Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université Saad Dahlab Blida1 Faculté de Technologie Département de Mécanique Cours de Fabrication Mécanique (S4 Licence Génie Mécanique) Réalisé par : Dr Melzi Nesrine Avril 2020 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Sommaire Chapitre 1 : Théorie de la coupe des métaux 1.1 Généralités : ………………………………………………………………………………. 01 1.2 Matériaux de coupe :……………………………………………………………………… 02 1.3 Géométrie des outils de coupe :…………………………………………………………… 04 1.4 Mécanisme de formation de copeau :…………………………………………………….. 10 1.5 Efforts de coupe :…………………………………………………………………………. 13 1.6 Echauffement (Température de coupe) :….…………………………………………..... 17 1.7 Endommagement des outils de coupe :…………………………………………………… 19 1.8 Méthodologie de choix des paramètres de coupe :……………………………………….. 22 Chapitre 2 : Technologies des machines-outils 2.1 Mouvements de coupe...…………………………………………………………………. 28 2.2 Caractérisation d’une machine-outil (principaux organes)……………………………….. 35 2.3 Chaines cinématiques :………………………………………………………………. 41 2.3.1 Liaisons mécaniques et degrés de libertés:………………………………………… 41 2.3.2 Chaines et schémas cinématiques d’un système mécanique :……………………… 44 2.4 Mécanismes de transmission de mouvements :……………………………………… 47 2.5 Tours, fraiseuses, rectifieuses, perceuses, brocheuses et étaux limeurs :………….. 50 Bibliographie :……………………………………………………………………………… 61 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Chapitre 1 : Théorie de la coupe des métaux 1.1 Généralités : Les fabrications mécaniques sont les moyens les plus fiables pour obtenir des pièces de précision, à partir de pièces moulées, extrudées ou forgées. Aussi, leurs rôles est de confectionner, maintenir en état et réparer tous mécanismes courants. Le processus consiste à transformer des matériaux reçus dans une forme de produit brut pour réaliser des pièces finies conformes au dessin de définition. Les pièces mécaniques, une fois réalisées, seront réunies et assemblées entre elles pour constituer un mécanisme. Celles-ci sont obtenues par plusieurs procédés. Actuellement et dans le domaine de la construction mécanique, le rôle de la fabrication mécanique est devenu très important du fait que la production ne cesse de faire appel à de nouveaux matériaux et de nouvelles machines. De l’ère de la machine outil classique, en passant par les machines outil à commande numérique, on assiste actuellement à l’émergence de nouvelles machines outil d’usinage 5 axes, qui répondent sans cesse aux besoins de cette production. Figure 1.1 : Matières brutes 1 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 1.2 : Pièces finies 1.2 Matériaux de coupe : Selon la définition de Larousse, un matériau est une substance utilisée pour la construction des objets, machines, bâtiments, etc.…. On a : Procédés d’élaboration Microstructure Matériau Propriétés Performances Le choix d’un matériau dépend de plusieurs caractéristiques. Celles-ci sont : mécaniques, physicochimiques, mise en œuvre et économiques : Caractéristiques mécaniques : limite élastique, masse, dureté, résilience, etc..… Caractéristiques physico-chimiques : comportement à la corrosion, vieillissement, etc..… Caractéristiques de mise en œuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité, etc..… Caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle, etc..… 2 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique On peut regrouper les matériaux en familles : METAUX : Ferreux (Fontes et aciers) et Non ferreux (Alliages : aluminium, Cuivre, etc..…). Figure 1.3 : Métaux ferrux et non ferreux ORGANIQUES : Naturels (Bois, caoutchouc, etc..…) et Synthétiques (Thermoplastiques, thermodurcissables, etc..…). Figure 1.4 : Matériaux organiques MINERAUX : Roches, Céramiques ou des verres. Figure 1.5 : Matériaux minéraux COMPOSITES : Figure 1.6 : Matériaux composites 3 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique 1.3 Géométrie des outils de coupe : Les outils de coupe permettent d’enlever le copeau. La géométrie de l’outil influe directement sur les formes usinables sur la pièce. Les principales caractéristiques géométriques de l’outil ont un rôle important dans la formation et l’évacuation du copeau. Par exemple, l’angle de coupe a une influence considérable sur le comportement du matériau usiné dans la zone de formation du copeau et sur la longueur de contact outil/copeau. Certaines études ont montré que l’effort de coupe diminue quand l’angle de coupe augmente. Plus cet angle est aigu, plus la longueur de contact outil/copeau est faible. Cela induit une diminution des efforts de coupe et du coefficient de frottement et par conséquent facilite l’écoulement du copeau. Pour cela, il est nécessaire de bien définir les caractéristiques géométriques de l’outil. Celles-ci sont illustrées sur la figure suivante : Figure 1.7 : Géométrie de l’outil (cas d’une plaquette rapportée) : 1/ sans rayons, 2/ avec rayons, 3 angles de coupe. La face de coupe : face de frottement entre l’outil et le copeau. La face en dépouille : face de l’outil qui frotte sur la surface usinée. Le rayon de bec : rayon de la surface reliant deux surfaces en dépouille. Le rayon de l’arête : rayon de la surface reliant la face de coupe et la face en dépouille. 4 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique L’angle de coupe : angle entre la face de coupe et le plan horizontal contenant l’arête de coupe (il est mesuré dans un plan perpendiculaire au plan horizontal contenant l’arête de coupe). L’angle de dépouille : angle entre la face en dépouille et le plan vertical contenant l’arête de coupe (il est mesuré dans un plan vertical et perpendiculaire au plan vertical contenant l’arête de coupe). L’arête de coupe : segment ou surface reliant la face de coupe et la face en dépouille. Il existe une grande diversité d’outils de coupe. Toutefois, les principaux éléments des différents outils sont semblables. Ainsi, afin de simplifier la compréhension de différents éléments définissant un outil quelconque, nous nous baserons sur un outil de coupe en tournage. Les définitions peuvent ensuite être déduites pour tout autre type d’outil. Dans cette partie, on ne donne que les définitions nécessaires à la compréhension de phénomènes de coupe expliqués plus loin. Les définitions complètes se trouvent dans la norme ISO3002/1982. Faces et arêtes de l’outil Un outil de coupe consiste en un corps et une queue. Un corps est la partie de l’outil portant les éléments coupants ou les plaquettes. Parfois, les arêtes peuvent être taillées directement dans le corps. D’autre part, la queue de l’outil est la partie par laquelle celui-ci est maintenu. La partie de l’outil qui intervient directement dans l’opération de coupe (les arêtes, la face de coupe et la face de dépouille) est appelée partie active. On y distingue différentes faces et arêtes qui sont illustrées sur la figure suivante (les arêtes, la force de coupe et la face de dépouille). 5 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 1.8 : Eléments de l’outil (tournage) La partie de l’outil impliquée directement dans la coupe est appelée taillant. Elle est limitée par trois faces : la face de coupe le long de laquelle glisse le copeau et les deux faces de dépouille (principale et secondaire) le long desquelles passent les surfaces coupée et engendrée. On appelle une arête un bord de la face de coupe destiné à l’enlèvement de matière. Dans un outil de tournage simple, on peut distinguer une arête principale, intersection entre la face de coupe et la face de dépouille principale, et une arête secondaire, intersection entre la face de coupe et la face de dépouille secondaire. La jonction des arêtes principale et secondaire forme le bec de l’outil. Il peut être droit, arrondi ou représenter l’intersection vive des deux arêtes. Angles de l’outil : Pour faciliter l’explication des phénomènes de la coupe il est nécessaire de définir les angles ayant la plus grande influence sur lesdits phénomènes. La figure suivante illustre, dans le système de référence outil en main, les trois angles principaux du taillant, l’angle de dépouille α, l’angle de taillant β et l’angle de coupe γ. 6 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 1.9 : Angles du taillant (outil en main) La figure suivante illustre ces mêmes angles dans les systèmes de référence outil en travail : outil à taille en bout (gauche) et outil à taille de côté ou latérale (droite). Figure 1.10 : Angles du taillant (outil en travail) Globalement, l’angle de dépouille α influe sur le frottement entre l’outil et la pièce et donc la durée utile de l’outil. L’angle de coupe γ a une influence sur la manière dont s’écoule le copeau sur la face de coupe et ainsi les efforts de coupe, la puissance consommée, les dégagements de chaleur etc. L’angle de taillant β affecte la résistance à la rupture du taillant. La somme de ces trois angles est toujours égale à 90º. 