Le brochage expliqué : procédé, mécanisme et principaux types

Qu'est-ce que le brochage ?

Le brochage est un procédé d'usinage où un outil tranchant, trempé et denté (le broche) enlève de la matière sur une pièce de manière constante, continue et précise. L'outil possède des dents de tailles croissantes qui découpent avec chaque passage une quantité définie de matière.

En brochage, soit l'outil multi-tranchant se déplace tandis que la pièce reste fixe, soit la pièce se déplace tandis que l'outil est fixe. Dans certains cas, il peut y avoir une rotation relative entre l'outil et la pièce. Le brochage peut être intérieur (au centre de la pièce) ou extérieur (sur la surface).

Il existe deux grands types de brochage : linéaire et rotatif. En brochage linéaire (le plus courant), la broche est entraînée linéairement contre une surface de la pièce pour effectuer la coupe.

Les broches linéaires sont utilisées sur une machine à brocher (souvent appelée simplement « broche »). En brochage rotatif, la broche tourne et est pressée dans la pièce pour tailler une forme axisymétrique.

Une broche rotative est utilisée sur un tour ou une machine à vis. Dans les deux cas, la coupe s'effectue en un seul passage de la broche, ce qui rend le procédé très efficace.

Le brochage est utilisé lorsque l'usinage de précision est requis, notamment pour des formes complexes. Les surfaces couramment usinées incluent les trous circulaires et non circulaires, les cannelures, les rainures de clavette et les surfaces planes.

Les pièces typiques sont des moulages, forgeages, pièces de machine à vis et pièces estampées de taille petite à moyenne. Bien que les broches puissent être coûteuses, le brochage est généralement privilégié pour les séries de production de grande quantité.

Les broches ressemblent à une scie, sauf que la hauteur des dents augmente sur la longueur de l'outil. De plus, la broche comporte trois sections distinctes : une pour l'ébauche, une pour la semi-finition et la dernière pour la finition.

Le brochage est un procédé d'usinage inhabituel car l'avance est intégrée dans l'outil. Le profil de la surface usinée est toujours l'inverse du profil de la broche. Le relèvement par dent (RPT), aussi appelé pas ou avance par dent, détermine la quantité de matière enlevée et la taille du copeau.

La broche peut se déplacer par rapport à la pièce ou vice versa. Comme toutes les caractéristiques sont intégrées dans la broche, aucun mouvement complexe ni main-d'œuvre qualifiée n'est requis. Une broche est en fait une collection d'outils de coupe à pointe unique disposés en séquence, coupant l'un après l'autre ; sa coupe est analogue à plusieurs passages d'une raboteuse.

En quoi consiste le processus de brochage ?

Le processus de brochage varie selon qu'il s'agit de brochage de surface ou intérieur. Le brochage de surface est l'opération la plus simple car une surface agit sur l'autre.

Par exemple, soit l'outil de brochage reste fixe et la pièce est déplacée contre lui, soit la pièce est fixe et la broche est déplacée contre elle.

Le brochage intérieur est plus complexe. Pour utiliser une broche intérieure, la pièce doit être fixée dans un porte-pièce qui sert aussi de montage pour la machine à brocher. Ensuite, à l'aide de l'élévateur de la machine, la broche est abaissée dans la pièce.

Puis, le tireur de la machine saisit le pilote de la broche, et lorsque l'élévateur libère le suiveur, le tireur tire la broche complètement à travers la pièce. Enfin, la pièce est retirée et la broche réengage l'élévateur.

Quelles sont les utilisations du brochage ?

Il existe une multitude d'utilisations pour les broches. En fait, vous avez probablement déjà vu du brochage dans les outils à main, l'électroménager, la plomberie, la conception automobile, le matériel agricole, et diverses applications militaires et industrielles.

Cependant, l'utilisation principale du brochage est la production de pièces en grande série nécessitant des coupes précises, répétitives et complexes. Bien que le procédé puisse s'appliquer à diverses applications, les meilleurs matériaux ont une dureté comprise entre 26 et 28 Rockwell C.

De nombreuses entreprises ont également obtenu de bons résultats avec des matériaux jusqu'à 32 Rockwell C.

Comment entretenir vos broches ?

Une broche neuve est généralement bonne pour au moins 8 000 coupes. Cependant, si elle est entretenue et affûtée régulièrement, on peut porter cette estimation à près de 60 000 coupes ou plus.

Les broches sont des pièces coûteuses, certaines coûtant environ 2 000 $ ou plus. Si les 8 000 coupes estimées conviennent aux petites opérations, toutes les entreprises ne peuvent pas se permettre de remplacer ces outils si fréquemment.

Par conséquent, après 3 000 pièces usinées, il peut être judicieux d'envoyer vos broches en affûtage et reconditionnement pour prolonger leur durée de vie et réduire les coûts de production globaux. Si vous constatez une augmentation de la force de coupe nécessaire, votre broche a probablement besoin d'être affûtée.

Types de machines à brocher

Voici quelques types de machines à brocher à considérer :

• Brochage horizontal
• Brochage vertical
• Brochage intérieur
• Brochage extérieur
• Brochage rotatif
• Brochage linéaire

1. Machine à brocher horizontale

Les machines à brocher horizontales utilisent la méthode de traction (pull-type) pour brocher la pièce et sont utilisées pour le brochage intérieur et extérieur. Une machine horizontale comprend un banc, un pilote de broche et un mécanisme d'entraînement.

