Usinage
L'usinage est une famille de techniques de fabrication de pièces
mécaniques. Le principe de l'usinage est d'enlever
de la matière de manière à donner à
la pièce brute la forme voulue, à l'aide d'une machine-outil.
Par cette technique,
on obtient des pièces d'une grande précision. Lors
de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière
est réalisé par
la conjonction de deux mouvements relatifs entre la pièce
et l'outil : le mouvement de coupe (vitesse de coupe) et
le mouvement d'avance (vitesse d'avance). Il existe deux manières
de générer la surface recherchée : par travail
de forme ou par travail d'enveloppe. Dans le casdu travail de
forme c'est la forme de l'arête tranchante de l'outil qui
conditionne la surface obtenue. Dans le cas du travail d'enveloppe,
c'est la conjonction des mouvements de coupe et
d'avance qui définit la surface finale. De nos jours, des
machines-outil à commande numérique, c'est-à-dire
asservies
par un système informatique, permettent d'automatiser partiellement
ou totalement la procédure.
But
L'usinage entre dans la gamme de fabrication d'une pièce
mécanique. Elle est définie par un plan portant
une cotation
exhaustive. Celle-ci a pour but de définir les dimensions
de la pièce finie, la précision, la géométrie
ainsi que l'état de
surface de l'ensemble des surfaces qui constituent la pièce
usinée. À chaque phase de la gamme de fabrication,
le
concepteur et/ou l'usineur choisissent le type d'usinage à
réaliser, la machine, l'outil ainsi que le support de pièce
permettant l'obtention de tous les éléments de cotation
de la surface considérée. D'une manière générale,
les formes
des surfaces usinées peuvent être planes ou de révolution.
Les principaux usinages sont le fraisage (surfaces planes)
et le tournage (surfaces de révolution). Avec l'apparition
de la commande numérique, il est désormais possible
d'usiner une multitude de surfaces courbes. Toutefois, il convient
de noter que les outils utilisés sont les mêmes que
pour les machines traditionnelles et que leurs trajectoires sont
constituées de segments de droites et d'arcs de cercles.
L'usinage a un coût : temps de travail, surépaisseur
de matière à enlever, usure de la machine-outil,
consommables
(outil, lubrifiant, courant électrique), stockage. On ne
pratique donc que les usinages nécessaires.
On distingue seize fonctions principales que peut remplir la surface
d'une pièce. Elles font partie de la cotation d'état
de surface :
• surface de contact avec une autre pièce :
• frottement de glissement lubrifié (FG),
• frottement à sec (FS),
• frottement de roulement (FR),
• frottement fluide (FF),
• résistance au matage (RM),
• étanchéité dynamique avec et sans
joint (ED),
• étanchéité statique avec et sans
joint (ES),
• ajustement fixe avec contrainte (AC),
• adhérence, collage (AD) ;
• surface libre, indépendante :
• face de coupe d'un outil (OC),
• résistance aux efforts alternes (EA),
• résistance à la corrosion (RC),
• destinée à recevoir un revêtement,
peinture (RE),
• destinée à recevoir un dépôt
électrolytique (DE),
• mesure (ME),
• aspect (AS).
Ces fonctions vont définir :
• les dimensions finales de la pièce avec les tolérances
;
• la cotation de forme et de géométrie des
surfaces usinées ;
• l'état de surface requis (rugosité) ;
C'est l'ensemble de ces éléments de cotation qui
va déterminer le type d'usinage à effectuer, ses
paramètres, la
finition nécessaire, le contrôle à effectuer.
Coupe
Le principe de base de l'usinage est l'enlèvement de matière.
Il est obtenu par la coupe du matériau constitutif de la
pièce. La coupe s'opère par le déplacement
d'un outil de coupe en interférence avec la pièce.
La dimension de cette
interférence est définie par l'avance en mm. Lors
de la coupe, la matière en interférence avec la
trajectoire de l'outil
est détachée par déformation plastique du
reste de la pièce et se transforme en copeaux. Toutefois,
l'ajustage réalisé à
la lime ne constitue pas à proprement parler un usinage.
L'usinage requiert l'usage d'une machine-outil qui génère
de
façon autonome les mouvements relatifs pièce-outil
en garantissant leur précision ainsi que la puissance mécanique
nécessaire à la coupe.
Lors de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière
est réalisé par la conjonction de deux mouvements
relatifs
entre la pièce et l'outil : le mouvement de coupe (vitesse
de coupe) et le mouvement d'avance (vitesse d'avance). La
vitesse de coupe est la vitesse de déplacement de l'arête
tranchante de l'outil par rapport à la pièce. Elle
est définie en
m/min. Etant donnée la forte puissance requise pour la
coupe, l'avance qui définit la quantité de matière
enlevée est
limitée. Par conséquent, l'usinage nécessite
de nombreuses coupes successives.
