Usinage expliqué : définition, procédés et outils clés

L'usinage est un terme de fabrication englobant une large gamme de technologies et de techniques. Il peut être grossièrement défini comme le procédé d'enlèvement de matière d'une pièce brute à l'aide d'outils machines motorisés pour lui donner une forme conforme au dessin prévu.

La plupart des composants et pièces métalliques nécessitent une forme d'usinage pendant le processus de fabrication. D'autres matériaux, comme les plastiques, caoutchoucs et produits en papier, sont aussi couramment fabriqués par des procédés d'usinage. Apprenons en détail ce qu'est l'usinage, son processus, et les outils et technologies utilisés.

Qu'est-ce que l'usinage ?

L'usinage est un procédé de prototypage et de fabrication qui crée la forme finale désirée en enlevant la matière indésirable d'une pièce plus grande de matériau. Dans ces procédés, une pièce est construite par enlèvement de matière, ce qu'on appelle aussi la fabrication soustractive (subtractive manufacturing), par opposition à la fabrication additive, où un ajout contrôlé de matière est utilisé.

Exactement ce que la partie « contrôlée » de la définition implique peut varier, mais cela implique généralement l'utilisation d'outils machines.

L'usinage fait partie de la fabrication de nombreux produits métalliques, mais il peut aussi être utilisé sur d'autres matériaux comme le bois, le plastique, la céramique et les matériaux composites. Une personne spécialisée en usinage est appelée un usineur (machinist).

Une pièce, un bâtiment ou une entreprise où l'usinage est fait s'appelle un atelier d'usinage (machine shop). Une grande partie de l'usinage moderne est réalisée par commande numérique par ordinateur (CNC), où des ordinateurs contrôlent le mouvement et l'opération des fraiseuses, tours et autres machines de coupe. Cela augmente l'efficacité, car la machine CNC fonctionne sans opérateur, réduisant ainsi les coûts de main-d'œuvre pour les ateliers.

Quels sont les différents types d'usinage ?

Les trois procédés d'usinage principaux sont classés comme le tournage, le perçage et le fraisage. D'autres opérations tombant dans des catégories diverses incluent le dressage, le planeage, l'alésage, le brochage et le sciage. Ce sont :

• Tournage (Turning) – Le tournage ou le tour (Lathing) implique la rotation de la pièce sur une machine, tandis qu'un outil de coupe à un seul tranchant reste stationnaire. L'outil de coupe est lentement déplacé parallèlement à l'axe de rotation de la pièce, enlevant de la matière au fur et à mesure.
• Perçage (Drilling) – Le perçage résulte en la création d'un trou rond en faisant tourner un outil cylindrique parallèle à l'axe de rotation de la pièce. Le trou créé a un diamètre égal à celui de l'outil utilisé.
• Fraisage (Milling) – Le fraisage est le procédé d'enlèvement de matière, en utilisant des fraises rotatives, d'une pièce dans un mouvement d'avance perpendiculaire à l'axe de rotation de l'outil de coupe. C'est l'une des formes d'usinage les plus courantes utilisées aujourd'hui.
• Opérations diverses sont des opérations qui, strictement parlant, peuvent ne pas être des opérations d'usinage dans le sens où elles ne produisent pas de copeaux, mais ces opérations sont effectuées sur une machine-outil typique. Le brunissage (burnishing) est un exemple d'opération diverse. Le brunissage ne produit pas de copeaux mais peut être effectué sur un tour, une fraiseuse ou une perceuse.

Comment fonctionne l'usinage ?

Une pièce brute nécessitant de l'usinage devra avoir de la matière enlevée pour créer un produit fini. Un produit fini serait une pièce qui répond aux spécifications définies pour cette pièce par des dessins d'ingénierie ou des plans.

Par exemple, une pièce peut être requise pour avoir un diamètre extérieur spécifique. Un tour est un outil machine qui peut créer ce diamètre en faisant tourner une pièce métallique pour qu'un outil de coupe puisse enlever le métal, créant une surface lisse et ronde correspondant au diamètre et à la finition de surface requis.