𝜶 + 𝜷 + 𝜸 = 𝟗𝟎° Dans le cas où la somme de α et de β est supérieure à 90º, on parle de coupe négative (γ négatif). 7 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 1.11 : Outils de coupe (tournage et fraisage) Figure 1.12 : Outils de coupe (perçage et rectification) On trouve 2 types d’outils : Classique A pastille Figure 1.13 : Outils de coupe de tournage (classique et à pastille) 8 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 1.14 : Pastilles (outils de coupe de tournage) Figure 1.15 : Procédés d’affutage pour les outils classiques (affuteuse) Concernant les matériaux des outils de coupe, et pour résister aux sollicitations sévères que le tranchant de l’outil subit dans la coupe, la partie de celui-ci doit être constituée d’un matériau présentant des qualités particulières : Une dureté élevée pour pouvoir pénétrer dans le métal usiné, Une résistance mécanique élevée (particulièrement à la compression) pour résister aux efforts de coupe, Une résistance aux chocs pour éviter l’écaillage de l’arête de coupe (croûte de la matière usinée que se dépose sur le bec de l’outil, en formant une deuxième arête tranchante), elle détériore l’état de surface et crée un échauffement plus accentué de la partie active, Une résistance au frottement suffisamment élevée pour limiter les efforts d’usure sur les faces de coupe et de dépouille, 9 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Une conservation de la dureté à des températures élevées (500 à 4400°c), Un bon fini de la face d’attaque et de dépouille pour respecter l’état de surface demandé (un bon pierrage après chaque affûtage est souhaitable). Un bon outil doit permettre un maximum de rendement pour un minimum d’usure. Les matériaux sont classés par ordre suivant (dureté croissante) : Aciers Rapides Supérieurs (ARS), Carbures, Cermets, Céramiques, Nitrure de Bore Cubique (CBN), Diamant. 1.4 Mécanisme de formation de copeau : La coupe des métaux est un processus physique complexe qui s’accompagne de déformations plastiques et élastiques ; elle donne lieu à un frottement important (outil-pièce), au dégagement de chaleur, à la formation d’une arrête rapportée (copeau adhérant sur le bec de l’outil), à l’enroulement et au retrait du copeau, au durcissement de la pièce (surface usinée écrouie) et à l’usure de l’outil (détérioration de la partie active de l’outil). Le copeau est la partie de matière qui se détache lors de la coupe dans un procédé d'usinage. La formation du copeau est un phénomène de déformation élastique et plastique (compression) de la couche cisaillée. L'état de la surface usinée dépend des conditions de coupe. Il existe une avance en dessous de laquelle il ne faut pas descendre sous peine de n'avoir aucune formation de copeau. Cette avance minimale dépend du matériau, de la vitesse et du type d'outil utilisés, et définit le copeau minimum. Si l'avance est plus faible, il n'y a plus de coupe, mais un écrouissage qui crée un échauffement préjudiciable à l'état de surface de la pièce et à l'outil. 10 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Lorsque le copeau se déroule de manière continue, il peut s’enrouler autour de la pièce ou de l’outil. Son évacuation devient délicate et dangereuse ; l’état de surface de la pièce peut se détériorer. Il est donc important de fractionner le copeau. Souvent la face de coupe des outils utilisés en usinage est constituée d’un brise-copeaux pour favoriser un bon fractionnement du copeau. Le brise copeaux consiste en une forme de surface de coupe particulière, généralement une cuvette qui facilite le fractionnement du copeau et détermine la direction de son écoulement. La forme de brise-copeaux change d’un outil à l’autre. Figure 1.16 : Différentes formes de brise-copeaux La formation du copeau joue un rôle important sur la rugosité de la surface usinée. L’objectif de la théorie de la formation du copeau est d’étudier les principes physiques qui régissent le processus de coupe et d’établir les causes des phénomènes dont ils s’accompagnent et d’y remédier de manière à rendre l’usinage plus productif et plus économique. La déformation plastique consiste dans le glissement de certaines couches par rapport à d’autres suivant des plans de glissement qui se confondent en général avec la direction des contraintes de cisaillement maximales. Les glissements des couches du métal provoquent la modification de la forme des grains, de leurs dimensions et positions relatives. La déformation plastique s’accompagne d’un échauffement important et d’une modification des propriétés du métal. Cette modification rend le métal plus dur, on dit que le métal est écrou. Les formes du copeau varient suivant les conditions d’usinage. L’usinage des métaux plastiques (aciers) donne lieu à trois types de copeaux : continu, cisaillé et discontinu. On obtient aussi le copeau fragmenté produit par l’usinage de métaux peu plastiques (fontes, bronze,…). 11 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Le copeau continu : Il apparaît lorsque l’acier est usiné à une grande vitesse. Il s’écoule alors en forme d’une bande longue. Le copeau cisaillé : Il s’obtient lorsque l’usinage de l’acier se fait à vitesse moyenne. La face du copeau en regard de l’outil est lisse, alors que sa face opposée porte des entailles qui définissent la direction bien marquée des éléments isolés fortement liés les uns aux autres. Le copeau discontinu : Il s’obtient lors de l’usinage des métaux durs et peu ductiles, à faible vitesse de coupe. Il est composé d’éléments séparés, déformés plastiquement, peu liés ou pas liés du tout entre eux. Figure 1.17 : Copeaux La lubrification : La formation du copeau s’accompagne d’un important dégagement de chaleur dû au frottement du copeau glissant sur la face de coupe et au frottement de la pièce sur la face de dépouille de l’outil. L’échauffement de la partie active est fonction de la vitesse de coupe. Lors de l’usinage, cette partie active de l’outil doit être réduite pour ne pas entraîner sa perte de dureté. Pour éviter tous les phénomènes de chaleur, il est recommandé d’utiliser lors de l’usinage des lubrifiants ou des agents de refroidissement. Ils agissent : En diminuant le coefficient de frottement copeau-outil et outil-pièce, c’est l’effet lubrifiant, En refroidissant l’outil et la pièce pour évacuer la chaleur produite, c’est l’effet réfrigérant. 12 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique En pratique, le débit doit être abondant et fonction de la puissance absorbée. La pression doit être suffisante pour évacuer les débris métalliques et pénétrer entre la face de coupe et le copeau. C’est essentiellement la partie active de l’outil qui doit être refroidie. Parmi les produits lubrifiants, on peut citer : Eau, Huiles solubles, Huiles droites, Huiles mixtes, Huiles chimiques-additives, Composants chimiques, Lubrifiants solides. Figure 1.18 : Copeaux 1.5 Effort de coupe : Le processus d’usinage a un caractère subjectif du fait qu’il très délicat en pratique d’évaluer l’ensemble des conséquences des choix technologiques lors des différentes opérations d’usinage des différents procédés d’usinage : Tournage, fraisage, rabotage, perçage, etc….. Pour obtenir les meilleures conditions d’usinage, il faut prendre en considération 3 paramètres importants : La machine-outil, L’outil de coupe, La pièce. 13 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Lors de l’usinage, le contrôle des copeaux est l'un des paramètres les plus importants dans les opérations à effectuer ; il est essentiel pour la qualité des pièces. Il convient donc de choisir des conditions de coupe correctes et de respecter toutes les indications sur les applications pour obtenir des pièces de qualité. Figure 1.19: Qualité d’usinage Les efforts de coupe représentent les actions dues au contact de l’outil avec la pièce. Elles varient d’un procédé d’usinage à un autre. Les principales caractéristiques géométriques de l’outil ont un rôle important dans la formation et le dégagement de l’outil En prenant le cas du procédé de tournage, la coupe par chariotage longitudinal est représentée selon la figure suivante : Figure 1.20 : Décomposition des efforts de coupe 14 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Avec : 𝐹𝑡 = Effort tangentiel 𝐹𝑠 = Effort d’avance 𝐹𝑐 = Effort de coupe 𝐹𝑝 = Effort de propulsion (négligeable dans le cas d’une coupe orthogonale) Ces efforts de coupe ont été établis par un diagramme de Merchant. Figure 1.21 : Diagramme de Merchant Avec : 𝐹𝑖 = Effort de cisaillement 𝐹𝑡 = Effort tangentiel 𝐹𝑠 = Effort d’avance 𝐹𝑐 = Effort de coupe 𝐹𝑠1 = Effort parallèle à la face d’attaque 15 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique La théorie de Merchant permet de tracer un système d’effort qui explicite la formation du copeau. On a: 𝐹𝑖 = 𝐹𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝜑 – 𝐹𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝜑 𝐹𝑆1 = 𝐹𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝛾 – 𝐹𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝛾 𝐹𝑛 = 𝐹𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝛾 – 𝐹𝑠 𝑠𝑖𝑛 𝛾 L’angle de frottement dans l’interface outil-pièce est: 𝑡𝑎𝑛𝑔 τ = Et 𝐹𝑐 = 𝐹𝑠1 𝐹𝑠 + 𝐹𝑡 𝑡𝑎𝑛𝑔 𝛾 = 𝐹𝑛 𝐹𝑡 − 𝐹𝑠 𝑡𝑎𝑛𝑔 𝛾 𝐹𝑖 𝑐𝑜𝑠 (𝜏– 𝛾 + 𝜑) L’étude et l’évaluation des forces de coupe présente un intérêt en usinage principalement pour : Dimensionner les outils et les éléments de machines-outils, Maitriser l’apparition des vibrations (broutage), Evaluer la puissance de coupe. Figure 1.22 : Représentation des efforts de coupe 16 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Cette puissance de coupe, absorbée par la broche, se détermine en tenant compte des : Paramètres de coupe en fonction de la matière à usiner, Forces de coupe de l’outil sur la pièce. La pression spécifique de coupe est : 𝐾𝑐 = 𝐹𝑐 = 𝑁/𝑚𝑚2 𝐴𝑑 Avec : 𝐹𝑐 = Effort de coupe = 𝑁 La puissance de coupe est exprimée par : 𝑃𝑐 = 𝐴𝑑 . 