Usiner

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 manière 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.

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.

Sommaire 1 But 2 Coupe 3 Génération de surface 4 Copeaux 5 Procédés d'usinage 6 Paramètres de coupe 7 Mise et maintien en position 8 Outils de coupe 8.1 La géométrie de coupe 9 Sens dérivé 10 Formation / Enseignement 11 Notes et références 11.1 Articles connexes

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. A 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 de surface

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 œuvre 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 mortaisage ;
• le lamage ;
• le perçage (pc), filetage (fl), taraudage ;
• le pierrage (pi)
• le rabotage (rb) ;
• la rectification : rectification plane (rcp), rectification cylindrique (rcc) ;
• le planage ;
• le rodage (rd) ;
• le tournage (to) : dressage (dr), chariotage ;
• l'étincelage (éi) ;
• l'électro-érosion (éé) ;
• le décolletage ;
• le polissage (po) ;
• l'électro-polissage (ep) ;
• la super finition (sf) ;
• le sablage : sablage à sec (sas), sablage humide (sah) ;
• le grattage (gr) ;
• le meulage (me) ;
• le découpage (dé) : découpage plasma, découpage jet d'eau, découpage laser ;
• le grenaillage : grenaillage sphérique (gns), grenaillage angulaire (gna) ;
• le galetage (ga) ;
• le roulage : usinage entre galets, comme le filetage à froid;
• le polygonnage ;

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 v_c en mètre par minute (m/min) : caractérise la vitesse relative entre la pièce et l'outil au point de contact
• l'avance par tour f 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 N en tours par minutes (tr/min)
• la vitesse d'avance V_f 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 a_p en millimètre (mm)
• le nombre de passes n_p
• la longueur usinée l en millimètre (mm)
• la longueur totale usinée L en millimètre (mm)

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 prêt (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 1 500 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 géométrie 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 garantie 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 définie 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).

Sens dérivé

L'usinage est la période d'intégration des élèves à l'École nationale supérieure d'arts et métiers. Cette période est désormais appélée Période de Transmission des Traditions ou en abrégé PTT.

Formation / Enseignement

Le lycée professionnel Paul Béchet de Cluses en Haute-Savoie (au coeur du pôle de compétitivité « du Décolletage à la Mécatronique ») forme chaque année une promotion de 24 élèves préparant en 3 ans le Baccalauréat professionnel Technicien d'usinage. ^[1].

Notes et références

Articles connexes

• Mise en position et maintien d'une pièce

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