Le facteur d'usinabilité : Comment le choix des matériaux contrôle le coût final de l'usinage CNC

Vous avez reçu un devis d'usinage CNC étonnamment élevé ? Souvent, ce n'est pas votre conception qui est en cause, mais le coût caché de l'usinabilité des matériaux. Nous vous montrerons comment analyser les total coût de fabricationoptimiser votre sélection de matériaux et réduire de manière significative le prix de vos pièces avant même que vous ne demandiez un devis.

Le coût final de l'usinage CNC est principalement déterminé par l'usinabilité du matériau (MR), et non par le prix de la matière première. Une mauvaise usinabilité (MR faible) augmente considérablement le temps d'usinage, le coût de l'outillage et la main-d'œuvre. Par exemple, l'usinage de l'acier inoxydable 304 (MR 40%) peut coûter 40 à 50% de plus que celui de l'acier inoxydable 303 (MR 75%), même si son prix d'achat est légèrement inférieur.

Vous allez maintenant apprendre à appliquer ces connaissances. Nous partagerons avec vous des techniques spécifiques de DFM (Design for Manufacturability), des études de cas réels et des informations sur les fournisseurs qui vous aideront immédiatement à réduire vos coûts d'usinage CNC.

Ce que 90% de votre citation cache

En tant qu'ingénieur, vous êtes formé à l'analyse des données. Examinons donc les données d'un devis type. Nous l'appelons l'"iceberg des coûts" parce que la partie que vous voyez - le coût des matières premières - est presque toujours la plus petite, la moins significative.

Le véritable impact financier, le 80-90% coût caché sous la surface, est déterminé par l'usinabilité. Ce coût "caché" est constitué de trois parties :

1. Temps d'usinage Coût : C'est le facteur le plus important. Chaque atelier CNC dispose d'un Taux horaire machine (aux États-Unis, souvent $75 - $150/heure) qui tient compte du coût de la machine, de l'énergie, des opérateurs et des frais généraux. Cette horloge est toujours le fonctionnement. Si vous choisissez un matériau qui oblige la machine à fonctionner deux fois plus lentement, vous venez de doubler cet élément de coût massif.
2. Coût de l'outillage : Il ne s'agit pas seulement d'une usure progressive de l'outil. Les matériaux durs à usiner provoquent une "défaillance catastrophique de l'outil". Cela signifie qu'une fraise $150 peut se briser en quelques secondes. Cela ne coûte pas seulement un nouvel outil, mais interrompt également la production pour le remplacer et le recalibrer, alors que l'horloge de $150/heure continue de tourner.
3. Coût de l'installation et de la main d'œuvre : Au-delà de la programmation initiale, certains matériaux nécessitent une "intervention manuelle" constante. Un matériau "gommeux" comme l'inox 304, par exemple, produit de longs copeaux filandreux qui peuvent s'enrouler autour de l'outil, obligeant l'opérateur à arrêter physiquement la machine et à les dégager. Il s'agit là d'un coût de main-d'œuvre pur ajouté directement à votre pièce.

Qu'est-ce que la cote d'usinabilité (CM) ?

Alors, comment quantifier ce qui est "difficile à usiner" ? Nous utilisons un chiffre simple et puissant : le Cote d'usinabilité (MR).

Le niveau de référence de l'industrie est fixé à 100% pour un acier spécifique, facile à couper (AISI 1212). Tous les autres matériaux sont évalués par rapport à cet acier.

• Un MR plus élevé = plus facile à usiner, plus rapide, moins coûteux.
• Un MR plus bas = plus difficile à usiner, vitesse plus lente, coût plus élevé.

Il ne s'agit pas d'une petite différence. L'écart entre les matériaux est considérable et se répercute directement sur le coût final de la pièce. Cette comparaison pourrait bien changer à jamais votre façon de sélectionner les matériaux.

Comme vous pouvez le constater, l'acier inoxydable 304 "moins cher" est fondamentalement presque 50% plus dur et plus lent à usiner que l'acier inoxydable 303. Les 5-10% que vous avez économisés sur les matières premières sont sur le point d'être complètement effacés par un 40-50%. augmenter du temps d'usinage.

Vos principales décisions en matière de réduction des coûts

Connaître le numéro MR est une chose. Le voir à l'œuvre, c'est tout. En tant qu'ingénieurs, vous devez constamment faire des compromis entre les performances et les coûts. Voici les trois "points de décision" les plus courants que nous voyons tous les jours et leur impact sur le coût final de l'usinage CNC.

Pourquoi vous devriez (presque) toujours choisir l'acier inoxydable 303 par rapport à l'acier inoxydable 304

Un nouvel ingénieur nous a récemment envoyé un projet de corps de vanne de contrôle des fluides en acier inoxydable 304. Nous l'avons chiffré à $120 par pièce.