𝐾𝑐 . 𝑉𝑐 = 𝐾𝑊 60. 103 Avec : 𝐴𝑑 = Section du copeau = 𝑚𝑚2 𝐾𝑐 = Pression spécifique de coupe = 𝑁/𝑚𝑚2 𝑉𝑐 = Vitesse de coupe = 𝑚/𝑚𝑖𝑛 1.6 Echauffement (Température de coupe) : Lors de l’usinage, la température de coupe est l’un des critères les plus pertinents du fait qu’elle influe sur la durée de vie de l’outil et qu’elle a des effets importants sur les efforts de coupe et sur l’usure de outils de coupe. L’effet de la température de coupe, particulièrement quand elle est élevée, est nuisible pour l’outil de coupe et la pièce. 17 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Température de coupe Matière à usiner Energie spécifique nécessaire Ductilité Propriétés thermiques Géométrie de l’outil Paramètres de coupe Vitesse de coupe Profondeur de passe Avance Angle de coupe Arrête de coupe Angle de dépouille Arrondi du bec de l’outil Matériaux de l’outil de coupe Fluide de coupe Propriétés thermiques Stabilité chimique Résistance à l’usure Méthodes et applications Propriétés thermiques des fluides Figure 1.23: Paramètres ayant une influence sur la température de coupe Les effets néfastes sur l’outil de coupe sont : L’usure, qui réduit la durée de vie de l’outil de coupe, La déformation plastique des arêtes de coupe si le matériau de l’outil n’est pas assez dur, Endommagement des arêtes de coupe dus aux chocs thermiques, Formation de l’arête rapportée. Les effets néfastes de la température sur la pièce : Le manque de précision des dimensions de la pièce à cause de la distorsion thermique, l’expansion et la contraction durant et après l’usinage. Endommagement de la surface par oxydation, corrosion rapide, inflammation. 18 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Il existe de nombreuses méthodes pour mesurer la température au cours de l'usinage. On peut citer : L’utilisation de thermocouples, la thermographie infrarouge, l’analyse métallographique, l’utilisation de poudres fines à température de fusion constante et l’emploi de peintures thermosensibles. Les thermocouples s’utilisent de deux façons : Thermocouples de faibles dimensions insérés dans l’outil de coupe. Thermocouple naturel formé par la pièce et l’outil eux-mêmes. Figure 1.24 : La distribution de la température à l’interface outil/copeau de l’acier XC48 (Vc=120m/min et f=0,2mm/tr) 1.7 Endommagement des outils de coupe : La durée de vie d’un outil de coupe est limitée. L’endommagement des outils de coupe est un aspect important lors de l’usinage. Il influe sur la durée de vie de l’outil de coupe et par conséquent sur le cout de l’usinage. Un changement de la géométrie des outils de coupe entraine une modification des conditions de coupe et une détérioration de l’état de surface de la pièce à usiner. Conditions de coupe Puissance absorbée Usure des outils Prix de revient de la pièce fabriquée 19 Temps de fabrication Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Les facteurs à prendre en compte pour le choix des conditions de coupe sont : La surface à usiner : nature géométrique et état de surface, Machine à utiliser : en fonction des caractéristiques de la surface à usiner, Matière à usiner : dureté, résistance à la traction et usinabilité, Outil coupant : en fonction des caractéristiques mécaniques de la matière à usiner (dureté de l’outil > dureté de la pièce), Vitesse de coupe, vitesse d’avance et profondeur de passe : ce choix se fait par exploitation des résultats expérimentaux souvent donnés sous forme de tableaux, Durée de vie des outils : en fonction des critères de production, Puissance nécessaire et compatibilité avec celle de la machine. La puissance de coupe est l’énergie nécessaire pour effectuer l’enlèvement du coupeau par unité de temps. Cette énergie dépend de l’effort de coupe qui lui-même dépend de la section du copeau. Les conditions de coupe peuvent être améliorées par : Lubrification, Forme de l’outil. Usure des outils : L’usure de l’outil de coupe détériore l’état de surface de la pièce usinée et, arrivée à un certain niveau, elle provoque l’inaptitude de l’outil à la coupe. Mécanismes de formation de l’usure : Par définition, l’usure est la perte progressive de la matière de la surface active d’un corps à cause du mouvement relatif d’un autre corps sur cette surface. Dans le cas de l’outil de coupe, la partie tranchante qui est en mouvement relatif avec la pièce et le copeau, est soumise à des sollicitations mécaniques et thermiques très intenses. L’étude détaillée du phénomène révèle différentes formes d’usure : A/ Usure par effets mécaniques, B/ Usure par effets physico-chimiques. 20 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique A/ Usure par effets mécaniques : Usure adhésive : Provoquée par le transfert de métal d’une surface sur l’autre pendant leur mouvement relatif dû à un processus de soudage en phase solide, Usure abrasive (à sec) : Le déplacement de matière est produit par des particules dures. Usure érosive : Le mécanisme de l’usure est le même que précédemment, seulement, les particules sont véhiculées par un fluide. Usure par fatigue : La variation cyclique des contraintes conduit à un détachement des particules par fatigue. B/ Usure par effets physico-chimiques : Usure corrosive : Corrosion au contact de l’air ou du lubrifiant, Corrosion chimique au niveau des molécules, Corrosion électrochimique au niveau des ions. Usure par diffusion : cette usure n’a lieu qu’à une certaine vitesse, donc à une certaine température. Usure par diffusion Température minimale Température Figure 1.25 : Evolution de l’usure par diffusion en fonction de la température Manifestation de l’usure : L’observation de la partie active de l’outil fait apparaître des formes d’usure caractéristiques qui correspondent aux conditions dans lesquelles l’outil travaille : 21 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Usure en cratère : S’observe sur la face d’attaque de l’outil sous la forme d’une cuvette obtenue par frottement intense du copeau. Elle est caractérisée par la profondeur KT et par le rapport KT/KM. Usure en dépouille : S’observe sur la face en dépouille principale de l’outil. Elle apparaît suivant une bande striée brillante et parallèle à l’arrête de coupe. On la caractérise par la droite associée aux crêtes situées sur la face de dépouille VB. Usure par effondrement d’arrête : L’effondrement de l’arrête de coupe ou la mort de l’outil se manifeste lorsque : La vitesse de coupe est trop importante, La dureté du matériau à usiner est supérieure à celle de l’outil, La structure du matériau à usiner n’est pas homogène et présente des points durs. Usure en entaille : elle est due à l’écrouissage local de la pièce. Cette entaille provoque un affaiblissement du bec de l’outil qui peut aller jusqu’à la rupture. Usure par fissuration des faces en dépouille et des faces de coupe : Cette usure résulte du choc thermique. C’est le cas des outils en carbures métalliques soumis à un travail de coupe lubrifié par intermittence. Lois expérimentales de l’usure « modèle de Taylor » : Le besoin de lier l’usure des outils aux conditions de coupe a permis de traduire les résultats expérimentaux sous forme de lois empiriques établies : Pour un outil de géométrie donnée, Pour un matériau à usiner donné, Pour des conditions de lubrification. 1.8 Méthodologie de choix des paramètres de coupe : Les coûts de fabrication et les exigences techniques sur l’état de surface de la pièce à usiner imposent une optimisation des paramètres de coupe. 