1.1. Historique de la machine-outil Le tour de potier est la première machine-outil de l’histoire. Les plus anciens remontent au mésolithique (-10000 à -4000). Leur principe était déjà le même que celui des tours modernes: la pièce tourne et l’outil façonne la forme. L’entraînement de la pièce était assuré par un système de pédalier. Les premières applications furent la poterie et le travail du bois. Figure 1 : tour de potier et tour à bois Les outils étaient soit des outils de forme ou la main de l’artisan pour la poterie, soit des ciseaux à bois. Il faut attendre le début du Moyen Age pour voir apparaître des machines destinées à travailler le métal de façon précise. Les premières réalisations furent des pièces d’horlogerie (axes et roues dentées). Vers le milieu du 16ème siècle apparurent des machines de plus grande taille entraînées par l’énergie hydraulique et destinées à aléser les fûts de canons. Avec l’avènement du moteur à vapeur, mis au point par James Watt en 1776, le développement des machinesoutils s’accéléra. Il fut favorisé par plusieurs facteurs. Tout d’abord, grâce au moteur à vapeur, les industries manufacturières purent s’installer et se développer partout puisqu’elles n’étaient plus dépendantes de l’énergie hydraulique. Ensuite, aux 18ème et 19ème siècles, l’industrialisation de plus en plus rapide (chemins de fer, industries textiles, …) fournit un grand nombre de débouchés nouveaux pour les machines-outils. Enfin, les progrès réalisés en métallurgie permirent de mettre au point des outils de plus en plus performants. Le progrès le plus significatif fut l'apparition des aciers rapides (High Speed Steel, HSS), découverts par Mushet en 1868. Il s'agit d'aciers fortement alliés (chrome, tungstène) et à haute teneur en carbone. Vers la fin du 19ème, Taylor et White mirent au point le traitement thermique qui rendit les aciers rapides capables de supporter de hautes températures, de l'ordre de 600°C, ce qui permit d'atteindre des vitesses de coupe beaucoup plus élevées qu'auparavant. Figure 2 tour à fileter vers 1740 Au début du 20ème siècle, les machines-outils étaient déjà très similaires aux machines actuelles, d’autant plus que le moteur électrique avait commencé à remplacer le moteur à vapeur. L’industrie automobile offrit aux fabricants de machines-outils le plus vaste marché qu’ils aient jamais eu. En effet, la fabrication d’automobiles requiert non seulement des pièces de grande précision (moteur et transmission) mais surtout des volumes de production considérables. La fabrication en série, prônée par Henry Ford, allait avoir une grande influence sur la conception des machines-outils. Celles-ci devaient être de plus en plus spécialisées, voire même mono-tâche, les pièces étant convoyées automatiquement d’une station à l’autre sur la ligne de production. L’investissement en capital, très lourd pour ce type de machines, fut compensé par une cadence de production beaucoup plus grande et, consécutivement, un coût unitaire moindre. Figure 3 centres d'usinage modernes Jusqu’au début du 20ème siècle, les fabricants de machines-outils se trouvaient en Europe (Angleterre, Allemagne, France et Belgique) et aux Etats-unis. Par la suite, de nombreux pays s’industrialisèrent rapidement (Japon, Union Soviétique, …). Les deux guerres mondiales contribuèrent aussi fortement au développement de nouvelles conceptions de machines, de nouveaux outils et de nouvelles techniques. Ainsi, dans les années vingt, l’entreprise allemande Krupp mit au point les plaquettes en carbure de tungstène, ce qui représenta un nouveau bond dans les performances des outils de coupe. A la fin de la seconde guerre mondiale, l’industrie aéronautique devint un des marchés les plus importants de la machine-outil. Il faut noter que les besoins des entreprises aéronautiques sont très différents de ceux de l’industrie automobile. En effet, il s’agit plutôt de petites séries de pièces très complexes pour lesquelles il faut des machines polyvalentes capables de réaliser toute une gamme d’opérations diverses (fraisage, rainurage, perçage, taraudage, …). Avec le développement des ordinateurs apparut une des dernières innovations majeures dans le domaine de l’usinage : la commande numérique. A côté des machines classiques, dont le principe de fonctionnement est l’enlèvement de copeaux (tours, fraiseuses, aléseuses, …), apparurent des machines-outils basées sur des techniques différentes, comme l’électroérosion, le découpage par jet d’eau et le découpage au laser. Ces procédés d’usinage sont utilisés pour des applications spécifiques (usinage du verre, découpage de tôles minces, …). A cause de leur coût d’utilisation élevé et de leur champ d’applications limité, ces machines restent beaucoup moins répandues que les machines-outils classique 1.2. Aspects technologiques 1.2.1. Interactions pièce-outil-machine Une machine-outil est composée d’un élément fixe, qu’on appelle le bâti, sur lequel sont disposés des éléments mobiles qui assurent les différents mouvements nécessaires à l’usinage de la pièce (figure 4a). Le bâti de la machine est fixé directement sur le sol ou sur un socle spécial qui permet de l’isoler des vibrations engendrées par les machines-outils voisines. Le bâti est réalisé dans un matériau amortissant comme la fonte, de manière à absorber le plus possible les vibrations générées lors de l’usinage. Figure 4éléments d'une machine-outil (a) et définition des axes d'une machine 5-axes (b) L’enlèvement de la matière est produit par deux types de mouvements : un mouvement de coupe et un mouvement d’avance. La coupe correspond à un déplacement relatif de l’outil dans la matière à une vitesse très élevée, qu’on appelle vitesse de coupe. Sur un tour, le mouvement de coupe est assuré par la rotation de la pièce tandis que sur une fraiseuse, il est assuré par la rotation de l’outil. L’élément qui fait tourner la pièce ou l’outil s’appelle la broche.