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Exploration des 4 principales technologies de découpe CNC

Dernière mise à jour :
10 juin 2024
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Table des matières

La technologie de découpe CNC a connu un développement rapide ces dernières années. Grâce à sa flexibilité et à la composition des processus, elle remplace les méthodes de poinçonnage des moules et occupe une position très importante dans le traitement des pièces embouties pour les wagons de passagers.

Les types les plus répandus sont la découpe laser CNC, la découpe plasma CNC, la découpe au chalumeau CNC et la découpe au jet d'eau haute pression CNC. Les matériaux découpés comprennent les plaques d'acier au carbone, les plaques d'acier inoxydable et les plaques d'alliage d'aluminium.

Technologie de découpe laser CNC

Découpe au laser est une méthode de traitement avancée qui utilise un faisceau laser à haute énergie pour découper thermiquement des matériaux. Elle permet de découper divers métaux et tôles non métalliques et est largement utilisée dans la fabrication des voitures de chemin de fer. La figure 3-47 montre une image de tôle découpée au laser.

Figure 3-47 : image d'une tôle découpée au laser.

(1) Principe de la découpe laser

La découpe au laser consiste à irradier la pièce avec un faisceau laser focalisé à haute énergie, qui la fait rapidement fondre, se vaporiser, s'ablater ou atteindre son point d'ignition. Dans le même temps, le matériau fondu est soufflé par un flux d'air à grande vitesse coaxial avec le faisceau, ce qui coupe la pièce. La découpe laser est l'une des méthodes de découpe thermique.

(2) Caractéristiques de la découpe laser

1) La coupe est étroite, de l'ordre de 0,15 à 0,4 mm (en fonction de l'épaisseur de la plaque), et elle est verticale par rapport à la surface.

La surface de coupe est lisse et belle, la zone affectée par la chaleur est réduite, la déformation de la pièce est faible, la précision de coupe est élevée et la précision dimensionnelle des pièces coupées peut atteindre ±0,05 mm, ce qui permet une utilisation élevée des matériaux.

2) Généralement équipée d'une table de travail interchangeable, la coupe continue peut être réalisée pendant le processus de coupe. Les vitesse de coupe est rapide, atteignant jusqu'à 70 m/min. Il s'agit d'un procédé de découpe sans contact, qui permet de découper des pièces de différentes formes et qui produit peu de bruit et de pollution pendant le processus.

3) La qualité de la coupe des tôles fines est bonne, la vitesse est rapide, mais lorsque l'épaisseur de la tôle augmente, la vitesse de coupe diminue de manière significative, et la qualité de la section coupée diminue également.

(3) Application de la découpe laser dans le domaine des voitures de chemin de fer

Dans la fabrication des wagons de passagers, la technologie de découpe laser est principalement utilisée pour découper des plaques d'acier au carbone d'une épaisseur inférieure à 16 mm et des plaques d'acier inoxydable d'une épaisseur inférieure à 12 mm. Parmi toutes les technologies de découpage, c'est la plus efficace et la plus précise.

Technologie de découpe à l'arc plasma CNC

Le découpage à l'arc plasma utilise un arc plasma à haute énergie et un flux de plasma à grande vitesse pour souffler le métal fondu loin de la coupe, formant un trait de scie continu. Grâce à sa vitesse de coupe rapide et à la déformation minimale de la pièce, le découpage à l'arc plasma convient à la découpe d'une grande variété de matériaux métalliques.

(1) Méthodes courantes de découpe à l'arc plasma

Il existe deux méthodes principales : le découpage à l'arc au plasma d'air et le découpage à l'arc au plasma de précision.

1) Découpage à l'arc au plasma d'air : Il s'agit d'une technique manuelle de découpe à l'arc plasma, principalement utilisée pour les processus intermédiaires dans les emboutis en acier au carbone, en acier inoxydable et en alliage d'aluminium, tels que la découpe de trous, la découpe de fentes, la découpe de bords, la découpe de têtes et la découpe de joints.