Il était furieux, soulignant que la matière première 304 n'est que 5-10% moins chère que la 303. Comment notre prix peut-il être supérieur de 40% ?

Nous avons dû lui expliquer la réalité "cachée" de l'atelier. Nous lui avons posé une question : "Avez-vous besoin que cette pièce résiste à un acide spécifique et agressif, ou doit-elle simplement résister à la corrosion ? pas de rouille?"

Il a admis qu'il s'agissait uniquement d'une résistance générale à la corrosion dans un environnement alimentaire.

C'est là que le bât blesse :

• 304 (MR 40%) est notoirement "gommeux" et souffre d'une extrême
• durcissement au travail. La surface du matériau durcit instantanément pendant la coupe, ce qui détruit la durée de vie de l'outil. Ses copeaux filandreux nous obligent également à arrêter la machine manuellement pour les dégager, ce qui ajoute au coût de la main-d'œuvre pure.
• 303 (MR 75%) contient du soufre ajouté spécifiquement pour résoudre ce problème. Il est conçu pour un "usinage libre". Les copeaux se détachent proprement, nous pouvons faire tourner la machine 60%+ plus vite et la durée de vie de l'outil est nettement plus longue.

Nous avons refait le devis de la pièce en 303. Le nouveau prix ? $78.

Ce qu'il faut en retenir : À moins que vous n'ayez une exigence spécifique en matière de résistance chimique seulement 304 peuvent se rencontrer, en choisissant 303 est la décision la plus facile à prendre et la plus importante en matière d'économies. que vous pouvez faire sur une pièce en acier inoxydable. Les 5% que vous "économisez" sur le matériau brut 304 vous coûteront 40% de plus sur la pièce finale.

Le coût caché de l'aluminium 7075 par rapport à l'aluminium 6061

Voici un autre piège courant. Vous avez besoin d'une pièce en aluminium à haute résistance, alors vous optez pour le 7075-T6. Il est solide, presque comme de l'acier.

Mais regardez à nouveau les données. Le 7075 (MR 100-120%) est nettement plus difficile à usiner que le 6061 "par défaut" (MR 150-200%). Cela ralentit les temps de cycle et provoque une plus grande usure des outils.

C'est ici que vous devez poser la question critique de l'ingénierie : "Est-ce que je vraiment ont besoin de toute la résistance à la traction du 7075 ?".

Si votre analyse montre que le 6061 répond à 90% des exigences fonctionnelles, vous pourriez économiser plus de 30% en coûts d'usinage. par pièce. Parfois, une paroi légèrement plus épaisse ou une nervure supplémentaire fabriquée en 6061 est nettement moins chère qu'une pièce plus fine fabriquée en 7075.

Titane et Inconel

Enfin, nous avons les alliages exotiques. Lorsque vous spécifiez un matériau comme le Ti-6Al-4V (titane, MR 20%) ou l'Inconel (MR 8-15%), la discussion sur les coûts change complètement.

Les facteurs de coût ne se limitent pas à la "dureté" ; ils relèvent de la physique.

1. Le piège du titane (faible conductivité thermique) : Lors de la découpe de l'aluminium, 90% de la chaleur s'échappe avec le copeau. Lors de la découpe du titane, 80% de la chaleur s'échappe avec le copeau. dans l'outil de coupe. Cela ne fait pas qu'user l'outil, cela le fait fondre. Nous sommes obligés de fonctionner à des vitesses "rampantes" pour gérer la chaleur, comme indiqué dans notre guide de l'usinage du titane.
2. Le piège de l'Inconel (écrouissage extrême) : L'inconel durcit si rapidement et si fortement qu'il nécessite des machines spéciales à basse vitesse et à couple élevé, ainsi qu'un outillage extrêmement coûteux. C'est l'un des principaux facteurs de coûts d'usinage élevés pour l'Inconel.

Ce qu'il faut en retenir : L'augmentation du coût de ces matériaux n'est pas linéaire. exponentiel. Lorsque vous choisissez l'une d'entre elles, vous devez accepter que le coût final de la pièce soit dicté presque entièrement par le temps machine et l'outillage, et non par la matière première.

Comment nous Vraiment Citation d'une pièce difficile à usiner

Vous avez vu les données, mais je veux maintenant tirer le rideau et partager deux vérités "d'initiés" sur la façon dont un fournisseur pense lors de l'établissement d'un devis pour un travail difficile. Il s'agit d'informations que vous ne trouverez pas sur une fiche technique et qui répondent directement à la frustration du "devis faramineux".

Idée reçue 1 : Votre devis "élevé" pourrait être un "non-lieu".

