Généralité sur l’usinage

.1. Généralité sur l’usinage
.2. Les machines
.2.1. Le fraisage
.2.2. Le perçage
.2.3. Le tournage
.3. Les matériaux des outils
.3.1. Matériaux
.3.2. Choix du matériaux des plaquettes
.4. Contrôle de la position de la pièce par rapport à l’outil
.4.1. Les moyens de contrôle
.4.2. Référentiels
.5. La formation des copeaux
.5.1. Généralité dans le cas du tournage
.5.2. Les différents types de copeaux
.5.3. Evolution du copeau en fonction de Vc
.5.4. Evolution du copeau en fonction de sa section
.5.5. Angles d’outil
.6. Usure des outils
.6.1. Phénomènes d’usure
.6.2. Manifestation de l’usure
.6.3. Durée de vie
.7. Conditions de coupe 
.7.1. Les paramètres de coupe
.7.2. Choix des paramètres de coupe
.7.3. Influence des conditions de coupe sur la rugosité
.7.4. Optimisation des conditions de coupe

.1. Généralité sur l’usinage

L’usinage par enlèvement de matière est le moyen le plus fiable pour obtenir des pièces de précision, à partir de pièces moulées, extrudées ou forgées.
Le procédé est, par contre, coûteux (machine, outils, hommes qualifiés) et relativement lent.
C’est pourquoi on essaye d’obtenir maintenant des pièces de moulage ne nécessitant pas d’usinage.
Cela est possible avec le plastique ou le Zamac (Zn, Al, Mg), mais les qualités techniques : résistance à la chaleur ou limite élastique sont encore loin d’égaler celles de l’acier ou des alliages d’aluminium.
Actuellement parmi tous les axes de recherche en fabrication, on peut en citer deux : l’UGV (ou usinage à grande vitesse) et les machines à axes parallèles qui offrent une grande mobilité de la tête d’usinage.
• Avec le travail à grande vitesse, la machine-outil passe à la vitesse supérieure.
La pièce usinée par UGV est d’une précision supérieure. Tout d’abord, les efforts de coupe sont réduits. Donc, la pièce subit moins de déformation. Ensuite, les calories sont dissipées dans les copeaux avant d’avoir le temps de pénétrer dans la pièce. Moins sollicitée en température, la pièce conserve sa stabilité dimensionnelle originelle.
L’état de surface de la pièce à usiner est amélioré par l’écoulement plastique du matériau dans la zone de cisaillement. L’augmentation du débit des copeaux autorise une meilleure productivité, qui peut être multipliée par un facteur de 3 à 10.
Enfin, l’UGV autorise l’usinage de pièces qu’il était impossible d’usiner auparavant avec les moyens conventionnels (comme les voiles minces en aéronautique, par exemple).
• Après avoir développé l’usinage à grande vitesse (UGV), les industriels se concentrent aujourd’hui sur le travail à grande vitesse.
Avec l’apparition de l’UGV, le secteur de la machine-outil a tourné une page de son histoire et entamé une irréversible évolution. Les pièces sont désormais usinées très rapidement, avec une précision toujours croissante. Seulement, l’usinage ne représente que 15 % du temps du cycle total de production.
Changement d’outils, acheminement de la pièce, positionnement broche/outil, évacuation de la pièce, etc. Pour une performance maximale, le centre d’usinage doit prendre en compte, non seulement le temps d’usinage proprement dit (temps copeau), mais également – et surtout – le temps hors usinage, qui représente à lui seul les 85 % restants du temps du cycle total de production. Aujourd’hui, l’UGV a laissé la place au travail à grande vitesse dans la liste des priorités des constructeurs de machines outils.

.2. Les machines

Les machines sont classés en deux catégories :
Fraisage : L’outil tourne, la pièce se déplace par rapport à l’outil. Cela permet de réaliser des formes planes, des moules…
Tournage : La pièce tourne, l’outil se déplace par rapport à la pièce : pour réaliser des pièces de révolution.
Bien entendu, des industriels fabriquent des tours, où les outils peuvent tourner, ou des centre de fraisage où les pièces peuvent être entraînés en rotation… ce sont des machines hybrides, mixtes, ou machine multi-axe.

