Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: Introduction : Une unité d'usinage est un ensemble intégré de machines-outils et d'équipements connexes, organisés de manière à accomplir un processus d'usinage spécifique. Ces machines-outils travaillent de manière coordonnée pour effectuer des opérations de transformation sur une pièce brute, afin de lui donner la forme, les dimensions et les propriétés requises. L'objectif d'une unité d'usinage est d'optimiser l'efficacité, la précision et la productivité du processus de fabrication. Elle est utilisée dans diverses industries, telles que l'automobile, l'aérospatiale, l'ingénierie mécanique, et bien d'autres, pour produire des composants et des pièces finies de haute qualité. Les machines-outils : I-1 Définition d’une machine-outil Une machine-outil est un équipement mécanique destiné à exécuter un usinage avec une précision et une puissance adaptées. C'est un moyen de production destiné à maintenir un outil fixe ou mobile(en translation ou en rotation), et une pièce à usiner (fixe ou en mouvement de translation ou de rotation). L'usinage, éventuellement par enlèvement de matière, est issu des mouvements relatifs pièce-outil. I-2 Composition d’une machine-outil: La composition, plus simple, d’une machine-outil comprend : 1. Un moteur (M), en général électrique (comme source d’énergie) ; 2. Mécanismes intermédiaires (MI) ou la transmission : C’est l’ensemble des organes qui permettent la transmission de l’énergie (ou le mouvement) du moteur vers les organes de réception : Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 1 3. l’organe de travail (OT) ou machine réceptrice qui peut être la broche de la machine-outil ; 4. Un système de commande pour coordonner les paramètres entre moteur et organe de travail en fonction des conditions d’exploitation de cette machine ; 5. Un socle ou un bâti sur lequel sont montés tous ces organes. Dans les prochaines parties, et en relation avec notre cas d'étude, nous allons nous concentrer sur les aspects liés à la motorisation et aux mécanismes intermédiaires. I-2-1 Motorisation : Pour convertir l’énergie électrique, la méthode la plus efficace est d’utiliser des moteurs électrique qui reposent sur les principes d’interaction électromagnétique de « Laplace » entre le Stator (élément fixe) et le Rotor (élément tournant). La plus couramment utilisée est la machine asynchrone : Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 2 Moteur électrique Moteur électrique asynchrone triphasé Avantages: il peut fonctionner à haute vitesse avec un couple constant quelle que soit la vitesse ; il est simple et robuste avec une durée de vie très longue au minimum d’entretien (absence de balai), contribue à la protection de l’environnement (sans émission de CO2). I-2-2 Transmission : La transmission reliant le moteur à l’outil se compose généralement d’une série d’éléments et d’organes en mouvement constituant la chaîne cinématique. Du point de vue strictement mécanique, on peut dire qu’une machine-outil se compose d’une série d’éléments qui : Transmettent du mouvement ; Transmettent des efforts ; Transmettent de l’énergie. On peut décomposer une machine-outil en deux grands groupes d’organes : La chaine cinématique dont les éléments en mouvement sont le siège d’efforts qui transmettent de l’énergie. On dit qu’un élément est menant lorsqu’il communique Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 3 un mouvement et de l’énergie motrice à un autre élément. Celui qui reçoit ce mouvement et cette énergie est dit mené. Le bâti et les guidages qui soutiennent et guident les organes de la chaine cinématique ne transmettent que des efforts, pas d’énergie. I-2-2-a la boite a vitesse : La boite de vitesse est un dispositif très nécessaire dans la machine-outil, c’est élément qui transmet et modifier le couple et la vitesse de rotation entrante d’une source d’alimentation en rotation à l’aide d’une chaine d’engrenages de différentes tailles. Les changements de la boite de vitesse peuvent être effectués manuellement ou automatiquement. Fonctionnement de la boite de vitesse d’une machine-outil : La boite de vitesse contient des déférents baladeurs et pignons, et leur combinaison fournit différents rapports de transmission permettant la rotation de la broche à différent vitesses. Le choix des vitesses est guidé par l’intermédiaire d’un tableau des vitesses qui se trouve sur la poupée fixe, ce tableau comprend toutes les positions disponibles des bras de levier avoir toutes vitesses convenables. Boite de vitesse d’une machine-outil Tableau d'indicateur des vitesses Choix de la boite de vitesse : Vue que les engrenages ont pour but de transmettre le mouvement d'un arbre Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 4 moteur à un autre récepteur alors que ces deux arbres peuvent occuper des positions différentes les quelles influent considérablement sur le choix du type d'engrenage. En général dans les boites de vitesses les axes de l'arbre moteur et récepteur sont parallèles et l’engrenage le plus commode choisi est un engrenage cylindrique à denture droite ou hélicoïdale d'où nous avons le choix entre les deux. I-2-2-b 8 Chariot et Glissières: Le chariot est l’organe sur le quel est monté l’outil, la pièce ou le montage portepièce ou porte-outil et qui permet le déplacement dans une seule direction. Le rôle des glissières est d’éliminer au chariot cinq degrés de liberté de façon à permettre entre le support de glissières et le chariot un déplacement unidirectionnel qui est en général linéaire. La glissière, charge localement le bâti. Leur liaison doit être conçue de façon que le bâti travaille comme une poutre – ou un caisson – et donc, de façon prévisible, calculable. La liaison idéale chariot/glissière doit être sans jeu ni frottements, ou plus exactement, elle ne devrait avoir qu’un frottement de type hydrodynamique de façon