Génération des surfaces
• Surfaces planes,
• Surfaces de révolution,
• Surfaces spéciales,
• Surfaces associées.
Il existe deux manières de générer la surface
recherchée : par travail de forme ou par travail d'enveloppe.
Dans le cas
du travail de forme c'est la forme de l'arête tranchante
de l'outil qui conditionne la surface obtenue. Dans le cas du
travail d'enveloppe, c'est la conjonction des mouvements de coupe
et d'avance qui définit la surface finale.
Copeaux
Le copeau est la partie de matière qui se détache
lors de la coupe dans un procédé d'usinage. L'état
de la surface
usinée dépend des conditions de coupe. Il existe
une avance en dessous de laquelle il ne faut pas descendre sous
peine de n'avoir aucune formation de copeau. Cette avance minimale
dépend du matériau, de la vitesse et du type
d'outil utilisés, et définit le copeau minimum.
Si l'avance est plus faible, il n'y a plus de coupe, mais un écrouissage
qui crée un échauffement préjudiciable à
l'état de surface de la pièce et à l'outil.
Les procédés d'usinage produisent des copeaux et
de la limaille qui, mélangée aux huiles de coupe,
forme de la boue.
Une certaine quantité de matériau qui a été
produit lors de la réalisation de la pièce brute
ne sera pas dans la pièce
usinée, il faut le collecter et le recycler. Les copeaux
ont donc un coût.
Compte tenu des vitesses de "production" de copeaux
avec les procédés d'usinage modernes, les copeaux
doivent
être nécessairement fragmentés en petites
particules afin d'en permettre une évacuation facile. Selon
les matériaux
"coupés" et la forme des "outils de coupe",
les paramètres de coupe permettant une bonne fragmentation
doivent être
adaptés. Les fabricants d'outils fournissent aux usineurs
des "courbes de fragmentation" donnant pour chacun des
outils de leur catalogue les paramètres vitesse d'avance
et profondeur de passe à mettre en oeuvre pour obtenir
cette
fragmentation. Ces courbes en forme de chaussette sont spécifiques
au "couple outil - matière".
Procédés d'usinage
Les différents procédés d'usinage sont (les
symboles sont ceux de la norme NFE 05-019 de 1992) :
• l'alésage (al) ;
• le brochage (br) ;
• le fraisage : fraisage en bout (frb), fraisage en roulant
(frr) ;
• le décolletage ;
• le découpage par : tronçonnage, grugeage,
Encochage, grignotage, poinçonnage;
• le mortaisage (mo);
• le lamage ; le chambrage
• le perçage (pc), filetage (fl), taraudage (ta)
;
• le rabotage (rb) ;
• la rectification (re) : rectification plane (rcp), rectification
cylindrique (rcc) ;
• le planage ;
• le rasage (usinage) ou shaving, finition d'engrenages
;
• le tournage (to) : dressage (dr), chariotage, repoussage,
fluotournage
• l'étincelage (éi) ; procédé
d'usinage par électro-érosion (éé)
;
• le polissage (po) ;
• l'électro-polissage (ep) ;
• la super finition (sf),le pierrage (pi), le rodage (rd),
le galetage (ga) ;
• le sablage : sablage à sec (sas), sablage humide
(sah) ;
• le grattage (usinage) (gr) ;
• le meulage (me) ;
• le découpage (dé) : découpage plasma,
découpage jet d'eau, découpage laser ;
• le grenaillage : grenaillage sphérique (gns), grenaillage
angulaire (gna) ;
• le roulage : usinage entre galets, comme le filetage à
froid;
• le polygonage ;
• le sciage, Cisaillage ;
• le limage ;
• le burinage ;
• le pointage
• Usinage chimique;
• Usinage électrolytique;
• Usinage électrochimique;
• Usinage par ultrasons;
L'usinage peut être fait soit avec une machine conventionnelle
ou à la machine à commande numérique (CN).
Il peut
être fait soit en usinage classique ou en grande vitesse
(UGV).
Paramètres de coupe
Les paramètres de coupe sont :
• la vitesse de coupe en mètre par minute (m/min)
: caractérise la vitesse relative entre la pièce
et l'outil au point
de contact
• l'avance par tour en millimètre par tour (mm/tr)
: caractérise l'état de surface obtenu
Les paramètres de coupe sont choisis en fonction des caractéristiques
mécaniques de la matière à usiner et de l'outil.
Ils sont indépendants de la machine utilisée et
des caractéristiques géométriques de la pièce
et de l'outil.