2) Découpe de précision à l'arc plasma : Il s'agit d'une technique de découpe CNC qui permet de découper des matériaux tels que l'acier au carbone et l'acier inoxydable d'une épaisseur inférieure à 30 mm.

(2) Procédé de découpe de précision à l'arc plasma

Ce procédé convient à tous les métaux et à certains matériaux non métalliques. C'est une méthode efficace pour coupe de l'acier inoxydableLa machine peut être utilisée pour découper l'aluminium et les alliages d'aluminium, le cuivre et les alliages de cuivre, ainsi que d'autres métaux non ferreux. L'épaisseur de coupe maximale peut atteindre 180-200 mm.

Actuellement, dans la production de voitures particulières, il est utilisé pour couper l'acier au carbone d'une épaisseur de 5 à 25 mm et l'acier inoxydable d'une épaisseur de 4 à 20 mm.

(3) Paramètres du processus de découpe à l'arc plasma

Il s'agit notamment du courant de coupe, de la tension de coupe, de la vitesse de coupe, du débit de gaz et de la hauteur de la buse par rapport à la pièce à usiner.

1) Le courant et la tension de coupe déterminent la puissance de l'arc plasma. Lorsque la puissance de l'arc plasma augmente, la vitesse de coupe et l'épaisseur de coupe peuvent augmenter en conséquence.

Le courant de coupe est généralement choisi en fonction de l'épaisseur de la plaque et de la vitesse de coupe. Un courant de coupe trop élevé peut facilement brûler l'électrode et la buse, produisant un double arc et formant un trait de scie en forme de V.

2) Une tension de coupe plus élevée permet de couper des plaques épaisses et l'effet de coupe est meilleur. Bien qu'une augmentation du courant puisse accroître l'épaisseur et la vitesse de coupe, une simple augmentation du courant entraînera un épaississement de la colonne d'arc, ce qui élargira le trait de scie.

3) La vitesse de coupe est un indicateur majeur de la productivité de la coupe, et elle a un impact significatif sur la qualité de la coupe. La vitesse de coupe appropriée est cruciale pour obtenir une surface de coupe plane. La vitesse de coupe dépend de l'épaisseur du matériau, du courant de coupe, du type et du débit de gaz, de la structure de la buse, etc. À puissance égale, l'augmentation de la vitesse de coupe entraîne une inclinaison du trait de scie.

4) Le débit de gaz doit correspondre à l'ouverture de la buse. Une augmentation appropriée du débit de gaz peut renforcer l'effet de compression thermique de l'arc, ce qui rend l'arc de plasma plus concentré. La tension de coupe augmentera en conséquence, ce qui permettra d'améliorer la capacité et la qualité de la coupe.

5) La hauteur de la buse par rapport à la pièce est généralement de 6 à 8 mm. Pour les arcs à plasma d'air et à plasma comprimé à l'eau, la hauteur de la buse par rapport à la pièce peut être légèrement inférieure à 6-8 mm.

Lorsque la distance de coupe augmente, la longueur de la colonne d'arc plasma exposée dans l'espace augmente, ce qui entraîne une diminution de la chaleur effective et une probabilité accrue d'arc double. Si la distance est trop faible, la buse peut facilement court-circuiter la pièce et brûler, ce qui perturbe le processus de coupe normal.

Les tableaux 3-64 et 3-65 présentent respectivement les paramètres de découpe de l'acier à faible teneur en carbone et de l'acier inoxydable avec le procédé de découpe à l'arc plasma de précision HiFoucs100.

(4) Qualité de la découpe à l'arc plasma

La qualité de la coupe est principalement évaluée en fonction de la largeur du trait de scie, de la perpendicularité du trait de scie, de la largeur du trait de scie, de la largeur du trait de scie et de l'épaisseur du trait de scie. rugosité de la surfaceLa dureté et la largeur de la zone affectée thermiquement de la lame de scie.