.2.1. Le fraisage
Dans le cas du fraisage : l’outil tourne, la pièce se déplace. Les centre de fraisage comportent généralement 3 axes (que l’ont peut commander individuellement pour faire des formes complexe : hélices…) et un plateau tournant pour présenter toutes les faces de la pièce devant la broche.
On peut aussi imaginer de monter l’outil au bout un bras de robot. Voir exemple ci-contre.
L’outil tourne, la pièce se déplace par rapport à l’outil. Cela permet de réaliser des formes planes, des moules…

.3.1.1. ARS
Les outils ARS (Acier Rapides Supérieurs) sont élaborés à partir d’un acier faiblement allié subissant un traitement thermique. Il est toujours utilisé pour certains types d’outils comme les forets, ou les outils nécessitant un angle de tranchant très faible.
Ils ne permettent pas une vitesse de coupe élevée car un échauffement trop important élimine la trempe de l’outil, et crée donc un effondrement rapide de l’arête de coupe.
Fabrication : par coulée en coquille ou par métallurgie des poudres
Composition : 0,7 % de Carbone minimum
4 % de Chrome environ
Tungstène, Molibdène, Vanadium
Cobalt pour les plus durs.
Dureté : de 63 à 66 Hrc

.3.1.2. Carbures
Le outils carbures sont les plus utilisés actuellement. Il en existe de toutes formes pour chaque type de matériau et pour chaque type d’usinage. Ils se présentent sous la forme d’une plaquette que l’on vient fixer sur un porte outil. Le remplacement de la plaquette est donc très rapide.
Ils sont souvent revêtus d’un carbure plus dur. On obtient ainsi une plaquette dont le noyau est tenace et dont la surface extérieure est très dure.
Fabrication : par frittage de poudre, puis revêtement
Composition : Noyau en carbure de tungstène (T° de fusion 2600°)
Ou en carbure de titane (3100°), ou tantale (3780°) ou mobium (3500°)
Liant : cobalt : le plus courant ou nickel.
Revêtement en oxyde d’aluminium (céramique appelée corindon : Al2O3

.3.1.3. Cermets
Ce nom vient de céramique-métal car il représente les carbures ayant des particules de Titane, de carbonitrure de Titane ou de nitrure de Titane.
Ces outils doivent être alliés à du carbure de Molibdène pour augmenter leur ténacité.
Ils sont utilisés pour des grandes vitesses de coupe associées à de faibles avances, donc pour de la finition.
Le matériau étant fragile, il ne faut pas d’interruption de coupe (plan de joint…).

.3.1.4. Céramiques
Ce sont, pour les outils de coupe, les oxydes et les nitrures : oxyde d’aluminium et nitrure de silicium.
Les céramiques ont une grande dureté (donc une faible ténacité) avec une grande stabilité à haute température et aucune réaction avec la matière usinée.
Les céramiques permettent un grand débit de matière, mais nécessitent une grande stabilité de la machine, un strict respect des conditions de coupe et une méthode d’usinage adaptée (approche de l’outil).

.3.1.5. Nitrure de Bore Cubique (CBN)
Le CBN offre une très grande dureté, c’est le matériau le plus dur après le diamant. Il comporte l’avantage par rapport au diamant de ne pas s’oxyder à haute température. Il est aussi utilisé pour faire des meules de rectification, pour usiner les pièces dures…
Son utilisation requiert
• Une machine stable
• Une grande rigidité de la pièce et du porte pièce
• Un arrosage

.3.1.6. Diamant
L’utilisation du diamant est fortement répandu comme constituant des meules, ou des grains de ré-affûtage des meules.
Il a un faible coefficient de frottement ce qui limite l’apparition d’arête rapportée (donc peut d’encrassage).
Par contre, son énorme inconvénient réside dans sa non-stabilité à haute température. Un diamant soumis à une température de plus de 650 ° se transforme en un vulgaire morceau de graphite… On ne peut donc pas l’utiliser pour les matériaux ferreux.
Par contre, il convient aux matériaux non ferreux s’usinant à base température : alliage d’aluminium, de cuivre, de magnésium, résines thermodurcissables…

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