22 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Il faut ainsi choisir les meilleures conditions de coupe les plus commodes : La vitesse de coupe, L’avance, La profondeur de passe, Le temps d’usinage. Les paramètres de coupe sont d’une part des paramètres de coupe cinématique qui représentent les déplacements de la pièce et de l’outil de coupe, et d’autre part des paramètres de coupe géométrique qui représentent les valeurs des surépaisseurs d’usinage et des dimensions de coupe. Leur détermination a une grande importance dans la production industrielle, car à titre d’exemple des régimes réduits augmentent considérablement le temps d’exécution de la pièce à usiner, et élèvent le prix de revient. Pour cela, les paramètres adoptés doivent être optimums pour assurer un prix de revient minimum de la pièce à usiner avec une plus grande productivité. Parmi les grandeurs physiques caractéristiques de la coupe qui sont accessibles expérimentalement, on a : Efforts de coupe, Température, Contraintes résiduelles. Les efforts résultants de l’interaction de l’outil de coupe et de la pièce proviennent de contraintes, qui apparaissent dans les zones de cisaillement primaire et secondaire comme le montre la figure suivant : 23 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Sens de rotation Zone II Zone I Copeau Zone III Zone IV Pièce Outil Avance de l’outil Figure 1.26 : Les différentes zones déduites du contact de l’outil de coupe avec la pièce à usiner Zone 1 : C’est une zone de séparation en deux parties de la matière engendrée par l’arête de l’outil. Zone 2 : C’est une zone de cisaillement primaire. C’est la zone de formation du copeau : la matière change de direction et passe de la vitesse de coupe à la vitesse d’écoulement du copeau. Elle est le siège de sollicitations intenses qui s’étendent de la pointe de l’outil jusqu’à la surface Zone 3 : C’est une zone ou la matière est soumise à de forts taux de cisaillement et subit une forte élévation de température en plus de celle subie lors du passage dans la zone de cisaillement primaire. Cette zone donne lieu à divers phénomènes d’usure : une usure par abrasion, causée par la présence des particules dures à l’interface outil copeau, et une usure par diffusion des composés de l’outil vers le copeau qui est activée thermiquement. Zone 4 : C’est une zone et ou au niveau du rayon d’arête de l’outil et de sa face de dépouille, des phénomènes de frottement se produisent également. La vitesse de frottement macroscopique est ici égale à la vitesse de coupe. A l’échelle microscopique, les phénomènes d’adhésion conduisent là aussi à un cisaillement plastique important. Cette zone, dénommée ‘cisaillement tertiaire’. 24 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Les phénomènes associés aux quatre zones caractéristiques de la formation du copeau donnent une bonne représentation des sollicitations d’un outil, et par conséquent un bon usinage. Tous ces critères utilisés dans de bonnes conditions nous donnent un prix de revient minimum et un bon état de surface. Un état de surface est un élément de cotation d’une pièce indiquant des irrégularités de la surface : ondulation et rugosité. Ondulation : Elle peut être provoquée par des vibrations de basse fréquence de la pièce à usiner ou de l’outil de coupe (mauvais guidage, outil de coupe mal réglé, etc….). Rugosité : Il s’agit de l’ensemble des irrégularités d’une surface à caractère micrographique et macrographique. Les surfaces usinées ne sont pas parfaites. Celles-ci sont influencés par : Avance de l’outil de coupe, Ondulations, Brise copeaux, Vibrations de hautes fréquences, Etc…. Cet état de surface joue un rôle important lors du fonctionnement de certains mécanismes. Il agit sur le frottement, le glissement, le roulement, l’étanchéité, etc…. Afin de contrôler les pièces mécaniques, il faut chiffrer les caractéristiques d’une surface. Ainsi, la définition des caractéristiques d’une surface se fait sur un profil de cette surface. 25 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Plan de coupe Surface à mesurer Pièce Profil de surface Figure 1.27 : Profils de surfaces Ce n’est que depuis 1996 que les définitions de la rugosité furent répertoriées dans des normes internationales (notamment dans l’ISO 4287). Jusqu’alors, chaque pays ou presque avait sa définition. En France, par exemple, les unités de rugosité les plus courantes (Ra, Rz, Rmax…) définies dans les normes NF E 05-015/020 n’étaient pas obtenues avec le même calcul que les mêmes unités Ra ,Rz et Rmax dans la norme allemande DIN 4768. Actuellement, plusieurs normes nationales ou internationales définissent la manière d'analyser les états de surface à l'aide de filtrage et de paramètres. La norme NF EN ISO 4287 définit les paramètres communs, dit de rugosité, d'ondulation ou sur profil primaire. La norme NF EN ISO 4288 définit les opérateurs de spécification et la méthode dite des 16%. La norme NF EN ISO 1302 définit la façon d'exprimer les spécifications d'état de surface sur les plans. La norme NF EN ISO 13565 définit des méthodes d'analyse de surfaces dites stratifiées obtenues par usinage multi-passe. 26 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique La norme NF EN ISO 12085, issue d'une norme française CNOMO), définit les caractéristiques suivantes : Strie d'usinage Ligne moyenne Ligne des saillies Ligne des creux Ligne de coupe c Hauteur du profil Pt Écart moyen arithmétique Ra Profondeur moyenne R Profondeur maximale des stries Rmax Pas moyen AR Taux de longueur portante Tp Profil primaire P Profil tracé L Pt (hauteur totale) du profil primaire) Ligne moyenne Longueur de base de Longueur de référence rugosité Figure 1.28 : Profils primaires (ISO 4287) La norme NF E 05-515 distingue six ordres de défauts de surface, du plus grand au plus petit : 1. Écart de forme (échelle macroscopique) : défaut de planéité, de rectitude, de circularité. 2. Ondulation (échelle macroscopique) : l'écart entre les crêtes est compris entre 0.5 et 2.5 mm. 3. Stries et sillons (défauts périodiques ou pseudopériodiques, échelle microscopique) : l'écart entre les crêtes est inférieur ou égal à 0.5 mm. 4. Défauts localisés (échelle microscopique) : marque d'outil, arrachement, fente, piqûre. 5. Structure cristalline (échelle mésoscopique). 6. Réseau cristallin (échelle nanoscopique) : voir Dislocation et Défaut ponctuel. La rugosité concerne les défauts d'ordre 3 et 4 : défaut d'une largeur inférieure à 0.5 mm (500 µm), périodiques (stries, sillons) ou localisés. 27 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Chapitre 2 : Technologies des machines-outils 2.1 Mouvements de coupe : Les pièces mécaniques (appareils, machines, etc...…) sont obtenues par plusieurs procédés : moulage, formage (laminage, forgeage, estampage, …) ou usinage (coupe des métaux). L’usinage se fait avec ou sans enlèvement de matière. L’usinage ou la coupe des métaux consiste en une opération de mise en forme d’une pièce par enlèvement de matière. Il consiste aussi à utiliser certains procédés qui ont chacun un champ d’application bien déterminé. Lorsque la mécanique ne faisait qu‘apparaître, la coupe s’effectuait avec des outils à mains très simples. Certains d’entre eux se sont conservés jusqu‘à nos jours sans changer beaucoup, telle que la lime d’ajusteur, la pointe du graveur et la meule d’affûtage. L’essor de la culture et des techniques a fait apparaître de nouvelles techniques et de nouvelles machines-outils qui par le temps ont fait diminuer l’intervention de l’être humain lors de l’usinage. Actuellement, le rôle principal de l’opérateur est de programmer la machine lors de l’usinage et d’intervenir lors de la réparation et la maintenance de cette machine. Le premier tour à fileter fut construit en France en 1760 tandis que la première perceuse fut construite en 1765 en Angleterre. L’usinage est une opération économique très importante par son coût propre et par la perte du métal qu’elle provoque. Pour une pièce élaborée, il n’est pas exceptionnel que le poids des copeaux soit égal au poids de la pièce finie. L’amélioration des conditions d’usinage est rendue possible par le perfectionnement des machines et outils, ainsi que par l’amélioration de l’usinabilité des métaux, et de l’acier en particulier, qui reste le matériau de base de la construction mécanique. Le phénomène de la coupe des métaux qui s’accompagne de déformations de compression, de traction, de cisaillement, de frottement important et de dégagement de chaleur, est régi par des lois 28 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique physiques particulières, dont la connaissance est nécessaire, pour rendre la coupe plus productive et économique. Les progrès de la théorie sont étroitement liés à ceux de l’industrie. L’évolution de la théorie impose l’étude toujours plus poussée des principes physiques de la coupe des métaux. Ce qui nous amène à : La recherche des matériaux nouveaux peu chers avec une bonne résistance et une usure élevée pour la confection de la partie active de l’outil. Au perfectionnement des constructions existantes et la création de nouveaux types d’outils à productivité élevée avec la large application des modes de fabrication de leur qualité. Ce qui nous conduira à l’amélioration du rendement et de l’efficacité économique dans la fabrication mécanique. Les matériaux se trouvent à l’état initial suivant : liquide, solide ou pulvérulent. Matériaux Liquide Solide LIQUIDE : Liquide Moulage Usinage 29 Pulvérulent (poudre) Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique PULVERULENT : Pulvérulent Frittage SOLIDE : Solides Procédés avec enlèvement de matière Procédés avec sans enlèvement de matière Procédés avec enlèvement de matière : Usinage par outil coupant : Tournage, fraisage, perçage,…. Usinage par abrasion : Rectification,… Découpage Electroérosion,… Figure 2.1 : Procédés avec enlevement de matières 30 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Procédés avec sans enlèvement de matière : Formage à chaud : Forgeage, estampage, matriçage, etc..