Les critères d'une bonne coupe sont une largeur étroite, une section rectangulaire, une surface lisse sans scories ou scories suspendues, et une dureté de surface qui n'entrave pas le traitement mécanique après la coupe.

Tableau 3-64 : Paramètres de découpe à l'arc plasma fin HiFoucs100 pour l'acier à faible teneur en carbone

Épaisseur de la plaque/mmCourant/AModèle de buseDiamètre/mmGaz de coupe (air/bar)Gaz de coupe (O2/bar)Gaz tourbillonnant (O2/bar)Gaz tourbillonnant (N2/bar)Délai de perçage/sEspacement des torches/mmHauteur d'allumage/mmTension d'arc/VVitesse de coupe/(m/min)Largeur de la gorge/mm
2120Z211236/206/60 6/106/700.12411671.9
3130Z211436/206/60 6/106/700.12411161.8
680Z211236/406/70 6/106/700.12.541281.61.8
6115Z211446/406/70 6/106/700.12.541192.52
8130Z211446/406/70 6/206/700.1351252.45 – 2.72.2
10130Z211446/406/70 6/106/750.3351272.2 – 2.42.4
12130Z211446/406/70 6/106/750.4351281.8 – 22.5
16130Z211446/406/75 6/106/750.4351321.42.7
18130Z211446/406/60 6/206/850.5351360.8 – 1.22.8
20130Z211446/406/80 6/206/850.6461380.7 – 1.13
25130Z211446/406/80 6/206/850.7461400.7 – 0.83.4

Tableau 3-65 : Paramètres de découpe à l'arc plasma fin HiFoucs100 pour l'acier inoxydable

Épaisseur de la plaque/mmCourant/AModèle de buseDiamètre/mmGaz de coupe Air/barGaz de coupe O2/barGaz tourbillonnaire O2/barGaz tourbillonnaires N2/barPierce Delay/sEspacement des torches/mmHauteur d'allumage/mmTension d'arc/VVitesse de coupe/(m/min)Largeur de la gorge/mm
130Z20072 6/106/456/1006/10002.531194.50.9
245Z20082 6/106/406/1006/600.1231253.21.1
345Z20082 5/105/405/705/550.1231152.41.1
450Z20082 5/105/455/755/600.123.211621.3
550Z20082 5/105/455/805/600.123.21161.81.3
650Z20082 5/105/455/905/500.2341171.51.5

Technologie de découpe à la flamme CNC

(1) Principe du découpage à la flamme

Le découpage à la flamme est un procédé de découpage thermique qui utilise la chaleur d'une flamme de gaz combustible et d'oxygène, ainsi que de l'oxygène de coupe. La chaleur émise par la flamme provoque une combustion continue de l'oxygène de coupe, ce qui fait fondre le métal.

Le métal en fusion et les oxydes produits sont projetés par l'énergie cinétique générée par la flamme d'oxygène de coupe, formant ainsi une coupure.

(2) Types de coupe à la flamme

Les principaux types sont le découpage manuel, le découpage semi-automatique et l'oxycoupage CNC.

(3) Application de l'oxycoupage

Principalement utilisé pour la découpe de plaques d'acier au carbone, il ne convient pas pour la découpe de plaques d'acier inoxydable. La découpe manuelle est utilisée pour le post-découpage de profils et de pièces formées, ainsi que pour la découpe de formes simples et de pièces à faible exigence de qualité.

La découpe semi-automatique est utilisée pour la découpe de plaques épaisses et de petites pièces rectangulaires. L'oxycoupage CNC s'applique à la découpe de pièces de forme complexe.

(4) Paramètres du processus de découpe à la flamme

Il s'agit notamment de la puissance de la flamme de préchauffage, de la pression d'oxygène, de la vitesse de coupe, de la distance entre la buse et la pièce et de l'angle de coupe.

1) La puissance de la flamme de préchauffage est un paramètre essentiel du processus qui influe sur la qualité de l'oxycoupage.

