Maîtriser l'usinage : procédés, outils et applications

L'usinage est une technique de retrait de matériau contrôlée qui découpe un matériau (généralement du métal) pour lui donner une forme et une taille finales spécifiques. La fabrication soustractive désigne les procédés ayant ce schéma commun, par opposition à la fabrication additive qui implique l'addition contrôlée de matériau. La signification précise de l'élément « contrôlé » de l'expression varie, bien qu'elle implique fréquemment l'utilisation de machines-outils.

L'usinage sert à fabriquer de nombreux objets métalliques, mais peut également être utilisé pour le bois, le plastique, la céramique et les composites. Un usineur est une personne spécialisée dans l'usinage. Un atelier d'usinage est un local, un bâtiment ou une entreprise où l'usinage est effectué. La commande numérique par ordinateur (CNC), qui utilise des ordinateurs pour contrôler le mouvement et le fonctionnement de fraiseuses, tours et autres équipements de coupe, est largement utilisée dans l'usinage moderne. Cela améliore l'efficacité en permettant à la machine CNC de fonctionner sans surveillance, réduisant les coûts de main-d'œuvre pour les ateliers.

Dans cet article, vous découvrirez la définition, les applications, le but et les fonctions, le diagramme, les types, les opérations, le fonctionnement, les avantages et les inconvénients du processus d'usinage. Vous serez également initié au terme « machine-outil ».

Qu'est-ce qu'un processus d'usinage ?

L'usinage est le processus de mise en forme et de dimensionnement des matériaux selon une forme et une taille spécifiques. Généralement, l'usinage se rapporte au travail des métaux, bien qu'il puisse également désigner la fabrication de bois, plastique, céramique, pierre et autres matériaux. Si vous avez des matières premières que vous souhaitez façonner selon une forme précise pour un usage spécifique, vous utiliserez des procédés d'usinage pour y parvenir. Écrous et boulons, pièces de véhicules, brides, forets, plaques et une gamme d'autres équipements et objets utilisés dans diverses industries sont des exemples de produits usinés.

L'usinage peut aussi être considéré comme une technique de finition cruciale dans laquelle les tâches sont créées avec les dimensions et la finition de surface appropriées en éliminant progressivement l'excès de matériau du brut préparé sous forme de copeaux à l'aide d'un ou plusieurs outils de coupe poussés à travers la surface de travail. Une machine-outil est un équipement motorisé qui enlève l'excès de matériau sous forme de copeaux pour dimensionner, façonner et traiter un produit selon la précision désirée. Tours, perceuses, fraiseuses, raboteuses, etc. sont des exemples de machines-outils. Enfin, pour enlever le matériau de la surface de la pièce, un outil de coupe est utilisé. Il doit être plus dur que la pièce pour effectuer l'opération. Les outils de coupe se divisent en deux catégories : à pointe unique et à pointes multiples.

But

La plupart des composants techniques, tels que les engrenages, roulements, embrayages, outils, vis et écrous, nécessitent une exactitude dimensionnelle et formelle ainsi qu'un bon poli de surface pour fonctionner correctement. Des techniques comme le moulage et le forgeage, par exemple, ne peuvent pas atteindre la précision et le poli requis. De telles pièces préparées, appelées bruts, nécessitent une semi-finition et une finition, accomplies par usinage et rectification. La rectification est essentiellement similaire à l'usinage. Un usinage à haut degré de précision et de finition permet à un produit de : répondre à ses exigences fonctionnelles, augmenter ses performances, prolonger sa durée de vie.

Diagrammes de machines-outils ci-dessous.

Types de processus d'usinage

Les processus d'usinage sont classés en deux catégories : usinage conventionnel et non-conventionnel.

Usinage conventionnel :

Un processus d'usinage conventionnel est celui où l'usinage est effectué de manière traditionnelle, c'est-à-dire sans l'utilisation de méthodes sophistiquées. C'est pourquoi cette méthode est également appelée usinage traditionnel. Des outils de coupe à pointe aiguë, comme l'outil conique dans le tour pour le conage, sont employés dans cette technique. Voici les types de processus d'usinage conventionnel et leurs opérations :

Machine à tourner

Le tour à métaux horizontal, souvent appelé tour à moteur, est le plus important de tous les outils machines. Nombre de ses principes mécaniques fondamentaux sont inclus dans la conception d'autres outils machines, ce qui en fait le père de tous les autres outils machines. Le tour à moteur est un outil machine simple utilisable pour une gamme d'opérations incluant le tournage, le dressage et le perçage. Il tourne et alèse avec un outil de coupe à pointe unique. Les procédures de tournage incluent le tournage de formes cylindriques droites ou coniques, rainures, épaulements et filets, ainsi que le dressage de surfaces planes aux extrémités de pièces cylindriques, et impliquent la coupe de métal excédentaire du diamètre extérieur d'une pièce sous forme de copeaux. La plupart des opérations courantes d'usinage de trous, telles que perçage, alésage, alésoir, suralésage, fraisage de chaumure et filetage avec un outil à pointe unique ou un taraud, sont incluses dans les opérations cylindriques internes.