Les paramètres machine sont :
• la fréquence de rotation de la broche en tours
par minute (tr/min)
• la vitesse d'avance en millimètre par minute (mm/min)
Les paramètres machines sont calculés à partir
des paramètres de coupe et des caractéristiques
géométriques de la
pièce et de l'outil.
Les éléments de passe sont :
• la profondeur de passe en millimètre (mm)
• le nombre de passes
• la longueur usinée en millimètre (mm)
• la longueur totale usinée en millimètre
(mm)
Un autre paramètre de coupe peut également être
considéré : la lubrification. Classiquement, un
fluide de coupe
arrose la pièce. Ce fluide a pour but de faciliter l'évacuation
des copeaux (de la zone d'usinage et de la machine), de
lubrifier l'interface outil/pièce et outil/copeau et d'assurer
la stabilisation thermique de la coupe. Cependant pour des
considérations économiques et écologiques,
l'utilisation de ces fluides de coupe est remise en question.
Ces dernières
années les techniques d'usinage à sec ou de micro-lubrification
se développent.
Mise et maintien en position
Pour être conforme aux spécifications (cahier des
charges), la pièce finale doit avoir une géométrie
telle que définie
par le plan de la pièce, aux tolérances près
(voir Cotation fonctionnelle et Tolérance géométrique).
La machine-outil
doit donc être évidemment bien conçue et bien
entretenue afin que les mouvements de la pièce et de l'outil
soient
reproductibles.
Les mouvements se font selon des axes, les « axes machine
» :
• axe de rotation, autour duquel tourne la broche qui porte
l'outil (fraiseuse) ou la pièce (tour) ;
• axe de translation, pour le déplacement relatif
de l'outil et de la pièce (bélier ou table d'une
fraiseuse, chariot d'un
tour).
Il faut donc que le brut — la pièce d'origine —
soit aligné avec les axes machine avec une précision
au moins égale à
celle de la tolérance la plus serrée. C'est tout
le problème de la mise en position (MiP) et du maintien
en position
(MaP). Pour éviter les défauts d'alignement, on
s'attache à ce que la MiP soit isostatique.
Pour le fraisage de pièces unitaires ou en petite série,
la pièce est souvent placée dans un étau.
Les premières étapes
sont donc l'ablocage, c'est-à-dire le serrage de l'étau
sur la table, et le dégauchissage, c'est-à-dire
l'alignement de
l'étau sur les axes machine. La pièce peut aussi
être serrée directement sur la table par l'intermédiaire
de brides, il
faut alors abloquer et dégauchir le brut.
Dans le cas d'usinage en grande série sur machine à
commande numérique, la mise et le maintien en position
sont
assurés par un système de serrage hydraulique, les
vérins de serrage remplaçant les brides. La pièce
peut être fixée
sur un support facilitant sa manutention, sa MiP et son MaP.
Pour le tournage, la pièce est serrée dans des mors
solidaires de la broche.
Outils de coupe
Les outils de coupe modernes sont composés d'un support
appelé porte-outil en acier et d'une partie amovible
appelée plaquette de coupe en carbures. La plaquette est
fixée par une vis ou une bride sur son support. Cela permet
d'adapter parfaitement son outil selon la matière que l'on
souhaite usiner, de l'opération que l'on doit effectuer
ou des
contraintes particulières. Cette plaquette dispose de plusieurs
arêtes de coupe qui permettent une réduction des
coûts
d'utilisation. La durée de vie moyenne pour un outil en
carbure de tungstène revêtu est de 20 min en tournage
et de
45 min en fraisage (temps de contact outil/matière).
La plaquette est donc une pièce d'usure. Cette géométrie
permet
• de ne pas avoir à changer l'outil complet ;
• de réduire le coût de l'outil, les carbures
étant bien plus chers que l'acier ;
• d'avoir des propriétés mécaniques
différentes : les carbures sont très durs ce qui
permet un usinage à grande
vitesse, mais sont fragiles.
Ce dispositif n'est pas possible pour des fraises de petit diamètre.
On utilise donc des fraises en carbure monobloc,
c'est-à-dire entièrement en carbure. Les anciens
outils étaient en acier dit « rapide » (AR,
ou HSS pour high speed
steel).
La plaquette, outil de coupe, est fabriquée en carbure
de tungstène (mélange de poudre de tungstène
et de cobalt)
appelée la nuance. Lors de la fabrication les arêtes
de coupe des outils sont particulièrement soignées
pour avoir le
tranchant souhaité.
La nuance des outils de coupe est principalement faite en carbure
revêtu. Le revêtement est une couche très fine
d'un
dépôt d'un composant tel que le nitrure de titane
ou l'oxyde d'alumine favorisant le glissement du copeau et
protégeant le substrat des élévations de
température, mais il existe d'autre matériaux de
coupe comme le CBN
(nitrure de bore cubique) dédié aux usinages des
matériaux traités (> à 1500 MPa) et le
PCD pour l'usinage des
matériaux non ferreux.