Une perceuse peut être utilisée pour enlever le métal sous forme de trou cylindrique. D'autres outils qui peuvent être utilisés pour divers types d'enlèvement de métal sont les fraiseuses, scies et machines à rectifier. Beaucoup de ces mêmes techniques sont utilisées dans le travail du bois.

Des techniques d'usinage plus récentes et avancées incluent l'usinage de précision CNC, l'électroérosion (EDM), l'électrochimie (ECM), la découpe laser ou la découpe au jet d'eau pour façonner des pièces métalliques.

Dans le développement de produits moderne, l'usinage est le plus souvent fait en utilisant une machine CNC, qui signifie Computer Numeric Control (Commande Numérique par Calculateur). En substance, la machine utilise un logiciel pour prendre des modèles de conception CAO et tracer des trajectoires d'outils, transformant les conceptions en pièces usinées 3D. La CNC peut créer des pièces à partir d'une grande variété de matériaux, en divers types de finitions, avec des tolérances créées au plus proche de 0,001 pouce (0,025 mm) à partir de matériau plein.

Contrairement au prototypage rapide, les pièces sont usinées en utilisant de vrais matériaux reflétant la densité, la finition et la porosité du design fini. Les pièces usinées peuvent être utilisées pour des tests représentatifs, des modèles incluant des composants coulissants où le frottement est un facteur, et pour des composants étanches nécessitant des joints toriques et surfaces de joints.

Maintenant que nous savons ce qu'est l'usinage et comment il se fait, nous savons que l'usinage est fait par des outils d'usinage, alors apprenons les différents outils d'usinage et leurs utilisations.

Qu'est-ce qu'un outil machine ?

Un outil machine est une machine pour manipuler ou usiner du métal ou d'autres matériaux rigides, généralement par coupe, alésage, rectification, cisaillement, ou autres formes de déformation. Les outils machines emploient une sorte d'outil qui fait la coupe ou le façonnage.

Tous les outils machines ont un moyen de contraindre la pièce et fournissent un mouvement guidé des parties de la machine. Ainsi, le mouvement relatif entre la pièce et l'outil de coupe (ce qu'on appelle la trajectoire d'outil ou toolpath) est contrôlé ou contraint par la machine au moins dans une certaine mesure, plutôt que d'être entièrement « à main levée » ou « à main libre ».

C'est une machine de coupe de métal motorisée qui assiste dans la gestion du mouvement relatif nécessaire entre l'outil de coupe et la pièce qui change la taille et la forme du matériau de la pièce.

La définition précise du terme outil machine varie parmi les utilisateurs, comme discuté ci-dessous. Bien que tous les outils machines soient « des machines qui aident les gens à faire des choses », toutes les machines d'usine ne sont pas des outils machines.

Aujourd'hui, les outils machines sont généralement alimentés autrement que par le muscle humain (ex : électriquement, hydrauliquement, ou via arbre de transmission), utilisés pour fabriquer des pièces (composants) de diverses façons incluant la coupe ou certains autres types de déformation. Avec leur précision inhérente, les outils machines ont permis la production économique de pièces interchangeables.

Différents types d'outils machines et technologies

Types d'outils machines (conventionnels)

Il existe de nombreux types d'outils machines, et ils peuvent être utilisés seuls ou en conjonction avec d'autres outils à diverses étapes du processus de fabrication pour atteindre la géométrie de pièce prévue. Les principales catégories d'outils machines sont :

• Outils d'alésage : Ce sont généralement des équipements de finition utilisés pour agrandir des trous préalablement percés dans le matériau.
• Outils de coupe : Des dispositifs tels que scies et cisailles sont des exemples typiques d'outils de coupe. Ils sont souvent utilisés pour couper du matériau avec des dimensions prédéterminées, comme de la tôle, dans une forme désirée.
• Outils de perçage : Cette catégorie consiste en des dispositifs rotatifs à deux tranchants qui créent des trous ronds parallèles à l'axe de rotation.
• Outils de rectification : Ces instruments appliquent une meule rotative pour obtenir une finition fine ou pour faire de légères coupes sur une pièce.
• Outils de fraisage : Un outil de fraisage utilise une surface de coupe rotative avec plusieurs lames pour créer des trous non circulaires ou découper des designs uniques hors du matériau.
• Outils de tournage : Ces outils font tourner une pièce sur son axe pendant qu'un outil de coupe la façonne. Les tours sont le type d'équipement de tournage le plus courant.

