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Le comment et le pourquoi de l’usinage à cinq axes

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La détection des collisions est une caractéristique importante de l’usinage à cinq axes. Il existe déjà de nombreuses solutions permettant de simuler rapidement le programme afin d’éliminer les erreurs à l’avance.

Texte | Valérie Couplez

Photos | iStock

12 mai 2022 Temps de lecture 11 minutes

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Une œuvre d’art se cache dans chaque bloc de pierre ; c’est au sculpteur de l’extraire. Ce sont les mots de Michel-Ange, artiste de la Renaissance italienne. Imaginez tout ce qu’il aurait pu réaliser s’il avait échangé son marteau et son burin contre des machines-outils à commande numérique. Des milliers de statues de David, dans autant de matériaux. Que vous souhaitiez sculpter un chef-d’œuvre en marbre ou des aubes de turbine en titane, le principe de base reste le même : enlever de la matière jusqu’à obtenir la forme souhaitée. Avec la capacité d’usinage à cinq axes, vous créez davantage de possibilités de le faire plus efficacement.

En termes simples, l’usinage à cinq axes se caractérise par le déplacement simultané de votre pièce ou de votre outil de coupe le long de cinq axes. Cela permet à une machine-outil de produire des pièces très complexes, ce qui explique immédiatement pourquoi l’usinage à cinq axes a d’abord été adopté par les entreprises actives dans (l’approvisionnement de) l’industrie aéronautique. 

La généralisation de l’usinage à cinq axes est due à diverses évolutions, à commencer par la volonté de finir parfaitement une pièce dans un seul et même serrage. Cette évolution est nécessaire dans le cadre d’une production à fort mélange et à faible volume pour écourter les délais et permettre à l’efficacité de triompher. 

L’usinage à cinq axes réduit également le risque de collisions avec le porte-outil. La table ou l’outil de coupe peut maintenant s’incliner, ce qui permet un meilleur accès à la géométrie de la pièce. Une autre conséquence directe de cette fonction d’inclinaison est que la durée de vie des outils augmente également. En effet, ils peuvent être positionnés de manière optimale pour la coupe et pour l’évacuation des copeaux.

La relation exacte entre ces axes et la machine elle-même dépend de sa construction et du fait qu’il s’agisse d’un centre d’usinage vertical ou horizontal. Et bien sûr, plus nombreuses sont les broches, plus nombreux sont les axes.

Qu’est-ce que le cinq axes ?

Mais quels sont ces fameux cinq axes ? Examinons une autre grandeur du passé. Lorsque René Descartes a vu une mouche traverser la chambre depuis son lit, il a réalisé qu’il n’avait besoin que de trois valeurs pour décrire la position exacte de la mouche dans une pièce tridimensionnelle : les variables X, Y et Z. Il a ainsi jeté les bases du système de coordonnées cartésiennes et de trois des cinq axes dont nous avons besoin dans l’usinage à cinq axes. 

Et les deux autres ? Si nous zoomons sur la mouche de Descartes, nous pouvons déterminer non seulement sa position dans l’espace, mais aussi son orientation : l’axe A. Un axe qui tourne autour de l’axe X. Enfin, il y a aussi l’angle d’inclinaison, la mouche se pose ou décolle, qui est décrit par l’axe B, un axe de rotation autour de l’axe Y. Il peut bien sûr y avoir un autre axe tournant autour de Z, mais dans l’usinage, ce coût supplémentaire n’apporte que peu de valeur ajoutée. D’où la préférence pour les configurations à cinq axes. La relation exacte entre les axes dans la machine elle-même dépend de sa construction et du fait qu’il s’agisse d’un centre d’usinage vertical ou horizontal. Et bien sûr, plus nombreuses sont les broches, plus nombreux sont les axes …    

3+2 ou 5

Quelle que soit la façon dont vous le voyez, les pièces que vous fabriquez avec tous ces axes sont des pièces à cinq axes. Toutefois, cela peut se faire dans différentes configurations. La nécessité d’un montage à 3, 4 ou 5 axes dépend dans une large mesure de la géométrie de la pièce à usiner et, bien sûr, des machines et des commandes dont dispose le client. Dans l’usinage, 3+2 (usinage positionnel à cinq axes) n’est pas équivalent à 5 (usinage simultané à cinq axes). Dans le premier cas, on réalise un programme à trois axes dans lequel l’outil de coupe se trouve dans une position fixe entre les deux axes de rotation. Dans le second cas, des réglages continus sont effectués sur l’outil de coupe le long des cinq axes afin que la pointe de coupe soit parfaitement perpendiculaire à la pièce. 

Le grand avantage de cette dernière méthode est la rapidité du travail. Tout peut être terminé en une seule fois, sans s’arrêter. Cependant, cela demande plus d’attention lors de la programmation afin d’éviter les collisions. CAO et usinage à cinq axes vont donc de pair.

La table ou l’outil de coupe peut désormais s’incliner, ce qui permet de mieux accéder à la géométrie de la pièce.

Usinage à cinq axes et impression 3D

Pour lancer quelques chiffres supplémentaires, voici une petite comparaison avec les techniques de fabrication additive, plus connues sous le nom d’impression 3D. 

Selon les irréductibles, il s’agit d’une technique disruptive qui va bouleverser l’ensemble du monde de l’usinage. Dans la plupart des cas, cependant, les deux techniques s’avèrent très complémentaires. Il existe bel et bien des opportunités de construire des pièces couche par couche et de réaliser un concept qui ne serait pas possible avec l’usinage traditionnel. Mais il subsiste un grand nombre de pièces qui nécessitent des techniques d’usinage, par exemple lorsqu’il s’agit de tolérances très étroites. 

Alors, faut-il s’attendre à des machines-outils hybrides à l’avenir ? Non. Pour travailler efficacement, il est préférable qu’elles fonctionnent séparément. Il suffit de penser à la récupération de la poudre dans l’impression 3D, ou à l’élimination des copeaux dans l’usinage. Des processus qui doivent se dérouler de manière aussi fluide que possible. La réponse résidera plutôt dans une place réservée aux deux technologies, côte à côte dans l’atelier, mais reliées par l’automatisation. 

Comment en tirer le meilleur parti ?

Aujourd’hui, de nombreux ateliers ont déjà investi dans l’usinage à cinq axes. Mais ces capacités ne sont pas toujours utilisées partout à leur plein potentiel. Cela peut être dû à un manque de compréhension ou au manque de logiciel adéquat pour libérer tout le potentiel. Apprendre à passer de 3 à 5 axes simultanés demande un certain entraînement. Tant dans la conception que dans la programmation des pièces. Dans de nombreux cas, tout est question de contrôle et de logiciel pour obtenir un parcours d’outil fluide. 

Une caractéristique importante de ce logiciel devra être la reconnaissance des collisions. Il existe déjà de nombreuses solutions permettant de simuler rapidement le programme afin d’éliminer les erreurs à l’avance. La plupart des problèmes rencontrés par les utilisateurs ne sont pas liés à la fabrication de copeaux, mais à la dotation en personnel, à la communication correcte entre la préparation du travail et la machine, et au fait de disposer des bons outils dans le magasin pour terminer une pièce.     

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