En général, une flamme neutre ou légèrement oxydante doit être choisie pour le découpage, et l'intensité de la flamme doit être modérée. La flamme de préchauffage doit être choisie en fonction de l'épaisseur de la pièce, du type de buse de découpe et des exigences de qualité de la pièce.

La puissance de la flamme de préchauffage doit augmenter avec l'épaisseur de la plaque. La relation entre la puissance de la flamme de préchauffage oxy-acétylénique et l'épaisseur de la plaque de découpe est indiquée dans le tableau 3-66.

Tableau 3-66 : Relation entre la puissance de la flamme de préchauffage de l'oxyacétylène et l'épaisseur de la plaque de découpe

Épaisseur de la plaque/mm3~2525~5050~100100~200200~300
Puissance de la flamme (consommation d'acétylène) L/min-14~8.39.2~12.512.5~16.716.7~2020~21.7

2) La pression d'oxygène de coupe dépend du type de buse de coupe et de sa taille, et la pression d'oxygène peut être choisie en fonction de l'épaisseur de la pièce à usiner. Les valeurs recommandées sont indiquées dans le tableau 3-67.

Si la pression de l'oxygène de coupe est trop élevée, la coupe sera large et rugueuse ; si la pression est trop faible, le processus de coupe sera lent et le laitier risque de coller.

Lors d'une coupe réelle, la pression optimale de l'oxygène de coupe peut être déterminée en utilisant la méthode de libération de la ligne de vent. Lorsque la ligne de vent est la plus claire et la plus longue, c'est la valeur appropriée, qui permet d'obtenir le meilleur effet de coupe.

Tableau 3-67 : Valeurs recommandées pour la pression d'oxygène de coupe

Epaisseur de la pièce/mm3~1212~3030~5050~100100~150150~200200~300
Pression d'oxygène de coupe/MPa0.4~0.50.5~0.60.5~0.70.6~0.80.8~1.21.0~1.41.0~1.4

3) La vitesse de coupe est liée à l'épaisseur de la pièce et à la forme de la buse de coupe ; elle ralentit généralement lorsque l'épaisseur de la pièce augmente. La vitesse de coupe doit être adaptée à la vitesse d'oxydation du métal dans la coupe. Si la vitesse est trop lente, le bord supérieur de la coupe fondra, et si elle est trop rapide, il y aura un décalage excessif, voire une impossibilité de couper.

Lors de l'opération de coupe, la vitesse de coupe peut être contrôlée en observant la direction dans laquelle les étincelles de laitier fondu tombent dans la coupe. Lorsque les étincelles sont déchargées verticalement ou légèrement vers l'avant, il s'agit de la vitesse normale. Le tableau 3-68 est le tableau des paramètres de la vitesse d'oxycoupage CNC.

Tableau 3-68 : Tableau des paramètres de vitesse de coupe de la flamme oxyacétylénique CNC

Matériau Épaisseur /mm18~2530~5060~8090~100100~150160~200
Vitesse de coupe /mm/min440~350300~250240~180160~120110~8080~50

4) La distance entre la buse et la pièce est déterminée par l'épaisseur de la pièce et la longueur de la flamme de préchauffage.

Si la distance est trop faible, la fusion et la carbonisation peuvent se produire sur le bord supérieur de la coupe, et la buse peut facilement être bloquée par des éclaboussures, voire provoquer un retour de flamme.

Si la distance est trop grande, l'effet de chauffage sur le bord avant de la coupe s'affaiblit, ce qui entraîne un préchauffage insuffisant et une diminution de la capacité d'écoulement de l'oxygène de coupe, rendant l'élimination du laitier difficile et affectant la qualité de la coupe.

Simultanément, la pureté de l'oxygène entrant dans la coupe diminue, ce qui entraîne une augmentation de la traînée et de la largeur de coupe. Le cœur de la flamme de préchauffage doit généralement se trouver à une distance de 2 à 4 mm de la surface de la pièce. Le tableau 3-69 présente les distances recommandées entre la buse et la surface de la pièce.