Technologies d'usinage par combustion (brûlage)

Les outils machines de soudage et de combustion utilisent la chaleur pour façonner une pièce. Les types les plus courants de technologies d'usinage par combustion incluent :

• Découpe laser : Une machine laser émet un faisceau étroit de lumière à haute énergie qui fond, vaporise ou brûle efficacement le matériau. Les lasers CO2 et Nd:YAG sont les types les plus courants utilisés en usinage. Le procédé de découpe laser est bien adapté pour façonner l'acier ou graver des motifs dans une pièce. Ses avantages incluent des finitions de surface de haute qualité et une précision de coupe extrême.
• Découpe oxy-combustible : Aussi appelée découpe au gaz, cette méthode d'usinage emploie un mélange de gaz combustibles et d'oxygène pour fondre et couper le matériau. L'acétylène, l'essence, l'hydrogène et le propane servent fréquemment de médias gazeux en raison de leur forte inflammabilité. Les avantages de cette méthode incluent une grande portabilité, une faible dépendance aux sources d'énergie primaires, et la capacité de couper des matériaux épais ou durs, comme les aciers robustes.
• Découpe plasma : Les chalumeaux plasma tirent un arc électrique pour transformer un gaz inerte en plasma. Ce plasma atteint des températures extrêmement élevées et est appliqué à la pièce à haute vitesse pour fondre la matière indésirable. Le procédé est souvent utilisé sur les métaux électriquement conducteurs qui nécessitent une largeur de coupe précise et un temps de préparation minimal.

Technologies d'usinage par érosion

Alors que les outils de combustion appliquent de la chaleur pour fondre l'excédent de matière, les dispositifs d'usinage par érosion utilisent l'eau ou l'électricité pour éroder la matière de la pièce. Les deux principaux types de technologies d'usinage par érosion sont :

• Découpe au jet d'eau : Ce procédé utilise un jet d'eau à haute pression pour couper à travers le matériau. De la poudre abrasive peut être ajoutée au jet d'eau pour faciliter l'érosion. La découpe au jet d'eau est généralement utilisée sur des matériaux qui peuvent subir des dommages ou une déformation d'une zone affectée par la chaleur.
• Électroérosion (EDM) : Aussi appelée usinage par étincelles, ce procédé utilise des décharges d'arc électrique pour créer des micro-cratères qui résultent rapidement en coupes complètes. L'EDM est utilisé dans des applications nécessitant des formes géométriques complexes dans des matériaux durs et à tolérances serrées. L'EDM nécessite que le matériau de base soit électriquement conducteur, ce qui limite son utilisation aux alliages ferreux.

Usinage CNC

L'usinage à commande numérique par ordinateur (CNC) est une technique assistée par ordinateur qui peut être utilisée en conjonction avec une large gamme d'équipements. Elle nécessite un logiciel et une programmation, généralement en langage G-code, pour guider un outil machine dans le façonnage de la pièce selon des paramètres prédéfinis.

Contrairement aux méthodes guidées manuellement, l'usinage CNC est un procédé automatisé. Certains de ses avantages incluent :

• Cycles de production élevés : Une fois la machine CNC correctement programmée, elle a généralement besoin de peu de maintenance ou d'arrêt, permettant un taux de production plus rapide.
• Coûts de fabrication bas : Grâce à sa vitesse de rotation et ses faibles besoins en main-d'œuvre manuelle, l'usinage CNC peut être un procédé rentable, particulièrement pour les séries de production à haut volume.
• Production uniforme : L'usinage CNC est généralement précis et produit un haut niveau de cohérence de conception parmi ses produits.

