Procédés d'usinage essentiels : Tournage, Fraisage, Perçage, Dressage

Cet article présente les principaux types de procédés d'usinage : 1. Dressage et Rabotage, 2. Tournage et Alésage, 3. Perçage, 4. Fraisage. Nous nous concentrerons sur les opérations de base les plus courantes, sans entrer dans les détails technologiques extrêmes.

1. Dressage et Rabotage

La nature fondamentale de l'enlèvement de matière est identique dans les deux cas. La différence majeure : en dressage, le mouvement principal (coupe) est donné à l'outil et l'avance à la pièce ; en rabotage, c'est l'inverse.

La coupe est intermittente et se produit pendant la course avant. Pendant le retour (sans coupe), l'avance est effectuée. La figure 4.34 montre les détails de la zone de coupe.

Paramètres principaux

Courses par unité de temps (N), longueur de course (S, rapport de retour rapide (R), profondeur de passe (d), angles de l'outil. Pour les convertir en paramètres d'usinage de base, on examine la vue en section (fig. 4.34).

Bien que la condition d'usinage orthogonal ne soit généralement pas satisfaite, nous l'assumerons applicable pour simplifier. Les résultats sur la consommation de puissance restent acceptables. L'épaisseur de copeau non coupé et la largeur de coupe sont données par les relations où Ψ est l'angle de coupe principal. L'angle de rake normal α se déduit de la vue en section. La figure 4.35 montre les composantes de force de coupe et de poussée.

La composante de coupe F_C s'oppose à v et F_T est perpendiculaire à la surface transitoire. F_T se décompose en F_f (composante d'avance) et F_n (normale à la surface usinée).

Le débit d'enlèvement de matière est L d f N (L = longueur de la pièce, N = nombre de courses de coupe par unité de temps). Le temps de coupe se calcule si l'on connaît la largeur (B), la profondeur totale à enlever (H), la profondeur de passe (d), l'avance (f) et les courses par unité de temps (N).

2. Tournage et Alésage

Le tournage est l'une des opérations les plus courantes pour produire des surfaces de révolution (surfaces planes par tournage en face). Toutes les opérations se font sur tour. Types principaux : (i) surfaces cylindriques et à étages, (ii) surfaces coniques et courbes de révolution, (iii) filetages, (iv) tournage en face et tronçonnage. L'usinage de surfaces internes s'appelle alésage.

Nous analysons la mécanique d'un tournage simple, extensible aux opérations spéciales. La figure 4.37a montre un tournage simple avec un outil à pointe unique. La géométrie détaillée figure en 4.37b, les angles en 4.38.

Paramètres d'usinage de base

Ψ = angle de coupe latéral. L'angle de rake normal α se détermine à partir des angles de l'outil. En assumant l'usinage orthogonal, la vitesse de coupe est : V = π D N (N = tours pièce/unité temps, D = diamètre pièce). Comme d ≪ D, V est constante sur la largeur de passe. Pour l'orthogonalité, le tranchant doit être perpendiculaire au vecteur vitesse, ce qui impose une condition sur les angles de l'outil.

3. Perçage

L'opération de perçage la plus courante utilise un foret hélicoïdal. Contrairement au dressage et au tournage, elle fait intervenir deux arêtes de coupe principales. La figure 4.41 illustre l'opération.

Si l'avance par tour est f, chaque lèvre reçoit f/2 (la surface supérieure a été finie par l'autre lèvre 180° avant). L'épaisseur de copeau non coupé t₁ et la largeur de coupe w sont données en fonction de r (rayon du point d'évaluation du rake normal), D (diamètre nominal), β (demi-angle de pointe), Ψ (angle d'hélice).

Le tableau 4.12 donne les valeurs typiques des angles et paramètres du foret. Les variations de vitesse de coupe et autres paramètres le long de l'arête sont appréciables ; le phénomène est complexe. Nos calculs se basent sur le point milieu de chaque arête. Les forces sur le foret (fig. 4.43) se résument à un couple résistant M et un effort axial F. L'action au burin n'est pas une vraie coupe mais un enfoncement en coin ; son effet sur le couple est négligeable (sur l'axe de rotation). Sa contribution à la poussée est par contre considérable.

La poussée totale F s'exprime comme la somme des contributions des lèvre et du burin.

4. Fraisage

Le fraisage est l'opération la plus polyvalente, capable de générer la plupart des formes, indispensable pour les pièces sans symétrie de révolution. La fraise possède de nombreux tranchants. L'arbre porte-fraise s'appelle l'arbre.

Classement

• Fraisage horizontal : axe de fraise horizontal. Figure 4.44 : opérations courantes. Deux sous-types selon directions relatives coupe/avance :
  • Fraisage en contre (up milling) : directions opposées (fig. 4.45a). Plus sûr, couramment utilisé.
  • Fraisage en concert (down milling) : même direction (fig. 4.45b). Meilleur état de surface et durée de vie plus longue, mais risque d'entraînement de la pièce.
  Les fraises hélicoïdales donnent un engagement progressif → opération plus douce, meilleure finition.
• Fraisage vertical : axe vertical, généralement perpendiculaire à la surface pièce.

Formation du copeau en fraisage de surfage (fraise droite)

La figure 4.47a explique le schéma. Fraise diamètre D, profondeur de passe d. Avec fraise à arêtes droites, l'opération est orthogonale ; la cinématique figure en 4.47b.

Toutes les arêtes participent. On étudie une seule dent. Si f = vitesse d'avance table (mm/min), l'avance effective par dent = f / (N Z) (N = tr/min fraise, Z = nombre de dents).

Le débit d'enlèvement par unité de largeur = f d. L'épaisseur de matière devant le tranchant augmente progressivement, atteint un maximum près de la surface, puis retombe à zéro. Si l'avance est faible comparée à la vitesse circonférentielle :

Les composantes de force F_C et F_T (fig. 4.48) changent de direction et de module le long de la coupe. Avec fraise droite, pas de composante axiale. L'épaisseur moyenne de copeau ≈ moitié du maximum.

Les valeurs moyennes de F_C et F_T s'estiment avec cette épaisseur moyenne. F_T étant radiale, ne crée pas de couple ; le couple d'arbre vient de F_C. Couple par dent = F_C(d/2). La figure 4.49 montre la variation du couple d'arbre pour une dent.

Pour le couple global M̅, on superpose les moments de toutes les dents. Trois cas selon β (angle d'enroulement) vs 2π/Z : (i) β < 2π/Z, (ii) β = 2π/Z, (iii) β > 2π/Z. Figures 4.50a et 4.50b. Avec fraise droite, forces et couple ont des variations brusques → vibrations.

Avec fraise hélicoïdale, l'engagement est progressif. Couple par dent et couple global : figures 4.51a et 4.51b. Puissance usinage = vitesse arbre × couple global moyen. Poussée moyenne ≈ ligne radiale milieu de l'arc de contact pièce-fraise.