… Formage à froid : Emboutissage, pliage, Etirage, etc..… Figure 2.2 : Procédés avec sans enlevement de matières En pratique, l’usinage par enlèvement de matière est le moyen le plus fiable pour obtenir des pièces de précision ou autres. Ce procédé est par contre coûteux du fait qu’il fait appel à : Machine-outil, Optimiser le temps d’usinage, Outil de coupe, Personnel qualifié, Pièce à usiner, Réduction des couts de production. Les nouvelles technologies nous emmènent à s’adapter aux nouvelles exigences de l’usinage. On veut minimiser le cout de l’usinage. L’une de solutions est l’utilisation de l’UGV (usinage à grande vitesse). Il permet : L’obtention d’un excellent état de surface, L’usinage de formes complexes et de parois minces, L’usinage de matériaux très durs, difficilement usinés auparavant, Les durées de vie des outils de coupe augmentent pour devenir largement supérieures à celles de l’usinage conventionnel, Les énergies et les efforts spécifiques de coupe diminuent, Une réduction des délais de fabrication qui se traduit par une augmentation de la productivité. 31 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Aussi, et à titre d’exemple pour l’amélioration du procédé d’usinage et pour la diminution du temps d’usinage, ces possibilités sont améliorées grâce à l’usinage 5 axes. Ce terme, 5 axes, détermine le nombre de directions selon lesquelles l’outil de coupe peut se déplacer sur la pièce. La pièce peut être usinée sur 3 dimensions en une seule opération. Cette technologie avancée permet d’usiner des pièces très complexes et d’usiner des pièces, qui auparavant étaient impossible à usiner, dans des machines qui permettent de dresser, de percer, de transpercer des angles définis, et d’une manière très précise. La coupe des métaux (ou usinage) consiste à enlever une couche de métal pour obtenir une pièce finie conforme au dessin de définition. Cette coupe est effectuée sur des machines à l’aide d’outils tranchants de dimensions et de formes diverses. La norme ISO 3002 établit une nomenclature de certaines notions fondamentales des outils coupants ; elle est applicable à la géométrie de tous les types d'outils coupants et définit une terminologie destinée à servir de cadre à l'établissement des nomenclatures particulières et des normes propres aux divers types d'outils tels que : outils de tour, forets, fraises et outils à main. Lors de l’usinage, on trouve : Une lame d’outil qui pénètre dans la matière et enlève un copeau, L’outil suit une trajectoire par rapport à la pièce à usiner, où les mouvements sont assurés par les éléments constitutifs de la machine-outil. Figure 2.3 : Usinage par enlèvement de matières 32 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.4 : Copeaux En usinage, la conjugaison de 3 mouvements soit à l’outil où soit à la pièce permet la coupe des métaux. Ces 3 mouvements sont : Le mouvement de coupe Mc Le mouvement d’avance Ma Le mouvement de profondeur Mp Avec : Mouvement de coupe Mc = Le mouvement de coupe est un mouvement relatif principal entre l’outil et la pièce. Il est le mouvement principal à l’élaboration du copeau pendant la course de la machine Il est caractérisé par la vitesse de coupe Vc qui est une vitesse instantanée du point considéré de l’arête par rapport à la pièce. Dans le cas du mouvement circulaire, la vitesse de coupe est une fonction de la vitesse de rotation n et du diamètre Ø de l’élément en rotation. Mouvement d’avance Ma = Au mouvement de coupe, vient s’ajouter un autre mouvement relatif entre l’outil et la pièce, le mouvement d’avance, nécessaire à la génération de la surface de la pièce. Il peut être composé de plusieurs mouvements mais seulement de façon à ce qu’au moins une de ses composantes soit rectiligne. Le mouvement d’avance est caractérisé par la vitesse d’avance vf qui est une vitesse instantanée du mouvement d’avance du point considéré de l’arête de coupe par rapport à la pièce. Elle est exprimée soit en mm/min soit en mm/tour. 33 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Mouvement résultant de la coupe Mouvement de coupe Pièce Mouvement d’avance Outil de coupe Mouvement de pénétration Figure 2.5 : Mouvements de l’outil et de la pièce en tournage Mouvement de profondeur Mp Les paramètres d’usinage sont des grandeurs qui caractérisent les mouvements de l’outil et de la pièce à usiner ainsi que les valeurs de la surépaisseur d’usinage et de la section de coupe. Le mouvement de profondeur Mp est un mouvement perpendiculaire aux mouvements de coupe et d’avance. Il détermine la pénétration de l’outil dans la pièce (l’épaisseur du copeau à enlever). Pour enlever de la matière en cours d’usinage, deux mouvements sont nécessaires : mouvement de coupe et mouvement d’avance. D'une manière générale, ces mouvements de coupe peuvent être donnés soit par la pièce soit par l'outil. Pour obtenir les meilleures conditions (bon état de la surface usinée, rapidité de l’usinage, usure modérée de l’outil,…), on doit prendre en considérations les paramètres de coupe suivant le type d’opération à réaliser. Il faut choisir la méthode d’usinage et choisir la machine à utiliser : Tour, fraiseuse, perceuse, etc.… Lors de l’usinage, on trouve : Surépaisseur d’usinage : La partie de matière usinée entre la surface de la pièce et la surface finale désirée (après avoir effectué toutes les passes nécessaires). 34 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Avance : Valeur du déplacement de l’arête tranchante pendant que la pièce fasse un tour (pour le tournage). Elle est déterminée par la profondeur de passe, de l’état de surface (ébauche ou finition), la nature de l’outil et suivant le déplacement de l’outil (longitudinal, transversal ou oblique). Profondeur : Valeur de la couche du métal enlevé (surépaisseur). Elle est déterminée par la nature du métal à usiner et par l’épaisseur du métal à usiner (ébauche ou finition). Usinage en ébauche : On cherche à enlever un maximum de matière en un minimum de temps. Usinage en finition : Cette fois, c’est la qualité de réalisation qui est importante. La surface doit être lisse, les cotes doivent être correctes. 2.2 Caractérisation d’une machine-outil (principaux organes) : Les machines-outils fonctionnent en grande majorité grâce à des mécanismes qui transmettent ou transforment un mouvement. Pour faire fonctionner ces machines-outils (transmission), celles-ci ont besoin d’une énergie : Electrique, solaire, musculaire, etc…. Pour transformer ces mécanismes, ces machines-outils ont besoin de : Engrenage, poulie, courroie, etc… Le processus d’usinage a un caractère subjectif du fait qu’il très délicat en pratique d’évaluer l’ensemble des conséquences des choix technologiques lors des différentes opérations d’usinage des différents procédés d’usinage : Tournage, fraisage, rabotage, perçage,.. Aussi, le processus d’usinage a un caractère relatif du fait qu’il faut prendre plusieurs paramètres en considération comme la qualité de la pièce à usiner, la qualité de l’outil,… Pour obtenir les meilleures conditions d’usinage, il faut prendre en considération 3 paramètres importants : La machine-outil, L’outil de coupe, La pièce. 