Différences entre l'usinage 3, 4 et 5 axes

Comprendre les types d'usinage par axes et leurs fonctionnalités principales

usinage 3, 4 et 5 axes – quand utiliser chacun

1. Usinage 3 axes : la base d'une fabrication simple et économique

Un système d'usinage 3 axes fonctionne en déplaçant l'outil de coupe selon trois axes linéaires — X (gauche/droite) , Y (avant/arrière) , et Z (haut/bas) —dans un espace 3D. Ce mouvement uniquement linéaire en fait une solution idéale pour façonner des pièces simples, planes ou peu profondes en 3D, telles que des supports, des plaques ou des moules basiques.

Son principal avantage réside dans efficacité en termes de coûts : la machine présente une complexité moindre, nécessite un temps de configuration minimal et réduit les coûts d'exploitation, ce qui augmente tous les marges bénéficiaires pour la production à grande échelle de composants simples. Par exemple, la fabrication de plaques de montage en aluminium pour l'électronique repose largement sur l'usinage 3 axes, car la pièce ne nécessite que trois opérations fondamentales : le fraisage de face (lissage de la surface supérieure), le profilage des bords (mise en forme du périmètre de la plaque) et le perçage (ajout de trous pour les fixations) — toutes réalisables facilement grâce aux mouvements linéaires des axes.

2. Usinage 4 axes : rotation pour les formes cylindriques et courbes

l'usinage 4 axes s'appuie sur la configuration 3 axes en y ajoutant un axe de rotation (généralement l'axe A, qui tourne autour de l'axe X). Cet axe supplémentaire permet à la pièce de tourner tandis que l'outil se déplace linéairement, éliminant ainsi la nécessité d'un repositionnement manuel et offrant de nouvelles possibilités pour les pièces aux formes courbes ou cylindriques.

Il excelle dans la fabrication de composants dont les caractéristiques suivent une forme cylindrique — comme des rainures sur une tige de vanne, des trous obliques le long d'une surface courbe ou des gorges sur une poulie. Un rapport de fabrication de 2023 a mis en évidence un avantage crucial : les ateliers utilisant l'usinage 4 axes pour des pièces cylindriques ont constaté une réduction de 28 % du temps de réglage par rapport aux systèmes 3 axes (qui nécessitent plusieurs repositionnements). En évitant le retournement ou la re-fixation manuelle de la pièce, l'usinage 4 axes améliore également la précision et la régularité, réduisant ainsi les erreurs dues à l'opérateur.

3. Usinage 5 axes : polyvalence pour une précision complexe et multi-facettes

l'usinage 5 axes est la référence pour les pièces fortement galbées et à faces multiples. Il ajoute deux axes de rotation (généralement l'axe A, tournant autour de X, et l'axe C, tournant autour de Z) aux trois axes linéaires, permettant à l'outil de coupe d'approcher la pièce depuis presque n'importe quel angle.

Cette polyvalence est indispensable dans des industries comme l'aérospatiale et la médecine, où les pièces exigent des géométries complexes et des tolérances extrêmement serrées. Des exemples incluent les pales de turbine en titane (avec profils aérodynamiques courbes et canaux de refroidissement internes), les implants de hanche (adaptés à l'anatomie humaine) et les composants structurels d'aéronefs. Contrairement aux systèmes à 3 ou 4 axes, l'usinage 5 axes permet de réaliser des pièces complexes en une installation unique : par exemple, une pale de turbine peut être usinée complètement sans repositionnement, atteignant des tolérances aussi précises que ±0,005 mm et une finition de surface supérieure.

usinage 3 axes vs. 4 axes : Efficacité et limites d'application

Le tableau ci-dessous compare les caractéristiques principales des usinages 3 et 4 axes afin de clarifier leurs cas d'utilisation respectifs :

Caractéristique	usinage 3 axes	usinage 4 axes
Configuration des axes	X, Y, Z (linéaires uniquement)	X, Y, Z (linéaires) + 1 rotationnel (A/C)
Idéal pour	Pièces simples planes/3D (supports, plaques)	Pièces cylindriques avec caractéristiques enveloppantes (tiges de soupape, poulies)
Temps de montage	Court (10 à 30 minutes pour les pièces standard)	Modéré (20 à 45 minutes, installation unique)
Polyvalence des matériaux	Compatible avec la plupart des métaux/plastiques ; limité par la forme de la pièce	Mêmes matériaux ; optimisé pour les pièces courbes/cylindriques
Plage de tolérance	±0,01 à 0,05 mm	±0,008 à 0,03 mm