Nous trouvons encore des outils en carbure de tungstène
non revêtu pour les opérations d'usinage des non-ferreux
ou
des titanes.
La nuance de coupe en carbure de tungstène se classifie
suivant une échelle normalisé ISO les classifiant
selon leurs
caractéristiques. La résistance au frottement, donc
à l'usure pour les outils de finition (P10) ou à
la ténacité, donc à la
pression pour les outils d'ébauche (P40) Le % de cobalt
induit directement ses caractéristiques donc le
positionnement d'une nuance de carbure dans cette échelle
ISO, plus le chiffre est petit "P10" plus la nuance
de
carbure est dure (finition ou haute vitesse de coupe), plus le
chiffre en grand "P40" plus la nuance de carbure est
tenace (ébauche ou basse vitesse de coupe ou chocs).
Cette normalisation a récemment évolué pour
couvrir toutes les matières usinées :
• P : usinage des aciers ;
• M : usinage des inoxydables ;
• K : usinage des fontes ;
• N : usinage des non-ferreux ;
• S : usinage des super alliages ;
• H : usinage des matières traitées.
Le revêtement de l'outil : trois différentes méthodes
sont utilisées :
1. PVD (dépôt vapeur physique) ;
2. CVD (dépôt vapeur chimique) ;
3. MTCVD (dépôt vapeur chimique à moyenne
température).
Toujours multicouche (de 20 à 60 couches) et d'une épaisseur
variable (comprise entre 9 et 20 microns) selon les
types de revêtement.
Chaque type de revêtement est à utiliser selon les
besoins de l'application. Il sera conseillé de choisir
un revêtement
PVD pour les opérations fines (ex. : filetage, faible épaisseur
de copeau) ou un revêtement CDV ou MTCVD pour
les opérations plus lourdes ou l'outil est plus sollicité.
La géométrie de coupe
Appelée plus vulgairement « brise copeaux »
, elle permet d'adapter parfaitement l'outil à l'opération
à effectuer selon
2 critères principaux :
1. La profondeur de passe.
2. L'avance.
Les outils coupants standards proposent un large choix de géométries
de coupe. Cette géométrie de coupe est un
espace fait de formes concaves et convexes qui a pour mission
de contrôler le copeau lors de sa formation, moulé
sur
la plaquette en carbure, spécialement étudié
pour maîtriser le déroulement du copeau, il garantit
sa maîtrise et le bon
déroulement de l'usinage sans interrompre ni gêner
la coupe. La champ d'application appelé "plage de
fragmentation" est définie par une avance minimum
et maximum et une profondeur de passe minimum et maximum
ce qui définit une section de copeau (épaisseur
et largeur). Cette section de copeau entre dans une certaine plage
de
fragmentation ce qui permet de choisir sa géométrie
de coupe. Une géométrie pour une opération
de finition sera
différente (plus fine) que pour une opération d'ébauche
(plus large).
Notes et références
Articles connexes
• Découpage
• Liquide de coupe
• Mise en position et maintien d'une pièce
Articles externes
• Usinages.com (http:/ / www. usinages. com/ )
Sources et contributeurs de l’article 7
Sources et contributeurs de l’article
Usinage Source: http://fr.wikipedia.org/w/index.php?oldid=74974220
Contributeurs: (:Julien:), Akzo, Apokrif, Arion54, Arnaud.Serander,
Badmood, Bignole, Butterfly austral, Cdang, Cj73,
Coyau, Cywil, Danny12235, David Berardan, Deep silence, Djhé,
DocteurCosmos, Emorege, Ephraim33, Erasoft24, Eric.delavallade,
F&TI "Monin Stéphane", Fafnir, Fiery, Geopteryx,
Ggal,
Gmp.sti, Grecha, Greudin, Gz260, Gzen92, HFBoyer, Haha, Idarvol,
Isaac Sanolnacov, JB, JLM, JMaxR, Jeannot26, Ji-Elle, Jjcasalo,
Jondoe88, Jules78120, Laurent Nguyen, Letartean,
Mababole, Magic-Bretzel, Malost, Manuguf, Nerijp, Oliv21, Olivier45,
Orthogaffe, Pld, Poppi Pocketo, Pso, Romainhk, Ruizo, Sam Hocevar,
SimonDenel, Thomas Oberson, Toffy76, Toine,
Touriste, Traroth, Willow51, Zedh, 90 modifications anonymes
Source des images, licences et contributeurs
Image:Tour-chariotage-couteau.jpg Source: http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Fichier:Tour-chariotage-couteau.jpg
Licence: Public Domain Contributeurs: User:Greudin
Licence
Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
//creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/
|