35 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Comportement de la pièce Structure de la machine outil Mouvement de coupe Procédé de coupe Comportement de la tourelle et de l’outil Figure 2.6 : Définition de système Pièce/Outil de coupe/Machine-outil (tour) Lors de ce processus, des sollicitations différentes sont induites à l’outil de coupe. De ces sollicitations, est déduite une formation de copeaux. Système pièce/outil de coupe/machine-outil (POM) : Lors de l’usinage, la machine-outil est nécessaire. Celle-ci est un ensemble complexe mettant en œuvre : Un ou plusieurs procédés, Des éléments de sa partie fixe comme le bâti et la glissière, Des éléments de sa partie mobile comme la broche et les arbres tournants dans les paliers. La machine-outil, étant un véritable système, doit être étudiée comme tel et a un comportement dynamique dont ne saurait rendre compte l’étude séparée de chacun de ses éléments. Tous les éléments constituant cette machine-outil, qu’ils soient actifs ou passifs, interagissent. La machine-outil possède une partie indépendante et une partie dépendante de l’opération d’usinage. 36 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Eléments indépendants de l’opération d’usinage : On peut citer les éléments suivants : Bâti, Ensemble chariot-glissière, Broche, Commande d’avance, Commande de puissance, Directeur de commande. Bâti : Son rôle est multiple. D’une part, il sert d’intermédiaire entre le sol et les éléments actifs de la machine, et d’autre part, il réalise la liaison entre la pièce à usiner et les outils de coupe. Ensemble chariot-glissière : Il confère au chariot un seul degré de liberté correspondant à une translation. Il est communément convenu que la liaison idéale chariot-glissière doit être sans jeu et ne fait intervenir qu’un frottement de type hydrodynamique. Broche : C’est est un corps tournant qui possède un seul degré de liberté par rapport à la structure de la machine. La machine comporte les paliers qui retirent à la broche cinq degrés de liberté. Ces paliers ont une grande importance pour la qualité de la machine. Ils doivent être rigides et ne doivent présenter que de très faibles jeux, afin d’éviter des mouvements relatifs non souhaites entre la broche et le bâti (donc entre la broche et la pièce). Commande d’avance : Elle comporte en général un moteur et une transmission mécanique de mouvement entre un élément de structure (fixe ou mobile) et le chariot. C’est donc la commande d’avance qui retire au chariot son sixième degré de liberté. Commande de puissance : Elle pose des problèmes qui ont pour origine la liaison entre le moteur et la broche. Essentiellement deux techniques sont utilisées. La courroie qui parait être arrivée au bout de son potentiel tant en vitesse qu’en puissance transmise et la transmission directe qui présente des 37 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique problèmes sérieux dus à l’encombrement qu’elle impose à la broche ou à l’ensemble moteur-broche quand ils sont montés en ligne. Directeur de commande : Il a pour rôle d’animation de l’ensemble de la machine. En particulier, c’est lui qui assure le déplacement relatif de l’outil par rapport à la pièce selon la trajectoire prévue. Il est responsable aussi du maintien des conditions de coupe à leurs valeurs programmées. Broche Z Table X Pièce Outil Y Bâti Figure 2.7 : Orientations des axes X, Y et Z sur une machine-outil Eléments dépendants de l’opération d’usinage : On peut citer les éléments suivants : Pièce, Outil de coupe, Porte-outils de coupe, Porte-pièces. 38 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Pièce : Elle est considérée comme une partie intégrante du système d’usinage car en effet, il ne sert à rien d’avoir une machine de très grande rigidité et de très haute qualité si la pièce à usiner se déforme sous l’effet des efforts de coupe ou de bridage. Les pièces peuvent être considérées en 3 catégories : Pièces massives, Pièces flexibles, Autres. Figure 2.8 : Pièce usinée Outil de coupe : Il peut être unique ou multiple. Il constitue une partie essentielle dans l’étude du comportement statique et dynamique d’une machine-outil. Les outils de coupe sont repartis en trois catégories : Indéformables, Souples, Intermédiaires. Figure 2.9 : Outil de coupe 39 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Porte-outil de coupe : Il assure la liaison entre l’outil de coupe et la machine-outil. La notion de l’interface confère aux porte-outils des caractéristiques particulières de raideur et d’amortissement qui sont très dépendantes de la qualité et de l’état d’usure de l’interface. Figure 2.10 : Porte outils de tournage Figure 2.11 : Porte outils de fraisage (serrage) Porte-pièces : Il assure le maintien en position de la pièce par rapport à l’élément auquel elle est rattachée. Les actions qu’ils exercent sur la pièce contribuent à la fois à la déformer et à la renforcer. Sur le plan dynamique, la prise en compte globale de l’ensemble est nécessaire sauf dans le cas des pièces particulièrement déformables ne pouvant pas être soutenues. Figure 2.12 : Mandrin d’un tour 40 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique 2.3 Chaines cinématiques : 2.3.1 Liaisons mécaniques et degrés de libertés : Une liaison mécanique est une relation de contact entre deux pièces (solides). Les types de liaisons sont : Liaisons complètes ou encastrement : Aucun mouvement entre les 2 pièces, Liaisons partielles : Les 2 pièces peuvent avoir un mouvement entre elles, Liaisons permanentes ou non démontables, Séparation des 2 pièces après détérioration de l’une d’elles, Liaisons démontables : Séparation des 2 pièces sans aucune détérioration des pièces. Il existe entre ces deux pièces une surface commune de contact. En fonction de la forme des surfaces mises en contact, on obtient différentes liaisons mécaniques. Au cours d’un déplacement, un corps présente : Un mouvement de translation, Un mouvement de rotation, Un mouvement hélicoïdal. On peut distinguer 3 types de contact entre solides : Contact ponctuel, Contact linéaire, Contact surfaciques. Plan Cylindre Sphère Cylindre Plan Tableau 2.1 : Types de contact 41 Sphère Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Aussi, la liaison entre 2 pièces se caractérise par le nombre de mobilités que peut avoir l’une des pièces par rapport à l’autre. Ces mobilités (ou mouvements autorisés) sont appelés degrés de liberté. Ces degrés de libertés correspondent aux mouvements élémentaires et sont au nombre de 6 : 3 rotations Rx, Ry et Rz 3 translations Tx, Ty et Tz Z Le cube peut se déplacer suivant les 3 axes et tourner autour de chacun d’eux X Y Suivant l’axe Ox Suivant l’axe Oy Suivant l’axe Oz Translation Tx, Rotation Rx Translation Ty, Rotation Ry Translation Tz, Rotation Rz = 3 Translations + 3 Rotations Soit 6 degrés de liberté Figure 2.13 : Solide dans l’espace (rotations et translations) Exemples : Liaison rotule (3 mobilités) T R X 0 Rx Y 0 Ry Z 0 Rz Tableau 2.2: Exemples de degrés de libertés (liaison rotule) 42 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Liaison sphère cylindre (linaire annulaire) T R d’axe X X Tx Rx (4 mobilités) Y 0 Ry Z 0 Rz Tableau 2.3: Exemples de degrés de libertés (liaisons sphère cylindre) En mécanique, on doit toujours étudier le comportement des systèmes mécaniques. Ce comportement se compose de : Etude statique (système au repos), Etude dynamique (système en mouvement dans le temps). L’étude dynamique se compose aussi de la cinématique et de la cinétique. La cinématique est l’étude des mouvements d’un système sans faire intervenir les forces qui induisent ces mouvements. Ces mouvements sont : déplacements, vitesse et accélération, Mécanique Statique Dynamique Cinématique Cinétique 43 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Ce schéma n’est valable que sur l’hypothèse des corps rigides du fait que pour un corps déformable, la dissociation des forces des mouvements induits est impossible. Dans ce cas-là, l’étude des forces et des déplacements se fait simultanément en faisant appel à la résistance des matériaux, les vibrations, etc….). Cette étude se fait à partir d’un mécanisme. En mécanique, un mécanisme est un assemblage de corps, liés par des liaisons, pour former une chaine cinématique avec un élément fixe, et qui a pour rôle la transformation de mouvements. Une chaine cinématique est une collection de plusieurs corps liés entre eux par des liassions. 