Machines à rectifier

Les rectifieuses utilisent une meule abrasive rotative, également appelée meule ou bande abrasive, pour enlever de minuscules copeaux de pièces métalliques. La rectification est la plus précise de toutes les techniques d'usinage de base. Des objets durs ou tendres sont rectifiés avec des tolérances de plus ou moins 0,0001 pouce (0,0025 millimètre) à l'aide de rectifieuses modernes.

Raboteuses et planes

Des outils à pointe unique sont utilisés pour usiner des surfaces planes, rainures, épaulements, rainures en T et surfaces angulaires lors des opérations de raboutage et de planage. Les plus grandes raboteuses peuvent traiter des composants jusqu'à 36 pouces de long et ont une course de coupe de 36 pouces. L'outil de coupe de la raboteuse oscille, coupant sur la course d'avance et avançant automatiquement la pièce vers l'outil sur la course de retour.

Fraiseuses

Dans ces types de processus d'usinage, la pièce est avancée contre un outil de coupe rotatif appelé fraise dans une fraiseuse, qui coupe le métal. Pour une large gamme d'opérations de fraisage, des fraises de diverses formes et tailles sont offertes. Surfaces planes, rainures, épaulements, surfaces inclinées, queues d'aronde et rainures en T sont toutes coupées avec des fraiseuses. Pour couper des formes concaves et des rainures convexes, arrondir les coins et couper des dents d'engrenages, divers fraises à denture de forme sont utilisés.

Machines à percer

Les perceuses, également appelées presses à percer, utilisent un foret hélicoïdal pour faire des trous dans le métal. Elles emploient également une gamme d'autres outils de coupe pour accomplir des opérations de base d'usinage de trous comme l'alésage, le suralésage, le fraisage de chaumure et le taraudage de filets internes avec un accessoire de taraudage.

Presses

Cisaillement, découpage, formage, emboutissage, pliage, forgeage, estampage, bourrage, bordage, compression et martelage sont quelques-unes des opérations utilisées pour fabriquer des pièces métalliques. Toutes ces opérations nécessitent des presses ayant un bélier mobile pouvant être pressé contre une enclume ou une base. La gravité, des liaisons mécaniques, des systèmes hydrauliques ou pneumatiques peuvent tous être utilisés pour alimenter le bélier mobile.

Usinage non-conventionnel :

Les processus d'usinage traditionnels reposent sur l'idée que l'outil est plus dur que la pièce. Cependant, certains matériaux sont trop durs ou fragiles pour être usinés par des procédés traditionnels. L'utilisation d'alliages de nickel et de titane extrêmement durs dans les moteurs d'aviation, par exemple, a suscité l'intérêt pour les techniques d'usinage non-traditionnelles, notamment les « méthodes électriques ». Voici les différents types de techniques d'usinage non-conventionnel :

Usinage par faisceau d'électrons (EBM)

L'EBM peut couper des trous aussi petits que 0,001 pouce (0,025 mm) de diamètre ou des rainures aussi étroites que 0,001 pouce dans des matériaux d'une épaisseur allant jusqu'à 0,250 pouce (6,25 millimètres). Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'EBM est également employé comme alternative aux méthodes de production par optique lumineuse.

Usinage par décharge électrique (EDM)

L'électrode et la pièce sont immergées dans un liquide diélectrique, et un mécanisme d'avance maintient un écart d'étincelle entre l'électrode et la pièce de 0,0005 à 0,020 pouce (0,013 à 0,5 millimètre). Les particules sont évacuées alors que les décharges d'étincelles fondent ou évaporent de petites particules de la pièce, et l'électrode avance. La procédure est utilisée pour usiner des matrices, moules, trous, rainures et cavités de pratiquement n'importe quelle forme. Elle est précise mais lente.

Usinage électrochimique (ECM)

L'ECM reproduit l'électrodéposition à l'envers. Dans ce processus, le métal est dissous d'une pièce avec un courant continu à un taux contrôlé dans une cellule électrolytique. L'anode (pièce) est usinée sous une forme complémentaire alors qu'une électrode se rapproche de l'autre pour maintenir un espacement constant. L'absence d'usure de l'outil et la capacité à traiter une pièce plus dure avec un outil cathodique plus tendre sont deux avantages de l'ECM. L'ECM est utilisé dans les industries des moteurs d'avion et automobile pour l'ébavurage, le perçage de petits trous et l'usinage de pales de turbine exceptionnellement dures, entre autres.