Vous recevez un devis astronomique pour une pièce en Inconel. Vous pensez que l'atelier est cupide. En réalité, il s'agit probablement d'un "atelier d'aluminium" à haute vitesse. Cet atelier est probablement un "atelier d'aluminium" à grande vitesse (appelons-le atelier A), et ce devis est sa façon polie de dire "S'il vous plaît, ne m'obligez pas à faire ça".

Voici pourquoi :

• Atelier A (grande vitesse) : Leur activité repose sur des pièces en aluminium et en plastique de grand volume. Leurs machines sont équipées de broches à grande vitesse (plus de 15 000 tours/minute) et sont optimisées pour des coupes rapides et légères.
• Atelier B (couple élevé) : Cet atelier est conçu pour l'acier inoxydable, le titane et l'Inconel. Ses machines sont équipées de broches à faible vitesse et à couple élevé, ainsi que de systèmes de refroidissement robustes à haute pression.

Lorsque vous envoyez une pièce en Inconel à l'atelier A, vous lui demandez de.. :

1. Détruire leur outillagequi est optimisé pour les matériaux souples.
2. Bloquer leur emploi du tempsEn effet, une pièce en Inconel peut nécessiter le même temps d'usinage que 100 pièces en aluminium.
3. Utiliser une machine qui n'est pas adaptée au travail à effectuer. C'est comme demander à une voiture de course de remorquer un bateau.

Ce devis "très élevé" n'est pas un prix réel. Il s'agit d'une "non-offre" déguisée en devis, suffisamment élevée pour vous effrayer ou (dans le rare cas où vous l'accepteriez) pour couvrir les immenses tracas et la perturbation de l'ensemble de leur flux de travail.

La solution : Lorsque vous demandez des devis pour des matériaux difficiles, ne vous contentez pas de demander : "Pouvez-vous faire cela ?" Posez la question, "Votre atelier est-il optimisé pour l'usinage de [Inconel / Titane / Inox 316] ? La recherche d'un "atelier B" vous permettra d'obtenir un devis réaliste et non défensif.

Aperçu 2 : Le piège de la distorsion due au traitement thermique (acier pré-dur par rapport à l'acier recuit)

Il s'agit d'un piège classique pour les ingénieurs qui conçoivent des pièces à partir d'aciers alliés tels que le 4140. Deux choix s'offrent à vous :

• Schéma A (semble moins cher) : Commencer avec de l'acier doux, "recuit" (facile à usiner) -> Usiner la pièce -> La soumettre à un traitement thermique (trempe) pour obtenir la dureté finale.
• Schéma B (semble plus coûteux) : Commencer avec de l'acier "pré-durci" (30-40 HRC) -> Usiner la pièce (plus lent, plus dur pour les outils) -> Terminé.

Schéma A regards moins cher car l'usinage initial est plus rapide. Le défaut fatal ? Distorsion due au traitement thermique.

Lorsque votre pièce parfaitement usinée est chauffée à 800°C puis trempée, elle volonté se déformer, se tordre et se déformer. Vos tolérances serrées ont disparu. Vous devez maintenant ajouter des opérations secondaires, très coûteuses (comme le meulage de précision ou un fraisage dur lent) juste pour remettre la pièce en conformité avec les spécifications - si elle est même récupérable.

La solution : Dans presque tous les cas, Le schéma B est la solution globale la moins chère, la plus sûre et la plus rapide. Oui, l'usinage initial est plus lent et plus coûteux. sur cette seule opération. Mais vous éliminez complètement les risques et les coûts considérables liés à la déformation, à la mise au rebut et aux opérations secondaires. Vous achetez de la prévisibilité.

Votre conception est l'outil ultime de contrôle des coûts

C'est la partie la plus stimulante de tout le processus. Et si vous doit utiliser du titane ou de l'inconel ? Que faire si les exigences de performance ne sont pas négociables ?

C'est vous, le concepteur, qui détenez toujours la clé du contrôle de la version finale. Coût de l'usinage CNC.

Même avec un matériau fixe et difficile, il est possible d'élaborer des solutions spécifiques. DFM (conception pour la fabrication) des choix qui peuvent réduire le coût final de la pièce de 30-50%. Vous avez le pouvoir de concevoir une pièce "difficile à fabriquer" ou une pièce "facile à fabriquer" à partir de la base de données. exactement le même matériau.

Voici les trois changements les plus importants que vous pouvez apporter.

1. Assouplir les tolérances (là où cela n'a pas d'importance)

Nous savons que l'obtention d'une tolérance serrée (par exemple, +/- 0,001″) sur n'importe quel matériau nécessite des passes de finition lentes et minutieuses. Sur un matériau difficile à usiner, ce processus devient un multiplicateur de coûts.