Les principales broches sur une machine horizontale sont pour clavettes, cannelures, rainures, trous ronds et formes intérieures. Bien que les machines horizontales occupent de l'espace au sol, elles sont idéales pour les longues broches et les pièces lourdes.

2. Machine à brocher verticale

Une machine à brocher verticale pousse ou tire l'outil de brochage, le brochage par poussée (push broaching) étant le plus courant. La conception et la configuration des machines verticales permettent d'effectuer plusieurs opérations car il est facile de passer une pièce d'une machine à l'autre.

Les trois types de machines verticales sont : poussée vers le bas, traction vers le haut, traction vers le bas. La conception par traction vers le haut (pull-up) est la plus populaire. Les machines verticales peuvent être motorisées par hydraulique ou entraînement électromécanique ; l'hydraulique est la plus populaire et la plus rentable.

3. Machine à brocher de surface

Une machine à brocher de surface enlève la matière excédentaire de la surface d'une pièce. L'outil de coupe passe sur la pièce pour produire des surfaces planes ou profilées. La particularité est que l'outil de coupe est fixé sur un chariot (ram) forcé le long de la pièce.

Le chariot peut se déplacer horizontalement ou verticalement selon la conception. Une machine à brocher de surface peut avoir deux chariots ; on parle alors de brochage duplex.

4. Machine à brocher continue

En brochage continu, la pièce est en mouvement constant tandis que la broche reste fixe. Le mouvement peut être rectiligne, horizontal ou circulaire.

En brochage horizontal continu, les pièces sont chargées sur un dispositif fixé sur une chaîne. Le brochage continu est utilisé pour couper des pièces similaires simultanément.

5. Machine à brocher rotative

Le brochage rotatif diffère des autres formes et est aussi appelé « wobble broaching ». C'est une méthode de précision pour produire des formes polygonales internes ou externes. En brochage rotatif, l'outil de coupe est placé à un angle de 1° par rapport à l'axe de la pièce ; cela fait couper la broche avec un effet de ciseau ou de scallop.

Le brochage rotatif peut être réalisé sur un tour ou une fraiseuse avec une broche horizontale ou verticale à rotation libre. Les formes réalisables incluent : hexagones, carrés, cannelures, clavettes, engrenages droits, chiffres, lettres.

6. Machine à brocher par tournage (Turn Broaching)

Les machines à brocher par tournage sont utilisées pour le coupage circulaire, linéaire et spiralé où les surfaces nécessitent une finition élevée. L'outil possède plusieurs plaquettes pour enlever de la matière en faisant tourner le vilebrequin entre pointes. Les composants sont capables de finition ou d'ébauche. Le type de machine détermine l'outil.

Les plaquettes d'ébauche et leurs segments dépendent du taux d'enlèvement de matière requis. Les segments de finition ont des cartouches réglables, idéales pour produire des tolérances serrées.

7. Brochage CNC

Les machines à Commande Numérique par Ordinateur (CNC) peuvent être utilisées pour le brochage grâce aux développements technologiques récents. Les pièces peuvent être brochées par procédés rotatifs ou linéaires en une seule étape. Les entreprises de brochage ont conçu des outils, corps d'outils et porte-outils intégrables au processus CNC.

Le brochage CNC utilise des outils à plaquettes indexables et des porte-outils. Les porte-outils spéciaux permettent d'avoir plusieurs plaquettes spécialisées. Les broches CNC incluent : rotative/wobble, poinçonnage, clavette, cannelures, polygones, cannelures, etc.

Avantages du brochage

• Taux de production très élevé, supérieur au fraisage, rabotage, alésage, etc.
• Haute précision dimensionnelle et de forme, et excellente finition de surface.
• Ébauche et finition en un seul passage du même outil.
• Un seul mouvement de coupe nécessaire : conception, construction, exploitation et contrôle plus simples.
• Extrêmement adapté et économique pour la production de masse.
• Expertise spécialisée non requise.
• Finition de surface remarquable.
• Temps de cycle court avec haute précision.
• Peu de compétence requise pour effectuer une opération de brochage.
• Utilisable pour la finition de surfaces internes ou externes.
• Tolérance de ±0,0075 mm et finition de surface d'environ 0,8 µm atteignables.
• Le fluide de coupe peut être aisément appliqué là où il est le plus efficace car la broche aspire le fluide dans la coupe.

Inconvénients du brochage

• Seuls les trous débouchants et les surfaces peuvent être usinés.
• Utilisable seulement pour des coupes légères.
• La vitesse de coupe ne peut pas être élevée.
• Les défauts ou dommages sur la broche affectent gravement la qualité de la pièce.
• La conception, fabrication et remise en état des broches sont difficiles et coûteuses.
• Une broche distincte doit être acquise et utilisée à chaque changement de taille, forme ou géométrie de la pièce.
• Économique seulement pour de gros volumes de production.
• Une pièce très grande ne peut pas être brochée.
• Coût d'outillage élevé.
• Le brochage ne peut pas être utilisé pour l'enlèvement de gros volumes de matière.
• Les pièces à brocher doivent pouvoir être rigidement supportées et résister aux forces de coupe.