Surépaisseur d'usinage 101 :Calculer et appliquer des tolérances précises

Qu'est-ce que la surépaisseur d'usinage ?

Nous commencerons par établir une définition de ce qu’est une surépaisseur d’usinage. La surépaisseur d'usinage correspond au matériau supplémentaire que les fabricants laissent intentionnellement sur une pièce, qui doit être retiré dans un environnement contrôlé lors des opérations d'usinage ultérieures.

Le fait de laisser des surépaisseurs usinées garantit qu'il reste suffisamment de matière sur la surface de la pièce pour obtenir des dimensions d'usinage précises, des exigences de finition de surface et des tolérances de pièces.

Surépaisseur d'usinage par rapport à la tolérance

Faisons un petit détour et parlons de surépaisseur d'usinage par rapport à la tolérance.

Dans la section précédente, nous avons souligné l’utilisation du mot « intentionnel » car il s’agit du principal facteur de distinction entre les concepts souvent déroutants de tolérance et de surépaisseur d’usinage. Bien que la tolérance concerne également la quantité de matière supplémentaire/moins présente sur une pièce, ce n'est pas quelque chose qui est fait intentionnellement.

Cela tient plutôt compte de la quantité acceptable de variation involontaire des dimensions de la pièce. Cela est lié au fait qu'il est impossible d'obtenir les dimensions exactes d'une pièce, c'est pourquoi les ingénieurs définissent des tolérances d'usinage CNC pour donner aux fabricants une plage cible dans laquelle rester.

Pourquoi la surépaisseur d'usinage est-elle importante ?

Laisser des surépaisseurs d’usinage sur les pièces est important pour de nombreuses raisons pratiques. Cette section explique les raisons pour lesquelles il s'agit d'une pratique d'ingénierie courante.

• Précision dimensionnelle :Laisser des surépaisseurs d'usinage sur les pièces donne aux machinistes une marge de sécurité pour réaliser les opérations d'usinage de finition. En tirant parti des paramètres de coupe tels que les vitesses élevées et les faibles profondeurs de coupe, ils peuvent atteindre une précision dimensionnelle élevée lors des coupes finales.
• Finition de surface :Comme pour la précision dimensionnelle, la présence de matière supplémentaire sur la surface de la pièce permet aux machinistes de gérer la qualité de la surface lors des coupes de finition.
• Contrôle qualité :Les surépaisseurs d'usinage encouragent également le contrôle qualité en cours de processus. Les ingénieurs ont la possibilité de surveiller la qualité de la production entre les cycles d'ébauche et de finition et de mettre à jour leurs plans de fabrication en conséquence, ce qui réduit le nombre de rejets de pièces.

Comment calculer la surépaisseur d'usinage ?

Laisser des surépaisseurs d'usinage est une pratique d'ingénierie professionnelle, mais quelle surépaisseur doit-on laisser ? La réponse à cette question est davantage fondée sur l’expérience que sur la science. Les ingénieurs et les techniciens prennent en compte plusieurs facteurs lors du calcul des surépaisseurs d'usinage appropriées pour une pièce.

Les principaux facteurs sont les suivants :

Processus de fabrication

Le processus de fabrication utilisé pour produire la pièce avant l’usinage donne de nombreuses informations sur son degré de « rugosité ». Entre le moulage et le forgeage, par exemple, les pièces moulées sont généralement moins précises dimensionnellement et nécessitent donc généralement une surépaisseur d'usinage plus grande de 2 à 5 mm. Pour le forgeage, il peut être de 1 à 3 mm en raison de ses résultats de forme presque nets.

Propriétés des matériaux

Les matériaux sujets à des changements dimensionnels ou à des accidents lors de l'usinage nécessitent généralement des surépaisseurs d'usinage plus importantes. Ainsi, les ingénieurs choisissent d’accorder une tolérance plus élevée aux matériaux ductiles. L’aluminium est par exemple plus ductile que l’acier inoxydable. Leurs surépaisseurs d'usinage respectives pour la même géométrie peuvent être respectivement de 1 à 2 mm et de 0,5 à 1 mm.

Type d'usinage

Les opérations d'ébauche avec enlèvement de matière en vrac nécessitent des surépaisseurs d'usinage plus importantes que les opérations de finition avec des coupes plus fines. Prenons par exemple une opération d’usinage d’aube de turbine. Lors des coupes d'ébauche initiales sur l'ébauche de la pièce, les surépaisseurs d'usinage sont élevées (3 à 4 mm), mais à mesure que le processus avance et que le profil de la lame prend forme, des surépaisseurs d'usinage plus petites, de l'ordre de 0,5 à 1 mm, peuvent être utilisées pour les coupes de semi-finition et de finition.

Tolérance/Finition

Les pièces ayant des exigences de qualité élevées (tolérances serrées, finition de surface fine) sont généralement planifiées avec plus de tolérances pour garantir que les écarts mineurs peuvent être corrigés lors des passes finales.