2.3.2 Chaines et schémas cinématiques d’un système mécanique : Le schéma cinématique d’un mécanisme est un modèle filaire du mécanisme utilisant les symboles normalisés des liaisons. Ce modèle est utile tant au niveau de la conception que de l’analyse à posteriori pour réaliser l’étude cinématique : vitesse, trajectoire, etc…. Dans le mécanisme : Le ou les éléments d’entrée sont auxquels sont confiés des mouvements à l’aide d’actionneurs (moteurs). Le ou les éléments de sortie sont ceux qui produisent les mouvements demandés. Pour étudier ce mécanisme, il ne suffit pas de connaitre seulement sa structure (le nombre d’éléments et le nombre de liaisons). On doit aussi connaître les dimensions des différents éléments qui ont une influence sur le mouvement et sur la nature des liaisons. Pour cette raison, on a besoin du schéma cinématique du mécanisme. Le schéma doit être simple, clair et facile à comprendre. Il peut être réalisé en une vue en perspective ou en plusieurs vues en projection. Le schéma cinématique ne doit comporter que des pièces indéformables (pas de ressort). Pour cela, on doit : Déterminer en premier lieu les groupes cinématiques, 44 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Identifier les surfaces en relation entre chaque groupe cinématique déterminé auparavant et aussi les mouvements relatifs, Associer une liaison cinématique normalisée pour ces relations, Finaliser le schéma pour une position quelconque du mécanisme. Tout ce qui est nécessaire pour l’étude du mouvement doit figurer sur le schéma cinématique et tout ce qui est superflu (inutile pour l’étude du mouvement) doit être éliminé. On parle souvent dans ce cas de schéma cinématique minimal. Figure 2.14 : Schéma cinématique minimal Types de chaines cinématiques : Un mécanisme est constitué de solides reliés par des liaisons cinématiques. L’ensemble de ces liaisons et des solides forment une chaine de solides. Celle-ci peut être représentée par un graphe dit graphe de structure ou graphe de lisions. Sur ce graphe, les solides sont les nœuds et les liaisons sont les arcs. 45 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique On a : Chaine continue ouverte, C’est une chaine contenant n pièces et n-1 liaisons. Chaque pièce possède deux liaisons sauf la première et la dernière qui n’en possèdent qu’une. Figure 2.15 : Chaine continue ouverte Chaine continue fermée : C’est une chaine contenant n pièces et n liassions. Chaque pièce possède exactement deux liaisons. Figure 2.16 : Chaine continue fermée Chaine continue complexe : C’est une chaine formée de plusieurs chaines continues fermées. Chaque pièce possède au moins deux liaisons. Figure 2.17 : Chaine continue complexe 46 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique 2.4 Mécanismes de transmission de mouvements : Tout système mécanique a pour principe de transmettre et d’adapter une énergie mécanique depuis une source d’énergie vers une application donnée. Les premiers mécanismes ne pouvaient pas contrôler correctement le rapport qui existait entre les vitesses angulaires d'entrée et vitesses angulaires de sortie. Les mécanismes de transmissions de mouvement permettent ainsi de transférer l'énergie mécanique d'une pièce à une autre sans modifier la nature du mouvement (rotation vers rotation ou translation vers translation). Elles peuvent se faire directement par contact entre les deux pièces mécaniques ou avec l'aide d'un organe intermédiaire (chaîne, courroie, etc…). Il existe différents types de transmission suivant les besoins et les charges ou condition de transmission : Par engrenages, Par chaînes et roues dentées, Par vis sans fin, Par poulies et courroies, Transmission par cardan. Aussi, Il existe différents types de transformations : Par vis sans fin, Par bielle-manivelle, Par arbre à came. Transmission par crémaillère, Parmi ces types de transmissions, on prendra comme exemple : Engrenage. Un engrenage est constitué de roues dentées qui transmettent le mouvement d’un arbre moteur vers un arbre récepteur et déterminent ainsi les vitesses, les couples et le sens de rotation des éléments de machines. D’après la norme NF ISO701 et la norme NF EN ISO2203, un engrenage est un mécanisme élémentaire composé de deux roues dentées mobiles autour d’axe de positionnement relatif invariables. L’une des roues entraine l’autre par l’action des dents successives en contact. La roue qui a le plus petit nombre de dents est appelée pignon. 47 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.18 : Exemples d’Engrenages et de Système Roue/Pignon Le but de leur utilisation est de transmettre un mouvement et une puissance entre 2 arbres. Ces arbres peuvent être : Parallèles ou non, Concourants ou non, Perpendiculaires ou non. Le but de leur utilisation est aussi d’accoupler deux arbres en vue de transmettre une puissance mécanique, d’un moteur vers un récepteur. Le plus souvent, les arbres n’étant jamais parfaitement alignés, l’accouplement devra compenser certains défauts, voire autoriser la mobilité d’un arbre par rapport à l’autre : Désalignement angulaire Désalignement radial Ecart axial Figure 2.19 : Accouplements Critères de choix : Le choix d’une technologie d’accouplement se fait selon : Le type de motorisation : Un moteur thermique, surtout monocylindre, est source de vibrations de torsion. Un accouplement à élastomère amortira les fluctuations de couple. Le type de charge : Un compresseur à piston nécessite aussi d’amortir les vibrations. A l’inverse, une machine rotative d’imprimerie exige un parfait synchronisme entre les rouleaux, donc une grande rigidité en torsion des accouplements. Le couple à transmettre La vitesse atteinte 48 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Les défauts prévisibles d’alignement des arbres : Il ne suffit pas que l’accouplement autorise certains défauts. Il faut voir aussi quels efforts il génère lorsqu’il est déformé ; Efforts qui se répercuteront sur les guidages des arbres et affecteront leur durée de vie. Les mobilités éventuellement nécessaires entre les arbres : Par exemple pour compenser les mouvements des roues d’une traction avant. Des contraintes d’environnement : Telles que températures extrêmes, atmosphère corrosive… D’autres contraintes : Encombrement, poids, inertie, bruit, sens de montage, démontage rapide… Avantages et inconvénients des engrenages : Avantages Inconvénients Transmission de puissances élevées sous Niveau fréquences de rotation élevées, Transmission à rapport Nécessité d’un entraxe précis et constant, rigoureusement sonore variable suivant type d’engrenage, Transmission des à-coups et vibrations, constante (transmission synchrone), Transmission parfaitement homocinétique. Nécessité d’une lubrification, souvent par Possibilités de transmissions entre fluide, Réversibilité plusieurs arbres, Bon rendement général, suivant classe de possible suivant type d’engrenage, Coût très variable suivant type d’engrenage qualité, Durée de vie importante, et classe de qualité. Bonne fiabilité. Tableau 2.4 : Avantages et inconvénients des engrenages 49 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Eléments caractéristiques d'un engrenage : Les principaux éléments qui caractérisent un engrenage sont : Engrenage : Ensemble de deux roues dentées, Pignon : la plus petite de deux roues dentées, Roue : la plus grande de deux roues dentées, Z = Nombre de dents, Module = m : Est la valeur qui permet de définir les caractéristiques d’une roue dentée. C’est le rapport entre le diamètre primitif de la roue et le nombre de ses dents. Le module est une grandeur normalisée. Calculé par la résistance des matériaux, Diamètre primitif, diamètre de la tête, diamètre du pied, Pas primitif, Largueur de denture, hauteur de saillie, hauteur de creux, Etc…… 2.5 Tours, fraiseuses, rectifieuses, perceuses, brocheuses et étaux limeurs, De l’ère de la machine-outil classique, en passant par les machines outil à commande numérique, on assiste actuellement à l’émergence de nouvelles machines outil d’usinage 5 axes, qui répondent sans cesse aux besoins de cette production. Il existe une grande variété de machines-outils. Elles dépendent de la forme de la pièce à usiner, de la quantité de pièce à produire, etc…. On peut citer : Tours, Fraiseuses, Rectifieuses, Perceuses, Brocheuses, Etaux limeurs. 50 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Tours : On peut classer les tours en deux catégories : Tours parallèles qui sont réservés aux travaux unitaires et en petite série, Tours spéciaux automatiques et semi-automatiques qui sont destinés au travail en série. On distingue deux classes : Tours monobroches, Tours multibroches (le nombre de broches porte-pièces est : 4, 6 ou 8 broches). Chaque broche comporte généralement deux chariots porte-outils radiaux et un porte-outil axial. Les outils travaillent simultanément. On trouve aussi : Tour semi-automatique à décolleter, Tour revolver, Tour à copier, Tour à commande numérique,… Figure 2.20 : Exemple de tours 51 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.21 : Opération d’usinage (tournage) Fraiseuses : Caractéristiques principales : Capacités dimensionnelles : Course de la table, hauteur sous broche et type de cône de broche et rainures. Performances : Puissance et fréquence de rotation. On trouve : Fraiseuse horizontale : Elle utilise des fraises montées sur un arbre porte-fraise horizontal. Elle est utilisée pour le surfaçage, pour l’exécution de rainures et de profils rectilignes. Fraiseuse universelle : Elle dérive de la fraiseuse horizontale. Elle permet, aussi bien, d’employer des fraises montées sur un arbre porte-fraise horizontal que sur une broche verticale. Elle peut également, assumer différentes inclinaisons. Elle est utilisée pour exécuter de nombreuses formes de fraisage, y compris les formes hélicoïdales. Fraiseuse verticale : Elle est équipée d’une broche porte-fraise verticale et inclinable. Elle est employée soit pour le surfaçage, soit pour l’exécution de rainures et de contours droits ou circulaires. Fraiseuse pour outillage : Elle est une machine très souple, aux multiples possibilités de mouvements de têtes horizontales et verticales ainsi que la table porte-pièce. Elle est employée pour le fraisage de pièces légères, mais de formes compliquées. 