Limites et avantages principaux

• l'usinage 3 axes peine avec les pièces présentant des sous-dépouilles, des trous obliques sur des surfaces courbes ou des caractéristiques enveloppantes — cela nécessite plusieurs montages, augmentant le temps et le risque d'erreur.
• l'usinage 4 axes résout ce problème pour les pièces cylindriques : par exemple, percer des trous à intervalles de 45° sur un arbre en acier est 3x plus vite avec 4 axes (l'arbre tourne pour aligner chaque trou) par rapport à 3 axes (repositionnement manuel).
• Cependant, le 4 axes échoue avec les pièces non cylindriques et à faces multiples (par exemple, un cube avec des trous obliques sur trois faces) — le repositionnement de la pièce annule son efficacité.

usinage 4 axes vs 5 axes : compromis entre précision et complexité

l'usinage 4 axes constitue un « intermédiaire » en termes de complexité, mais il ne peut pas égaler la capacité du 5 axes à traiter des pièces asymétriques et à faces multiples. Voici une comparaison :

1. Gestion de la complexité des pièces

les deux axes de rotation du 5 axes permettent à l'outil de « contourner » la pièce — essentiel pour des composants comme les nervures d'aile d'avion en fibre de carbone (aux bords courbes, trous d'allègement internes et points de fixation obliques sur les six faces). Un important fabricant aérospatial a indiqué :

• temps de production réduit de 42 % avec le 5 axes par rapport au 4 axes.
• Le taux de rebut est passé de 8 % à 2 % (un seul montage élimine les erreurs d'alignement).

2. Précision et finition de surface

les systèmes 5 axes utilisent indexation dynamique pour maintenir l'outil perpendiculaire à la surface d'usinage, réduisant ainsi l'usure de l'outil et améliorant la qualité de la surface. Pour les implants médicaux (par exemple, les prothèses de genou, où la biocompatibilité dépend de la douceur) :

• 5 axes permet d'obtenir Ra 0,4μm finitions de surface.
• 4 axes atteint seulement Ra 0.8μm .

3. Coût et programmation

5 axes nécessite :

• Un logiciel FAO avancé (avec outils de simulation) pour éviter les collisions.
• Un investissement initial plus élevé.

 

• Cela le rend moins rentable pour les pièces simples ou produites en faible volume, mais inestimable pour les composants complexes et de haute précision.

Usinage selon l'axe adapté au matériau, à la géométrie et aux besoins industriels

1. Sélection de l'axe en fonction du matériau et de la dureté de la pièce

La dureté du matériau influence directement le choix de l'axe, car les matériaux plus durs génèrent plus de chaleur et présentent un risque de déformation thermique :

Type de matériau	Type d'axe recommandé	Raisonnement
Matériaux doux (aluminium 6061-T6, plastique ABS)	3 axes	Facile à usiner ; des mouvements linéaires permettent d'obtenir la finition souhaitée.
Matériaux durs (acier inoxydable 316L, titane Ti-6Al-4V)	4/5 axes	Réduit la fréquence des montages (4 axes) ou minimise l'accumulation de chaleur (5 axes).

Selon le directives d'usinage ASM International 2022 :

• Pour les matériaux de dureté >30 HRC (par exemple, acier trempé), l'usinage 5 axes prolonge la durée de vie de l'outil de 35%contre 3 axes.
• Exemple : l'usinage d'une pièce brute d'engrenage en acier trempé en 5 axes utilise un parcours en spirale (répartissant la force/la chaleur), ce qui augmente la durée de vie des plaquettes carbure de 50 % par rapport aux passes rectilignes à forte sollicitation en 3 axes.

2. Exigences sectorielles spécifiques en nombre d'axes

Différents secteurs ont des besoins spécifiques qui déterminent le choix du nombre d'axes :

Industrie	cas d'utilisation 3 axes	cas d'utilisation 4 axes	cas d'utilisation 5 axes
Automobile	Supports de moteur, boîtiers de capteurs	Arbres de transmission, injecteurs	Têtes de cylindre de course hautes performances
Aérospatial	Supports structurels simples	Composants cylindriques basiques	Pales de turbine, structures d'aéronefs, satellites (91 % des fabricants de pales de turbine utilisent le 5 axes, selon un rapport de 2023)
Médical	Carter en plastique pour outils	Tiges d'instruments chirurgicaux	Implants de hanche en titane, tiges vertébrales
Produits de consommation	Coques de téléphone en plastique, ustensiles de cuisine en aluminium	Bouchons de bouteille (goujons filetés)	Boîtiers de montres de luxe (rares)

