Lors de la conception de pièces usinées CNC, comment pouvons-nous réduire les coûts d'usinage grâce à l'optimisation structurelle ?

Lors de la conception de pièces usinées CNC, la réduction des coûts d'usinage grâce à l'optimisation structurelle est essentielle pour équilibrer les exigences fonctionnelles et l'accessibilité de la fabrication. Les stratégies d'optimisation spécifiques suivantes sont fournies à partir de multiples dimensions :

1. Optimisation de la sélection des matériaux
   • Privilégier les matériaux faciles à usiner : les matériaux avec une bonne usinabilité, tels que les alliages d'aluminium et l'acier à faible teneur en carbone, peuvent réduire l'usure des outils et le temps d'usinage. Par exemple, le remplacement de l'acier inoxydable par un alliage d'aluminium 6061 peut réduire les coûts d'usinage de plus de 30 % (si la résistance le permet).
   • Minimiser l'utilisation de métaux précieux : utiliser des conceptions de renfort localisées (telles que l'utilisation d'alliage de titane uniquement dans les zones sollicitées) au lieu de structures globales en métaux précieux.
   • Faire correspondre la forme du matériau : choisir des ébauches proches de la forme finale de la pièce (telles que des barres ou des plaques) pour réduire les tolérances d'usinage. Par exemple, l'utilisation d'une ébauche rectangulaire pour usiner une pièce carrée peut éviter un gaspillage excessif par rapport à une ébauche ronde.
2. Contrôle de la complexité géométrique
   • Éviter les cavités profondes et les fentes étroites :
     • Les cavités profondes (profondeur > 5 fois le diamètre de l'outil) nécessitent un usinage multicouche et sont sujettes aux vibrations et à la rupture de l'outil. Envisager d'utiliser des combinaisons de cavités peu profondes ou des structures divisées.
     • Les fentes étroites nécessitent des outils de petit diamètre, qui ont une faible efficacité d'usinage. Il est recommandé que les largeurs de fente soient ≥ 1,2 fois le diamètre de l'outil.
   • Simplifier les parois minces et les angles vifs :
     • Les parois minces (épaisseur < 3 mm) sont sujettes à la déformation et nécessitent des paramètres de coupe réduits ou un support supplémentaire. L'optimisation peut être obtenue grâce à un épaississement local ou à l'ajout de nervures de renfort.Les angles vifs (angles internes < R1 mm) nécessitent plusieurs passes avec des fraises en bout sphériques. Le passage à des congés avec un rayon de R2 mm ou plus peut réduire le temps d'usinage.
     • Réduire la dépendance multi-axes : éviter les surfaces courbes ou les trous inclinés inutiles ; utiliser plutôt des structures en gradins ou des angles standard (tels que 45 °, 90 °) pour effectuer l'usinage avec une machine à trois axes.Rationalisation des tolérances et de la rugosité de surface
   • Assouplir les tolérances non critiques : l'assouplissement des tolérances sur les surfaces non d'accouplement de ± 0,05 mm à ± 0,1 mm peut réduire le nombre d'étapes de finition. Par exemple, la tolérance de position des trous de montage peut être modérément assouplie, tandis que seules les positions de palier critiques conservent une grande précision.
3. Réduire la rugosité de surface sur les surfaces non fonctionnelles : la réduction de la rugosité de surface des surfaces non esthétiques de Ra1,6 à Ra3,2 peut réduire le temps de finition. Par exemple, les surfaces structurelles internes n'ont pas besoin d'être polies.
   • Spécifier des tolérances économiques : se référer aux normes de précision moyenne de la norme ISO 2768 pour éviter une spécification excessive.
   • Normalisation et conception modulaire
   • Unifier les dimensions des caractéristiques : utiliser des tailles de forets standard (telles que les trous taraudés M6, M8) au lieu de trous non standard pour réduire la fréquence des changements d'outils.
4. Décomposition modulaire : diviser les pièces complexes en plusieurs sous-composants plus simples, qui peuvent être usinés séparément, puis assemblés par boulons ou soudure. Par exemple, une coque avec une cavité profonde peut être divisée en un « corps principal + plaque de recouvrement ».
   • Conception d'interface universelle : utiliser des brides, des rainures de clavette ou des structures à encliquetage standard pour réduire le besoin d'outillage personnalisé.
   • Optimisation de l'usinage assistée par logiciel
   • Reconnaissance automatique des caractéristiques CAO/FAO : utiliser un logiciel pour identifier automatiquement les caractéristiques telles que les trous et les fentes afin de réduire le temps de programmation. Par exemple, la fonction de reconnaissance des caractéristiques dans Fusion 360 peut réduire le temps de programmation de 30 %.
5. Optimisation du trajet d'outil : mettre en œuvre des stratégies d'usinage à grande vitesse (HSM), telles que l'entrée hélicoïdale de l'outil et la coupe continue, pour réduire le temps de non-coupe. Par exemple, des trajets optimisés peuvent réduire le temps d'usinage de 15 %.
   • Vérification de la simulation : utiliser l'usinage virtuel pour vérifier les interférences et les surcoupes, en évitant les rebuts dus aux essais de coupe.
   • Équilibrer la légèreté et la résistance
   • Optimisation topologique et évidement : utiliser l'analyse par éléments finis (FEA) pour déterminer les trajets de charge et ne conserver que les matériaux nécessaires (tels que les structures osseuses biomimétiques).
6. Traitement thermique localisé pour le renforcement : appliquer une trempe au laser aux zones fortement sollicitées (telles que les racines d'engrenages) au lieu d'un traitement thermique global.
   • Combinaison de processus hybrides : après l'usinage CNC de la structure principale, ajouter des grilles légères par fabrication additive (impression 3D) pour équilibrer la réduction de poids et la résistance.
   • Suggestions d'étapes de mise en œuvre
   • Analyse DFM (Design for Manufacturing) : communiquer avec l'usine d'usinage au début de la phase de conception pour identifier les caractéristiques coûteuses.

• Vérification du prototype : tester la fonctionnalité avec des prototypes imprimés en 3D ou des prototypes CNC simples pour éviter les retouches après la production de masse.
• En mettant en œuvre les stratégies ci-dessus, les coûts d'usinage CNC peuvent être réduits de 20 % à 50 % tout en assurant la fonctionnalité, ce qui est particulièrement adapté aux besoins de réduction des coûts dans la production de masse ou les pièces très complexes.