Tableau 3-69 : Distances recommandées entre la buse et la surface de la pièce à usiner

Matériau Épaisseur /mm3~1010~2525~5050~100100~200200~300>300
Distance entre la buse et la pièce /mm2~33~43~54~65~87~108~12

5) L'angle d'inclinaison de la coupe affecte directement la vitesse de coupe et l'importance de la traînée.

6) Les paramètres de l'oxycoupage CNC sont indiqués dans le tableau 3-70.

Tableau 3-70 : Tableau des paramètres de découpe à la flamme oxyacétylénique CNC

Matériau Épaisseur /mmModèle de busePression d'acétylène /MPaPression d'oxygène /MPaVitesse de coupe /mm/min
18~25II14440~350
30~50III1.15300~250
60~80IV1.2 6240~180
90~100V1.37160~120
100~150VI1.48110~80
160~200VII1.4 1080~50

(5) Programmation de la découpe à la flamme CNC

Pour garantir la précision de la section transversale découpée par oxycoupage CNC et éviter les défauts de coupe, il convient de garder à l'esprit les points suivants lors de la programmation :

1) Le point d'amorçage de l'arc doit être placé sur la surface de coupe qui fera l'objet d'un traitement ultérieur.

2) Lors de la programmation, il convient de traiter l'intersection des points d'initiation et de terminaison de l'arc de manière particulière, en laissant un bourrelet de traitement. Ce renflement peut être éliminé par un traitement ultérieur ou un meulage après la coupe.

3) Lors de la programmation, les angles vifs doivent être transformés en arcs pour éviter les défauts de coupe.

4) Utiliser une seule coupe pour achever la découpe de deux pièces en même temps, connue sous le nom de coupe à bords partagés, afin d'améliorer l'efficacité de la production et l'utilisation des matériaux.

5) Pour la découpe de tôles épaisses, utiliser une découpe ininterrompue depuis l'amorçage de l'arc jusqu'à la fin du processus de découpe. Commencez l'arc à partir du bord du matériau, en utilisant un démarrage en forme de loquet pour éviter la déformation de la coupe.

(6) Processus de traitement des scories d'oxycoupage

Les techniques de traitement ultérieures pour l'oxycoupage de bus pièces d'emboutissage comprennent le nettoyage manuel, le broyage manuel, le grenaillage et le nettoyage mécanique des tambours.

(7) Gabarit de découpe à la flamme CNC

L'oxycoupage CNC consiste à placer le matériau sur une grille. La forme de la grille peut varier en fonction de l'épaisseur du matériau à découper. Les grilles à contact ponctuel peuvent réduire considérablement les défauts de coupe, améliorant ainsi la précision de la section coupée et la qualité du produit.

Technologie de découpe au jet d'eau à haute pression

La découpe au jet d'eau à haute pression est une nouvelle méthode de découpe qui permet de découper divers métaux et non-métaux. Le processus de découpe ne produit pas de zone affectée thermiquement, le matériau sur les bords de la découpe ne change pas et la précision de la découpe est élevée, ce qui la rend adaptée au traitement de pièces exigeant une grande précision.

(1) Principe de la découpe au jet d'eau haute pression

Il s'agit de pressuriser l'eau à une pression très élevée (100~400MPa) et de la projeter à travers un trou d'étranglement (0,15~0,4mm). L'énergie potentielle de la pression de l'eau est convertie en énergie cinétique du jet d'eau (la vitesse du flux peut atteindre 900 m/s), et l'érosion du flux concentré à grande vitesse est utilisée pour la découpe.

(2) Types de découpe au jet d'eau haute pression

Il existe deux types de découpe au jet d'eau à haute pression : la découpe à l'eau pure et la découpe à l'abrasif.

