Usinage conventionnel vs non-conventionnel : techniques, applications et avantages

Il existe diverses façons ou techniques d'usinage classées en conventionnel et non-conventionnel. La production ou fabrication peut être simplement définie comme des processus d'ajout de valeur dans lesquels des matières premières de faible utilité et valeur sont converties en produits de haute utilité et valeur avec des dimensions, formes et finitions définies conférant une capacité fonctionnelle en raison de propriétés matérielles inadéquates et de taille, forme et finition médiocres ou irrégulières.

Dans cet article, vous découvrirez les types conventionnels et non-conventionnels de processus d'usinage et leurs opérations.

Types de processus d'usinage

Les processus d'usinage sont classés en deux : 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. Cette méthode est également connue sous le nom d'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 :

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. (1) cylindrique extérieur, (2) cylindrique intérieur, (3) sans centre, (4) surface, (5) à main, (6) spécial, et (7) rectifieuses à bande abrasive sont quelques-uns des types de rectifieuses les plus courants.

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. Les planes sont similaires aux raboteuses ; cependant, elles peuvent traiter des pièces plus longues. Certaines planes peuvent couper des pièces aussi longues que 50 pieds. La pièce est maintenue en place par une table alternative qui la déplace sous un outil de coupe. Après chaque course de coupe, cet outil, qui reste stationnaire pendant la course de coupe, avance automatiquement dans la pièce.

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. Les fraiseuses se déclinent en une gamme de styles, qui peuvent être classés comme suit : (1) machines standard à genou et colonne, y compris versions horizontales et verticales ; (2) machines de type lit ou de production ; et (3) fraiseuses à usage spécial.

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)

Dans n'importe quel matériau, le processus EBM est utilisé pour couper des trous et rainures fins. Un faisceau d'électrons à haute vélocité est focalisé sur une pièce dans une chambre à vide. Lorsque les électrons entrent en collision avec une pièce, leur énergie cinétique est convertie en chaleur, qui vaporise de petites portions du matériau. En raison des collisions avec les molécules de gaz, les électrons ne se dispersent pas dans le vide. 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'EDM est le processus de désintégration de matériaux conducteurs d'électricité tels que l'acier trempé ou le carbure en dirigeant des décharges d'étincelles électriques à haute fréquence depuis un graphite ou un outil en métal tendre, qui sert d'électrode. 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. La pièce sert d'anode et est séparée de l'outil, qui fonctionne comme cathode, par un écart de 0,001 à 0,030 pouce (0,025 à 0,75 millimètre). L'électrolyte, généralement une solution saline aqueuse, est versé à travers l'inter-électrode sous pression, évacuant le métal dissous de la pièce. 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)

Un flux d'atomes chargés (ions) de gaz inerte, comme l'argon, est accéléré par de hautes énergies dans un vide et dirigé vers une pièce solide dans l'IBM. En fournissant de l'énergie et de la quantité de mouvement aux atomes sur la surface de l'objet, le faisceau enlève des atomes de la pièce. Lorsqu'un atome entre en collision avec un groupe d'atomes sur une pièce, entre 0,1 et 10 atomes sont délogés du matériau de la pièce. L'IBM est utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs et dans 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. Le perçage laser de diamants pour être utilisés comme filières pour le tirage de fil est une application populaire. Le perçage et la découpe de céramiques et de substrats pour circuits intégrés sont également réalisés au laser, et l'industrie aérospatiale utilise des lasers à commande numérique pour couper des profils et percer des trous dans des pièces de moteur.

Usinage par arc plasma (PAM)

Le PAM est une technique de chalumeau à arc plasma, ou arc à gaz inerte au tungstène, pour couper le métal. Le chalumeau tire un jet à haute vélocité de gaz ionisé à haute température (plasma) qui coupe la pièce en la fondant et en déplaçant le matériau. La zone de plasma peut atteindre des températures de 20 000° à 50 000° F (11 000° à 28 000° C). 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)

Dans l'USM, le matériau est enlevé d'une pièce en faisant vibrer des particules abrasives dans une bouillie d'eau circulant dans un espace étroit entre un outil vibrant et la pièce à haute fréquence. L'outil, qui a la forme de la cavité à créer, oscille à 19 000 à 40 000 hertz avec une amplitude d'environ 0,0005 à 0,0025 pouce (0,013 à 0,062 millimètre) (cycles par seconde). L'outil enlève le matériau en faisant vibrer les grains abrasifs contre la surface de la pièce. L'usinage par ultrasons est généralement utilisé pour couper des matériaux durs et fragiles qui peuvent ou non être conducteurs électriques ou isolants.

La découpe de matériaux semi-conducteurs (comme le germanium), la gravure, le perçage de trous fins dans le verre, et l'usinage de céramiques et de pierres précieuses sont toutes des applications fréquentes de l'USM. Le perçage à ultrasons est une version modifiée de la procédure dans laquelle un outil à ultrasons est tourné contre une pièce sans besoin de bouillie abrasive. Ce type d'USM a percé des trous aussi petits que 80 micromètres.

Usinage chimique (CHM)

En utilisant une action chimique contrôlée, cette technique non-électrique élimine le métal de zones spécifiques ou générales. Du ruban de masquage peut être utilisé pour protéger les zones qui ne doivent pas être enlevées. La procédure est similaire à celle utilisée pour créer des plaques d'impression et de gravure métalliques. Le découpage chimique, utilisé pour couper des ébauches de composants métalliques minces, et le fraisage chimique, utilisé pour enlever le métal de sections sélectionnées ou globales de pièces métalliques, sont deux types de techniques d'usinage chimique.

Usinage photochimique (PCM)

Le PCM est une branche du CHM qui utilise une combinaison de techniques photographiques et de gravure chimique pour créer des composants et dispositifs dans une variété de métaux, particulièrement l'acier inoxydable.

Usinage par jet d'eau

L'eau est projetée à travers de petites buses à des pressions extrêmement élevées pour couper des matériaux incluant polymères, maçonnerie et papier dans le processus d'usinage par jet d'eau. L'usinage par jet d'eau présente plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes : il ne produit pas de chaleur, la pièce ne se déforme pas pendant l'usinage, le processus peut commencer n'importe où sur la pièce, aucune préparation pré-usinage n'est requise, et la procédure produit des bavures minimales. Pour améliorer le rythme d'enlèvement de matériau, un abrasif est parfois ajouté à l'eau, surtout dans les opérations de finition. Lors de l'utilisation de cette approche, l'industrie offshore utilise l'eau de mer comme fluide de travail.

Ceci conclut cet article où les différents types de processus d'usinage conventionnel et non-conventionnel sont discutés. J'espère que vous avez beaucoup appris de la lecture. Si c'est le cas, partagez avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture, à bientôt !