Pourquoi ? Parce que ces passages de lumière sur un matériau qui se durcit (comme l'acier inoxydable) peuvent provoquer un "frottement" de l'outil au lieu d'une "coupe", ce qui durcit davantage la surface et réduit la durée de vie de l'outil. Le risque de bris d'outil ou de broutage gâchant la coupe finale et précise est incroyablement élevé.

La solution : Soyez un "avare de tolérance". Passez en revue votre dessin et posez-vous la question suivante : "Cette tolérance est-elle fonctionnellement critique?" Ne maintenez des tolérances serrées que sur les surfaces d'accouplement, les alésages ou les ajustements de roulements essentiels. Pour toutes les surfaces non critiques (comme l'extérieur d'un boîtier), l'assouplissement de la tolérance de +/- 0,001″ à une tolérance standard de +/- 0,005″ ou +/- 0,010″ peut éliminer des opérations entières, réduire le temps de cycle et diminuer considérablement le risque de rebut.

2. Normaliser et élargir les rayons internes (le coin $100)

Les ingénieurs choisissent souvent par défaut de très petits rayons d'angle internes (par exemple, R 0,5 mm ou R 1 mm). Sur un matériau comme l'Inconel, cet angle minuscule peut littéralement être une caractéristique $100.

Voici la physique : Pour couper un rayon de 1 mm, nous devons utiliser une fraise en bout plus petit de 1 mm. Ces outils d'un diamètre minuscule sont incroyablement fragiles. Ils n'ont aucune rigidité et vibrent (chatter) et se cassent à la moindre force de coupe. Pour éviter cela, nous devons faire tourner la machine à une vitesse de "reptation" atrocement lente.

La solution : Dans la mesure du possible, choisissez un rayon intérieur plus grand et "standard" (par exemple, R 3 mm, R 6 mm). Cela nous permet d'utiliser un outil de coupe beaucoup plus grand, plus rigide et plus courant. Cet outil plus grand peut enlever le matériau plus rapidement, avec moins de vibrations et sans se casser. Ce simple changement a un impact massif et direct sur le temps de cycle.

3. Éviter les poches profondes et les murs minces

Les poches profondes et les parois minces sont un défi pour tous les matériaux. Sur les matériaux difficiles à usiner, elles sont synonymes d'échec.

• Les poches profondes : Pour atteindre le fond, l'outil doit "pendre" loin du porte-outil. Ce long outil non soutenu agit comme un diapason : il vibre violemment (broutage), ce qui entraîne une mauvaise finition de la surface et des outils cassés.
• Murs minces : Les matériaux durs nécessitent des forces de coupe élevées. Ces forces peuvent facilement déformer ou briser une paroi mince et non soutenue. La chaleur générée pendant la coupe (en particulier dans le titane) s'accumule également et provoque la déformation de la paroi mince.

La solution : Si votre projet comporte une poche très profonde, posez-vous la question suivante : "Pourrait-on le redessiner en deux pièces distinctes et plus simples, boulonnées l'une à l'autre ?" Un assemblage en deux parties est souvent beaucoup moins coûteux à usiner qu'une seule pièce "monolithe" complexe qui nous oblige à "accaparer" 90% d'un bloc de titane solide et coûteux.

Arrêtez de deviner. Commencez à optimiser.

En tant qu'ingénieur, vous savez que les coûts les plus importants sont bloqués bien avant qu'une pièce ne passe sur une machine. Ils sont fixés au stade de la conception. Le choix du matériau est au cœur de cette décision.

Michael Grieves, le "père du concept de jumeau numérique", n'a cessé de souligner que "le "coût" d'un produit est fixé très tôt dans le cycle de conception. Le choix d'un matériau par un ingénieur... a des répercussions massives sur le coût de production, la durée du cycle, [et] l'usure des outils... qu'il est incroyablement coûteux de modifier par la suite".

Vous avez vu comment une "économie" de 5% sur les matières premières peut entraîner une augmentation de 50% du coût total. Vous avez vu comment une simple caractéristique de conception, comme un petit rayon d'angle, peut devenir la partie la plus coûteuse de votre conception.

La bonne nouvelle, c'est que vous disposez désormais du cadre nécessaire pour éviter ces pièges. Vous pouvez cesser de deviner et commencer à concevoir des projets rentables dès le départ.

Vous n'êtes pas sûr que votre choix de matériau actuel soit le plus rentable ? Vous pensez que votre conception pourrait présenter un "piège d'usinabilité" caché qui ferait gonfler votre devis ?

Laissez-nous vous aider à le découvrir.

Téléchargez votre fichier CAO dès aujourd'hui pour obtenir un rapport d'analyse DFM et d'optimisation des coûts entièrement gratuit et sans engagement. Nos ingénieurs examineront personnellement votre conception et identifieront les possibilités spécifiques - de la sélection des matériaux aux ajustements DFM - pour vous aider à réduire de manière significative le coût final de l'usinage CNC.