52 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Fraiseuse à banc fixe (genre raboteuse) : C’est une fraiseuse de production. Elle peut travailler en même temps, avec une plusieurs fraises montées sur un ou plusieurs arbres. Elle est utilisée pour dresser des pièces de grandes dimensions. Fraiseuse à fileter : Conçue uniquement pour le taillage de vis. Fraiseuse à copier ou à reproduire : Elle est munie d’un dispositif qui permet de reproduire des contours même compliqués, suivant un modèle ou gabarit qui guidera la fraise le long de la forme à exécuter. Elle est utilisée pour l’exécution de pièces aux formes compliquées et irrégulières. Figure 2.22 : Exemple de fraiseuses Figure 2.23 : Opération d’usinage (fraisage) 53 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Rectifieuses : Les principales machines-outils sont : Rectifieuse de révolution extérieure : Utilisée pour la rectification de pièces de formes circulaires, animée autour de leur axe (pièce de révolution). Le mouvement de coupe est rotatif et produit par la meule. Rectifieuse de révolution intérieure : Elle est construite de façon très semblable à la rectification de révolution extérieure. Elle est utilisée pour la rectification des pièces de formes circulaires. Rectifieuse plane par meule tangentielle à axe horizontal : Utilisée pour le dressage de faces parallèles de petites pièces. La caractéristique de cette rectifieuse est la disposition horizontale de la broche porte-meule. Rectifieuse plane par meule de face à axe vertical : La meule travaille par sa surface plate sur la pièce (en lapidaire). Rectifieuse affuteuse : Elle est très employée par les outilleurs. Elle permet d’exécuter n’importe quel travail de rectification qui se présente dans les ateliers : travaux d’ajustage, rainurage, dressage, exécution de surfaces profilées, affûtage des outils de tours, de fraiseuses,… Une telle possibilité est réalisable, du fait que ces rectifieuses peuvent être dotées de nombreux accessoires pour les différentes espèces de rectification, planes, cylindriques extérieures et intérieures,… Affuteuse : C’est une rectifieuse particulière employée pour l’affûtage des outils, et appelée communément affûteuse. Il existe de nombreux types d’affûteuses qui se différencient suivant leurs particularités de construction. Il existe d’autres rectifieuses moins utilisées. Elles peuvent exécuter des opérations compliquées comme la rectifieuse sans centre, la rectifieuse de filets, etc… 54 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.24 : Exemple de rectifieuses Figure 2.25 : Opération d’usinage (rectification) Perceuses : Il existe plusieurs types de perceuses. On peut citer : Perceuse à colonne, Perceuse sensitive, Perceuse à verre, Perceuse radiale. 55 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.26 : Exemple de perceuses Figure 2.27 : Opération d’usinage (perçage) Brocheuses : On a : Machines pour le brochage intérieur : Machines horizontales, Machines verticales à traction, Machines verticales à pousser. Machines pour le brochage extérieur : Machines horizontales à broches fixes, Machines horizontales à broches mobiles, Machines verticales. 56 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.28 : Exemple de brocheuse Figure 2.29 : Opération d’usinage (brochage) Etaux limeurs : On a : Machines pour le brochage intérieur : Figure 2.30 : Exemple d’étau limeur 57 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Figure 2.31 : Opération d’usinage (étau limeur) Dans cette grande variété de machines-outils, il faut maintenir la pièce à usiner en position d’usinage. Lors de l’usinage de cette pièce, le résultat doit être conforme au plan, et en particulier les tolérances géométriques. Le placement de la pièce doit être précis sur le chariot de la machine-outil ; la pièce doit être donc mise en place de manière isostatique (la pièce ne doit en aucun cas bouger lors de l’usinage). A cet effet, on utilise un montage d’usinage. Il s’agit de fixer la pièce avec un outillage pour avoir une bonne position de celle-ci dans l’espace de travail de la machine-outil (faciliter le déplacement de l’outil de coupe, un montage facile à monter et démonter, amortir toues les contraints dues aux efforts de coupe, etc…). On distingue les types de serrage suivants : Mécaniques, Hydrauliques, Pneumatiques, Magnétiques, Aspirations 58 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Mécaniques : Mandrins, étaux, brides, etc ….. Figure 2.32 : Mandrin, étau et bride Hydrauliques : Pour le serrage centré très précis d’outils de fraisage et de perçage. Prolongement de la durée de vie des outils de coupe et amélioration de la qualité des surfaces usinées. Figure 2.33 : Mandrin extensible hydraulique Pneumatiques : usinage d’arbres centrés, usinage d’angles, automat isation, etc…. Figure 2.34 : Serrage pneumatique 59 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Magnétiques : Alignement aisé et précis des pièces, serrage et usinage simultanés de plusieurs pièces, etc,… Figure 2.35 : Serrage magnétique utilisé sur une rectifieuse Aspirations : Figure 2.36 : Serrage par aspiration 60 Fabrication Mécanique S4 Licence Génie Mécanique Bibliographie A.Chevalier, I.Bohan, Guide du technicien en productique, Edition Hachette technique, 19981999 Alexande Toumine, Cours d’usinage, Groupe conception production, INSA de Lyon, France C. Rochas Caractérisation des phénomènes tribologiques entre les populations inclusionnaires des aciers à usinabilité améliorée et les revêtements pour outils coupant, mémoire de master, ENISE, 2005 C.Barlier, L.Girardin, Mémo Tech, Productique, Matériaux et usinage, 3ème Edition, Castella, Paris, 1992 C.Marty, J.M.Linares, Conception et industrialisation, T1, Hermès sciences, Paris, France, 1999 Construction mécanique, Dessin conception et normalisation, Afnor, Nathan Cours-engrenages, Réseau SI des Deux-sèvres Cutting temperature, causes, effects, assessment and control, Version 2 ME IIT, Kharagpur, Inde D.B.Wellburn and J.DSmith, Machine tool dynamics, an introduction, Cambridge university press, DB, 1970 D.Gelin, M.Vincent, Eléments de fabrication, Les Editions Foucher, 1995 E .J.Armarego, S.Verezub et P.Samaranayake, The effects of coatings on the cutting process, friction, forces and predictive cutting models in machining operations, Journal of Engineering Manufacture, n° 216, pp. 347-356, 2002 E.Felder, Procédés d’usinage, Article B7000, Technique de l’ingénieur, 1997 F.Bagur, Matériaux pour outils de coupe, Article B7080, Technique de l’ingénieur, 1999 G.H. 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Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Edition Nathan Paris, France, 1994 J.P.Trotignon, Construction mécanique, Afnor, Nathan, Tome 2 J.Vergnas, Usinage technologie et pratique, Génie mécanique, Dunod, 1982 L.Romdhane, A.Benamara, Analyse des systèmes mécaniques, , Cours de Tronc Commun ENIM, Monastir, Tunisie, 2005/2006 Luc Trottier, Eléments de fabrication mécanique, Notes de cours, GPA-210 Marek Balazinski, Fabrication mécanique avancée, MEC 4530, Ecole polytechnique de Montréal, Canada M.Temmar, Cours de fabrication mécanique, Licence Génie Mécanique, Université Saad Dahlab Blida 1 Norme ISO 3002, Notion de base sur l’usinage Outils coupants, Sandwich cormant, PA248-249, 2000 Outils de serrage, Aperçu des chapitres, HAHN+KOLB, SOVECO P.Gilormini, Modélisation de la coupe des métaux, Techniques de l’ingénieur, P.Raffarin, Les liaisons techniques, Transmission et transformation de mouvement, IUFM, Poitiers, France R.Berghida, Impact de la signature des outils de coupe sur la variation de la géométrie des pièces mécanique, Mémoire de Magister, Département de Génie Mécanique, juin 2006 R.Butin, M.Pinot, Fabrications mécaniques, Tome II, Les Editions Foucher, 1981 R.Laheurte, Application de la théorie de second gradient à la coupe des métaux, Thèse de Doctorat, Université de Bordeaux I, France Y.Schoefs, S.Fournier, J.C.Leon, Productique mécanique, Edition Delagrave, 1994, France 62