Formule de surépaisseur d'usinage 

Bien qu'il n'existe pas de formule fixe pour calculer les surépaisseurs d'usinage, une ligne directrice générale tenant compte de ses principaux facteurs peut être la suivante :

Surépaisseur d'usinage =Variation de surface + Marge d'accès à l'outil + Tampon d'exigence de finition

Considérons le cas du dessin technique ci-dessous et effectuons un calcul approximatif de la surépaisseur d'usinage. En supposant que la pièce soit usinée à partir d'aluminium, une surépaisseur de machine conservatrice de 0,5 à 1 mm serait acceptable, compte tenu de sa géométrie simple et de l'absence d'exigences de tolérance sur les dimensions principales.

Cependant, pour positionner le trou, des tolérances plus importantes pourraient être nécessaires. Il existe une tolérance sur la position (±0,05 mm) et une tolérance unilatérale sur le diamètre du trou (+0,1 – +0,3 mm); la tolérance de variation de surface peut être de 0,5 mm. Il n'y a aucun problème d'accès aux outils, cette allocation peut donc être ignorée. Cependant, nous avons besoin que le trou soit lisse et pouvons recourir à des opérations de finition avec alésage ou polissage. Ainsi, le tampon d'exigence de finition peut être de 0,1 mm.

Par conséquent, la surépaisseur d'usinage pour le positionnement et le perçage du trou serait :

Tolérance d'usinage =Par défaut (0,5) + Variation de surface (0,5) + Tampon d'exigence de finition (0,1) =1,1 mm

Défis courants liés à la gestion des surépaisseurs d'usinage

Les surépaisseurs d'usinage constituent un processus intermédiaire important dans l'usinage, et leur gestion correcte est essentielle à une production réussie. Les ateliers d'usinage peuvent être confrontés aux défis suivants lors de la gestion des surépaisseurs d'usinage :

Surallocation

Laisser des surépaisseurs d'usinage est une approche d'ingénierie sûre, et il est possible de dépasser une pièce dans des conceptions à haut risque. Cette allocation supplémentaire entraîne un gaspillage inutile d'énergie et de matériaux, une usure des outils et des temps de production plus longs.

Sous-allocation

De même, les ingénieurs peuvent sous-estimer les pièces tout en tentant de donner la priorité à l’efficacité opérationnelle. Ceci est également problématique car cela peut ne pas laisser suffisamment de matière pour contrôler correctement la tolérance ou la finition de surface. Par conséquent, cela peut conduire à une retouche ou à une mise au rebut de pièces.

Caractéristiques géométriques complexes

La surépaisseur d'usinage est facile à définir pour des géométries prismatiques ou cylindriques simples, mais elle est assez délicate pour des pièces aux profils ou contre-dépouilles complexes. Pour de telles fonctionnalités, les ingénieurs doivent attribuer des surépaisseurs d'usinage localisées et utiliser des solutions CAO/FAO avancées.

Incohérences matérielles

La définition des surépaisseurs d'usinage dépend considérablement du matériau, mais il est courant de constater de légères variations dans les propriétés du matériau selon les lots, les marques et les directions. Ces incohérences rendent la gestion des surépaisseurs d'usinage difficile dans les industries de haute précision.

Usure des outils

Les outils de coupe se dégradent avec le temps, ce qui peut modifier la quantité de matière qu'ils éliminent. Cela peut être problématique lorsqu'il s'agit de surépaisseurs d'usinage car les dimensions des pièces deviennent variables.

État de la machine-outil

La précision des machines CNC se détériore avec le temps. Cela les rend imprévisibles dans le maintien de tolérances serrées, ce qui rend difficile la gestion des surépaisseurs d'usinage dans l'atelier.

Laisser des surépaisseurs d'usinage est une pratique qui permet d'obtenir une meilleure qualité de pièce en garantissant une précision dimensionnelle, un meilleur contrôle de l'état de surface et une meilleure gestion du processus de découpe. Il faut également une expérience pratique pour décider quelles surépaisseurs d'usinage utiliser, car elles dépendent de facteurs tels que les propriétés des matériaux, la géométrie et les exigences de qualité.

Quel est l'impact de la surépaisseur d'usinage sur le coût de production ?

La surépaisseur d'usinage influence directement le coût de production. Les opérations d'usinage précises avec des tolérances serrées nécessitent plus de soin et de temps et présentent un risque accru de rejet de pièces. Ces exigences augmentent le coût de production.

La température influence-t-elle la surépaisseur d'usinage ?

Les différences de température pendant l'usinage peuvent provoquer une dilatation/contraction thermique des matériaux, ce qui à son tour peut influencer négativement les surépaisseurs d'usinage.

L'état de surface est-il lié à la surépaisseur d'usinage ?

Généralement, les composants ayant des exigences de finition de surface de haute qualité ont également de faibles surépaisseurs d'usinage, car ces deux attributs sont associés à une haute précision. Par exemple, les sièges de roulement ont à la fois des niveaux de tolérance serrés et une finition de surface fine.