Usinage par faisceau d'ions (IBM)

L'IBM est utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs et la production de lentilles asphériques car il permet un usinage précis de presque tous les matériaux. Texturer les surfaces pour améliorer l'adhérence, produire des surfaces atomiquement propres sur des dispositifs comme les miroirs laser, et modifier l'épaisseur de couches minces sont autant d'exemples d'applications de cette technologie.

Usinage laser (LM)

Le LM est une technique pour couper le métal ou les matériaux réfractaires qui implique la fusion et la vaporisation du matériau avec un faisceau laser intense. Le perçage laser est utilisé pour couper des trous microscopiques (0,005 à 0,05 pouce [0,13 à 1,3 millimètre]) dans des matériaux trop durs pour être traités par des méthodes standard, bien qu'il soit énergivore car la substance doit être fondue et vaporisée pour être enlevée.

Usinage par arc plasma (PAM)

La plupart des métaux, y compris ceux qui ne peuvent pas être coupés avec succès avec un chalumeau oxyacétylénique, peuvent être coupés avec cette méthode. La technique PAM a été utilisée pour couper des alliages d'aluminium jusqu'à six pouces (15 centimètres) d'épaisseur et de l'acier inoxydable jusqu'à quatre pouces (10 centimètres) d'épaisseur en utilisant des chalumeaux robustes. La découpe de profils de plaques planes, la découpe de rainures en acier inoxydable et le tournage d'acier trempé massif sur tours sont toutes des applications de cette procédure.

D'autres méthodes de processus d'usinage non-conventionnel incluent :

• Usinage par ultrasons (USM)
• Usinage chimique (CHM)
• Usinage photochimique (PCM)
• Usinage par jet d'eau

Regardez la vidéo ci-dessous pour apprendre comment fonctionnent les processus d'usinage :

Avantages et inconvénients des processus d'usinage conventionnel et non-conventionnel

Avantages de l'usinage conventionnel

Voici quelques-uns des avantages du processus d'usinage :

• Il est presque impossible d'obtenir un haut niveau de finition de surface.
• L'usinage se fait sur une variété de matériaux, y compris le bois, le plastique, les composites et la céramique.
• Filets de vis, bords très droits, trous ronds précis et autres aspects géométriques sont tous réalisables.
• Excellente précision dimensionnelle.

Inconvénients de l'usinage conventionnel

Voici les limitations du processus d'usinage :

• L'efficacité de l'opérateur détermine la justesse des composants produits.
• La fabrication manque de cohérence. Par conséquent, une inspection complète du composant est requise.
• Les exigences de l'opérateur réduisent les taux de production.
• Le problème de main-d'œuvre sera sévère en raison du volume massif de main-d'œuvre engagé.
• La fabrication de formes complexes telles que composants à courbure parabolique et composants à courbure cubique est difficile.
• Les modifications fréquentes de conception du composant ne peuvent pas être accommodées dans la disposition actuelle.

Avantages des processus d'usinage non-conventionnel

Voici les avantages des méthodes d'usinage non-conventionnel :

• Haut niveau de précision et de finition de surface.
• Comme aucun outil physique n'est utilisé, il n'y a pas d'usure d'outil.
• Ils ne produisent pas de copeaux, sans parler de copeaux minuscules.
• Ils sont plus silencieux en fonctionnement.
• Faciles à automatiser.
• Capables d'usiner toute forme complexe.

Inconvénients des processus d'usinage non-conventionnel

Voici les limitations de l'usinage non-conventionnel :

• Coûts initiaux ou de mise en place élevés.
• Main-d'œuvre hautement qualifiée nécessaire.
• Taux d'enlèvement de métal plus faible.
• L'usinage nécessite plus de puissance.
• Non rentable pour les fabricants à grande échelle.

Conclusion

Les processus d'usinage ou machines-outils sont classés en procédés conventionnels et non-conventionnels. Le non-conventionnel représente simplement les nouvelles méthodes d'usinage tandis que le conventionnel est l'ancienne méthode que nous avons listée : tournage, perçage, rectification, raboutage, planage, etc. Ceci conclut cet article où la définition, applications, but, diagramme, types, opérations, avantages et inconvénients du processus d'usinage sont discutés.

J'espère que vous avez beaucoup appris de cette lecture. Si c'est le cas, partagez avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture, à bientôt !