1) La découpe au jet d'eau haute pression de type eau pure utilise uniquement le jet d'eau à grande vitesse provenant de la buse pour la découpe. La capacité de coupe est relativement faible et convient à la coupe de matériaux tendres non métalliques. La pression de l'eau utilisée est comprise entre 200 et 400 MPa.

2) La découpe au jet d'eau haute pression de type abrasif consiste à mélanger des particules abrasives au jet d'eau par l'intermédiaire d'un tube mélangeur afin de former un jet d'eau abrasif pour la découpe. Dans le jet d'eau abrasif, le jet d'eau sert de support pour accélérer les particules abrasives.

Comme les abrasifs ont une masse importante et une dureté élevée, l'énergie cinétique du jet d'eau abrasif est importante, ce qui se traduit par de fortes capacités de coupe.

(3) Caractéristiques de la découpe au jet d'eau haute pression

1) Large gamme de coupes. Il peut découper presque tous les métaux et non-métaux, en particulier les matériaux qui sont difficiles ou impossibles à découper avec les diverses méthodes de découpe thermique.

2) Pas d'effets thermiques. Grâce à l'effet de refroidissement de l'eau, la pièce découpée ne produit pas de déformation thermique ni de zone affectée par la chaleur, et ses propriétés matérielles ne changent pas. Il est particulièrement adapté à la découpe de matériaux sensibles à la chaleur, tels que l'acier allié et les métaux non ferreux.

3) Haute qualité de coupe. La surface de coupe ne présente pas de bavures ni de scories, elle est verticale, plate, lisse et ne présente pas de phénomènes de déchirure ou de durcissement. Il n'y a pas de gondolage lors de la découpe de tôles fines.

4) Largeur de coupe étroite. Lors de la découpe à l'eau pure, le diamètre du jet d'eau est généralement compris entre 0,1 et 0,5 mm, et l'ouverture de la buse du type d'abrasif est d'environ 1,2 à 2,5 mm, ce qui permet d'améliorer l'utilisation du matériau lors de la découpe de pièces imbriquées.

5) La découpe peut commencer ou s'arrêter à n'importe quel endroit de la pièce, et il est relativement facile de commencer un trou de découpe. Le jeu de coupe est faible, la tête de coupe est facile à manipuler par un robot et elle peut être utilisée pour découper des pièces de forme 3D.

6) Il ne produit pas de gaz toxiques, de poussières, etc., qui sont nocifs pour la santé humaine, et il est particulièrement adapté au traitement de l'amiante, des matériaux textiles et de divers matériaux à base de fibres synthétiques.

Dans les zones où les flammes nues sont strictement interdites, telles que les plates-formes de forage et d'extraction pétrolière en mer, les raffineries, les grandes zones de stockage de pétrole et de gaz et les oléoducs et gazoducs, il est possible d'effectuer des coupes en toute sécurité.

7) La découpe au jet d'eau à haute pression présente les inconvénients suivants : le coût de l'équipement est plus élevé que celui des autres formes de découpe ; la vitesse de découpe est plus faible lors de la découpe de matériaux durs ; la précision de la découpe est légèrement inférieure à celle du traitement mécanique ; dans certaines situations de découpe, les eaux usées doivent être traitées ; le coût de la découpe du type d'abrasif est plus élevé.

(4) Niveau de qualité de la découpe au jet d'eau haute pression

Tableau 3-71 Niveau de qualité de la découpe au jet d'eau à haute pression

ParamètresNiveau de qualitéRemarques
Largeur de coupe /mm0.8~2Dépend du diamètre de la buse d'eau et du tube de mélange de l'abrasif.
Différence entre les largeurs de coupe supérieure et inférieure /mm0.2~2Des paramètres de coupe optimaux permettent d'obtenir des coupes parallèles des deux côtés.
Rugosité de la face de coupe /μm20Les matériaux dont la structure cristalline est irrégulière, comme la pierre, présentent une rugosité de surface plus importante.
Précision dimensionnelle /mm±0.5
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