Usinage de précision

Tout procédé d'usinage qui requiert des tolérances de coupe anormalement petites (entre 0,013 mm et 0,0005 mm, comme règle générale) ou des finitions de surface plus fines que 32T (Ra ≈ 0,8 µm) peut être considéré comme une forme d'usinage de précision. Comme l'usinage CNC, l'usinage de précision peut être appliqué à un grand nombre de méthodes de fabrication et d'outils.

Des facteurs tels que la rigidité, l'amortissement et la précision géométrique peuvent influencer l'exactitude de la coupe d'un outil de précision. Le contrôle du mouvement et la capacité de la machine à répondre à des avances rapides sont aussi importants dans les applications d'usinage de précision.

Quels sont les avantages de l'usinage ?

Il y a plusieurs avantages de l'usinage :

1. Fiabilité

Le processus d'usinage se déroule continuellement sans aucune panne malgré l'heure ou le jour de la semaine. Les copeaux et les matières premières sont convertis en produits finis et mis sur le marché comme des outils de haute qualité. Les pannes sont très minimes car elles peuvent survenir lors de la maintenance ou pendant une réparation. Les machines fonctionnent de manière fiable ; peu importe que ce soit un jour de semaine, un week-end ou un jour férié.

2. Nécessite moins de main-d'œuvre humaine

Grâce au développement de la technologie, l'usinage dans les industries manufacturières est automatisé. Le processus est principalement contrôlé par des ordinateurs ou des robots qui réduisent généralement les coûts de production en éliminant la main-d'œuvre humaine. Pendant l'ajout contrôlé de matière, le processus nécessite une supervision et une surveillance minimales pour des fins de maintenance.

3. Haute production

Le processus apporte une haute productivité car ils font généralement une quantité massive de travail comme le perçage, la meilleure finition de surface, le fraisage et le tournage en une période relativement courte.

4. Produits identiques

Les produits finis, comme les métaux coupés, sont homogènes et ont très peu ou pas d'erreurs malgré le taux de production élevé. En conséquence, les produits deviennent commercialisables grâce à leur qualité améliorée.

5. Augmenter le profit et réduire les efforts

Une autre excellente raison pour usiner vos dispositifs métalliques est d'aider à augmenter les profits et réduire les efforts. Certains peuvent se demander, comment l'usinage se rapporte-t-il aux profits accrus ? Le fait est que l'usinage rend les dispositifs un peu plus chers, mais d'un autre côté, c'est très bénéfique.

Avec un métal qui a subi l'usinage, vous ne réduirez pas seulement le coût de production, mais vous gagnerez aussi beaucoup de temps et d'efforts. Malgré cet avantage, il est toujours conseillé, si vous voulez en acheter un, de vérifier si la machine est correcte et sans erreur pendant son fonctionnement.

6. Efficacité améliorée

L'usinage est l'un de ces meilleurs moyens qui peuvent aider à augmenter l'efficacité sur vos métaux. Quand on usine les métaux, ils sont toujours équipés de détecteurs d'assurance qualité internes. Cela apporte beaucoup d'efficacité en termes d'augmentation de la vitesse de production des métaux et d'assurance d'une bonne utilisation des matières premières.

De plus, l'usinage est toujours considéré comme une manière remarquable d'assurer des normes de haut niveau de travail des métaux et de fabrication de pièces. En plus de l'efficacité accrue, l'usinage est considéré comme l'un des moyens de réduire les coûts de dépenses.

C'est grâce à sa capacité à réduire le coût de consommation ; donc, réduisant le gaspillage d'argent. En bref, il réduit les dépenses ; ainsi, s'ajoutant aux avantages de la réalisation du processus d'usinage.

7. Précision accrue

La plupart des métaux qui subissent l'usinage sont utilisés dans les industries manufacturières. Cela inclut les endroits qui nécessitent des procédés de tournage et fraisage manuels. Ils peuvent aussi être utilisés dans le secteur de la santé, mais le point à noter ici, tous ces secteurs impliquent beaucoup de précision.

Sur ce, ils se tournent vers des métaux qui ont subi l'usinage en raison de leur niveau de précision. C'est une preuve claire de la façon dont l'usinage est essentiel pour assurer une précision accrue sur vos métaux, ce qui se traduit par une précision dans l'accomplissement de vos tâches.