Éviter les erreurs courantes en usinage à axes multiples

1. Erreurs dans le choix de l'axe selon le volume de production

• Utilisation excessive du 5 axes : Pour des pièces simples et faible volume (par exemple, 50 supports en aluminium), le 3 axes coûte 60 % moins cher (tarifs horaires 5 axes : 150 à 300 $ ; 3 axes : 50 à 100 $).
• Sous-utilisation du 5 axes : Pour des pièces complexes et haut volume (par exemple, 1 000 pales de turbine), le 4 axes nécessite 3 fois plus de temps de réglage que le 5 axes — augmentant les coûts de main-d'œuvre et provoquant des retards.
• Ignorer la géométrie : Les pièces avec sous-dépouilles (par exemple, rainures encastrées sur boîtiers plastiques) nécessitent un usinage 5 axes ; le 3 axes provoque des désalignements, le 4 axes ne peut pas atteindre les sous-dépouilles non cylindriques. Une étude de 2023 a révélé que 68 % des rebuts en usinage 3/4 axes proviennent de cette erreur.

2. Bonnes pratiques en programmation et en configuration

3 axes

• Utiliser un G-code basique pour les mouvements linéaires.
• Utilisez des plaques de fixation à changement rapide pour réduire le temps de réglage (10 à 15 minutes par changement de pièce).
• Effectuez toujours un test à vide (sans matériau) afin d'éviter les collisions entre l'outil et la fixation (les outils 3 axes sont plus volumineux et plus sujets aux impacts).

4 axes

• Utilisez un logiciel FAO avec simulation 4 axes pour visualiser la rotation.
• Centre l'œuvre sur l'axe A/C (un décalage de 0,1 mm provoque des erreurs dimensionnelles).
• Fixez les pièces cylindriques avec des mandrins/collets pour assurer la concentricité — un fournisseur automobile a réduit ses erreurs de 40 % grâce à un centrage adéquat.

5 axis

• Investissez dans un logiciel FAO avancé (par exemple Mastercam, SolidWorks CAM) doté d'une détection des collisions.
• Utilisez une table basculante 5 axes pour fixer la pièce (permet une rotation complète sans repositionnement).
• Formez les programmeurs à la « maîtrise de l'angle d'attaque » (ajustez l'angle de l'outil pour améliorer la finition et la durée de vie de l'outil) — les ateliers aérospatiaux utilisant cette méthode atteignent des rendements de 95 % du premier coup.

Processus étape par étape de sélection du type d'axe

Suivez ce cadre pour choisir le type d'axe adapté aux applications industrielles :

1. Commencer par la pièce : géométrie, tolérance, matériau

• Géométrie : Surfaces planes = 3 axes ; caractéristiques cylindriques/enroulées = 4 axes ; formes multiphases/contournées = 5 axes.
  • Exemple : plaque d'aluminium plane (3 axes) ; arbre en acier avec rainures hélicoïdales (4 axes) ; pale de turbine en titane (5 axes).
• Tolérance : ±0,005 mm ou plus strict = 5 axes ; ±0,05 mm = 3/4 axes.
• Matériau : Matériau tendre = 3 axes ; matériau dur = 4/5 axes.

Un rapport de 2023 sur l'usinage de précision a révélé que les ateliers qui analysent d'abord les pièces réduisent leurs erreurs de sélection d'axes de 55 %.

2. S'aligner sur le volume de production et les objectifs de coût

Volume de production	Pièces simples	Pièces complexes
Élevé (>1 000 unités)	3 axes (faible coût)	4/5 axes (installation plus rapide)
Faible (1–100 unités)	3 axes (économique)	5 axes (évite le temps de configuration excessif)

Selon le Guide industriel de l'usinage 2024, l'« analyse coût-volume » (reliant l'axe à la quantité) réduit les coûts globaux de 22 %.

3. Évaluer les ressources de l'atelier

• Disponibilité de la machine : Utilisez une machine 3 axes pour des pièces simples en l'absence de machines 4/5 axes ; sous-traitez les travaux complexes pour de faibles volumes.
• Compétence du programmeur : Commencez avec une machine 4 axes pour une complexité modérée si l'équipe manque d'expérience sur 5 axes.
• Outil/Équipement : Assurez-vous d'avoir accès à des outils spécialisés (par exemple, tables pivotantes pour axes 5) avant de choisir le type d'axe.