

Les tolérances définissent l'écart acceptable pour une dimension spécifique. Bien que des tolérances strictes soient parfois nécessaires pour les interfaces critiques, elles doivent être spécifiées avec parcimonie. Plus la tolérance est stricte, plus de temps, de soin et de contrôles sont nécessaires, ce qui augmente exponentiellement le coût. Comme expliqué par MakerVerse , des tolérances excessivement strictes peuvent entraîner une usure accrue des outils, des temps de cycle plus longs et un taux de rebut plus élevé. Pour les caractéristiques non critiques, se fier à la tolérance standard de la machine (généralement ±0,125 mm) est suffisant et nettement plus économique.

De même, les trous et les filetages doivent être conçus en tenant compte de la standardisation. L'utilisation de tailles standard de forets pour les trous est beaucoup moins coûteuse que la spécification d'un diamètre non standard, qui nécessiterait une fraise pour créer lentement le trou. En ce qui concerne les filetages, leur longueur doit être limitée. Un engagement fileté dépassant 1,5 fois le diamètre du trou apporte peu de résistance supplémentaire mais augmente significativement le coût. Pour les trous borgnes, il est également important de prévoir une section non filetée au fond, afin de laisser un dégagement pour l'outil de taraudage et de réduire le risque de casse.

Choix des matériaux et des finitions pour une efficacité économique

Le choix du matériau et de la finition de surface requise sont des considérations finales essentielles pour maîtriser les coûts d'usinage. Ces décisions influencent à la fois le coût du matériau brut et le temps nécessaire pour usiner la pièce. Un matériau peu coûteux à l'achat mais difficile à usiner peut s'avérer finalement plus cher qu'un matériau plus onéreux mais plus facile à usiner.

L'usinabilité d'un matériau décrit à quel point il peut être facilement usiné. Les matériaux plus tendres comme l'aluminium 6061 et les plastiques comme le POM (Delrin) présentent une excellente usinabilité, permettant un usinage à grande vitesse et des temps de cycle plus courts. En revanche, les matériaux plus durs comme l'acier inoxydable ou le titane sont plus difficiles à usiner, nécessitant des vitesses plus lentes et provoquant une usure accrue des outils, ce qui double ou triple le temps d'usinage. Par conséquent, sauf si les propriétés spécifiques d'un alliage haute résistance sont requises, choisir un matériau plus facile à usiner constitue une stratégie très efficace pour réduire les coûts.

Un autre domaine d'optimisation consiste à prendre en compte le procédé de fabrication de la matière première elle-même. L'utilisation d'une préforme proche de la forme finale, créée par un procédé tel que le forgeage, peut réduire considérablement la quantité de matière à enlever par usinage, ce qui permet d'économiser du temps et de réduire les déchets. Pour les acteurs du secteur automobile, par exemple, explorer les solutions proposées par des spécialistes dans ce domaine peut être avantageux. Pour des composants automobiles robustes et fiables, vous pouvez examiner les des services de forge sur mesure de Shaoyi Metal Technology , qui est spécialisé dans le forgeage à chaud de haute qualité pour l'industrie.

Enfin, les spécifications de finition de surface doivent être soigneusement prises en compte. La finition standard "usinée" est l'option la plus économique. Demander des finitions plus lisses nécessite des passes d'usinage supplémentaires ou des opérations secondaires telles que le sablage ou le polissage, chacune augmentant le coût. Spécifier des finitions différentes sur diverses surfaces d'une même pièce est encore plus coûteux, car cela implique le masquage et plusieurs processus. Appliquer une finition spécifique uniquement là où elle est fonctionnellement nécessaire est un moyen simple mais efficace de réduire les coûts.

Questions fréquemment posées

1. Comment réduire le coût de l'usinage CNC ?

La réduction des coûts d'usinage CNC repose sur une combinaison d'optimisation de la conception, de sélection des matériaux et de simplification des processus. Les principales stratégies incluent :

• Simplifier la géométrie : Évitez les courbes complexes, les poches profondes et les parois minces.
• Ajouter des rayons d'arrondi : Utilisez les rayons les plus grands possibles aux coins internes afin de permettre un usinage plus rapide.
• Utiliser des éléments standardisés : Concevez les trous et filetages selon des dimensions standard pour éviter d'avoir besoin d'outillages personnalisés.
• Assouplir les tolérances : Spécifiez des tolérances serrées uniquement sur les caractéristiques critiques dont le fonctionnement dépend.
• Choisir des matériaux usinables : Sélectionnez des matériaux comme l'aluminium 6061 qui peuvent être usinés rapidement.
• Minimiser les montages : Concevez les pièces de manière à ce que toutes les caractéristiques puissent être accessibles avec le moins d'orientations possibles de la machine.

2. Quelles sont les considérations de conception pour la conception de pièces usinées ?

Les principales considérations de conception pour les pièces usinées portent sur l'assurance de la fabricabilité et de la rentabilité. Cela inclut l'évaluation de la géométrie de la pièce en termes de simplicité et d'accessibilité pour les outils de coupe. Les concepteurs doivent tenir compte des limitations du procédé d'usinage, telles que l'impossibilité de créer des angles internes parfaitement vifs. D'autres facteurs importants comprennent le choix du matériau selon les exigences fonctionnelles et l'usinabilité, l'application appropriée des tolérances, ainsi que la conception des éléments tels que les trous et les filetages selon des spécifications standard. Enfin, les concepteurs doivent chercher à réduire au minimum le nombre de montages machines nécessaires pour terminer la pièce.