à permettre une erreur de positionnement nulle à l’arrêt, et afin de communiquer un amortissement aussi fort que possible à la liaison chariot/bâti. I-3 Les axes des machines : La norme NF Z 68-020 définit un système de coordonnées machine et les mouvements de la machine de telle façon qu'un programmeur puisse décrire les opérations d'usinage sans avoir à distinguer si l'outil s'approche de la pièce ou la pièce de l'outil. Le système normal de coordonnées est un système cartésien rectangulaire de sens direct avec les trois principaux axes appelés X, Y et Z et avec des axes de rotation autour de chacun de ces axes appelés respectivement A, B et C. I-3-1 Mouvements de translation X, Y, Z: Axe Z de mouvement: Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 5 L'axe Z est parallèle à la broche principale de la machine. Lorsque la broche principale est pivotante ou orientable, l'axe Z doit être parallèle à l'axe de la broche quand cette dernière est dans la position zéro. La position zéro de référence est de préférence celle où la broche est perpendiculaire à la surface de bridage de la pièce. Axe X de mouvement: Quand cela est possible, l'axe X doit être horizontal et parallèle à la surface de bridage de la pièce. Pour les machines avec des pièces en rotation, l'axe X doit être radial et parallèle aux glissières du chariot transversal. Axe Y de mouvement: L'axe Y de mouvement forme avec les axes X et Z un trièdre de sens direct. I-3-2 Mouvements de translation A, B, C: Les angles A, B et C définissent les mouvements de rotation effectués respectivement autour d'axes parallèles à X,Y et Z. I-3-3 Direction: Le sens positif des axes est défini de manière telle qu'un mouvement dans une direction positive d'axes de translation ou de rotation, augmente les valeurs positives de la position de la pièce par rapport à la machine. I-3-4 Mouvements additionnels: Mouvements de translation : Quand, en plus des mouvements de translation primaire X, Y et Z, il existe des mouvements de translation secondaires parallèles à ceux-ci, ils seront respectivement désignés par U, V et W. Mouvements de rotation : Quand, en plus des mouvements de rotation primaires A, B et C, il existe des mouvements de rotation secondaires parallèles ou non à A, B et C, ceux-ci seront désignés par les lettres D ou E. Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 6 I-3 Types des machines-outils Il existe plusieurs types de machines d'usinage, parmi lesquels on trouve : les scies motorisées appelées aussi débiteuses, le tour, la fraiseuse, la perceuse, la rectifieuse, etc. Dans les parties suivantes on va se limiter aux machines-outils les plus courantes a savoir : le tour et la fraiseuse. Les machines-outils peuvent être classées selon deux grandes catégories : machine-outil conventionnelle (tour conventionnel, fraiseuse conventionnelle…) ; machine-outil à commande numérique (tour CN, fraiseuse CN…) I-2-1 La machine conventionnelle: Fraise classique I-2-2 La machine a CNC : Une machine-outil à commande numérique (MOCN, ou simplement CN) est une machine-outil Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 7 dotée d'une commande numérique. Lorsque la commande numérique est assurée par un ordinateur, on parle parfois de machine CNC pour Computer Numerical Command, francisé en «commande numérique par calculateur »Les machines à commande numérique (MOCN) sont des machines partiellement ou totalement automatisées. Les ordres de mouvement des différents organes sont donnés par programmation. En particulier, les positions successives de l’outil par rapport à la pièce sont exprimées sous forme numérique. I-2-3 Le Tour : Les tours permettent de réaliser des surfaces hélicoïdales (filetage) et des surfaces de révolution: cylindres, cônes et plans (génératrice perpendiculaire à l'axe de révolution). L'utilisation principale des ces machines est l'usinage des arbres. La pièce, généralement tenue par le mandrin, a un mouvement de rotation(mouvement de coupe) transmis par la broche. L'outil peut se déplacer en translation suivant deux directions. Ces deux directions, perpendiculaires entre elles, appartiennent à un plan auquel l' axe de la broche est parallèle. Le premier mouvement de translation est parallèle à l'axe de la broche. Le deuxième mouvement de translation est perpendiculaire à l'axe de la broche.. Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 8 Les usinages sont réalisés à partir de la combinaison de 2 mouvements : un mouvement de rotation de la pièce appelé mouvement de coupe (Mc). Il s’exprime en tour / minute (tr/min) : c’est la fréquence de rotation (n). un déplacement rectiligne de l’outil appelé mouvement d’avance (Mf). Il s’exprime en millimètre / minute (mm/min) : c’est la vitesse d’avance. Chaîne cinématique d’un tour : I-2-4 La Fraiseuse : Les fraiseuses ont supplanté certaines machines (raboteuses, étaux limeurs) pour l'usinage de surfaces planes. Ces machines (voir Figure 3-4) peuvent également servir Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 9 pour des opérations de contournage. L'outil, une fraise, est fixé dans la broche et est animé d'un mouvement de rotation (mouvement de coupe). Il peut se déplacer en translation par rapport à la pièce suivant trois directions. L'appellation « fraiseuse à commande numérique » n'est pas très utilisée, on parlera plutôt de centre d'usinage 3 axes. Ces usinages sont réalisés à partir de la combinaison de 2 mouvements : un mouvement de rotation de l’outil (fraise) appelé mouvement de coupe (Mc).Il s’exprime en tour / minute (tr/min) : c’est la fréquence de rotation (n). un déplacement rectiligne de la pièce appelé mouvement d’avance (Mf). Il s’exprime en millimètre / minute (mm/min) : c’est la vitesse d’avance. Chaîne cinématique d’une fraiseuse Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 10 Chap1: Généralités sur les unités d’usinage et les machines-outils: 11
