Manufacturing Processes and Methods

Procédés et Méthodes de Fabrication Mécanique
Procédés Conventionnelles et Avancées
Table de matières
Introduction Générale…………………………………………………………………………………… 1
I.1
I.2
I.2.1
I.2.2
I.2.3
I.3
I.3.1
I.3.2
I.3.3
I.3.4
I.4
I.4.1
I.4.2
I.
Fonderie
Généralités……………………………………………………………………………...
Types de moules………………………………………………………………………..
Moule non permanent …………………………………………………………………
Moule permanent………………………………………………………………………
Propriétés souhaitées pour un moule…………………………………………………..
Procédés de moulage…………………………………………………………………..
Moulage en sable……………………………………………………………………….
Moulage en carapace…………………………………………………………………..
Moulage à la cire perdue……………………………………………………………….
Moulage en coquille……………………………………………………………………
Modes de moulage………………………………………………………………….....
Moulage en coquille sous pression…………………………………………………….
Moulage par centrifugation…………………………………………………………….
2
2
2
3
3
3
3
4
4
5
6
6
6
II.1
II.2
II.3
II.3.1
II.3.2
II.3.3
II.3.4
II.3.5
II. Mise en forme par déformation plastique
Définition de la déformation plastique……………………………………………......
Mise en forme………………………………………………………………………….
Techniques de mise en forme par déformation plastique…………………………......
Laminage……………………………………………………………………………….
Forgeage………………………………………………………………………………..
Emboutissage…………………………………………………………………………..
Extrusion, filage………………………………………………………………………..
Tréfilage……………………………………………………………………………......
7
7
8
8
9
11
12
13
III.1
III.2
III.3
III.4
III.5
III. Formage des produits plats
Généralités…………………………………………………………………………......
Pliage…………………………………………………………………………………...
Cintrage………………………………………………………………………………...
Profilage à froid………………………………………………………………………..
Formage incrémental…………………………………………………………………..
14
14
15
15
16
IV.1
IV.2
IV.2.1
IV.2.2
IV.2.3
IV.2.4
IV.2.5
IV.3
IV.3.1
IV.3.2
IV.3.3
IV.3.4
IV.3.5
IV.3.6
IV.4
IV.4.1
IV. Usinage
Généralités……………………………………………………………………………. 17
Tournage……………………………………………………………………………… 17
Machines outils de tournage…………………………………………………………. 18
Opérations de tournage………………………………………………………………. 19
Conditions de coupe………………………………………………………………….. 21
Montage de la pièce…………………………………………………………………... 21
Outil de coupe……………………………………………………………………….... 22
Fraisage……………………………………………………………………………….. 25
Fraiseuses……………………………………………………………………….......... 25
Modes de travail en fraisage………………………………………………………….. 26
Types de fraisage……………………………………………………………………... 27
Angles d’outil……………………………………………………………………….... 28
Opérations de fraisage………………………………………………………………... 29
Conditions de coupe en fraisage……………………………………………………… 30
Perçage………………………………………………………………………………… 33
Types de perceuses…………………………………………………………………..... 33
IV.4.2
IV.4.3
IV.4.4
IV.5
IV.5.1
IV.5.2
IV.5.3
IV.5.4
IV.5.5
IV.5.6
IV.6
IV.6.1
IV.6.2
IV.6.3
IV.6.4
IV.6.5
IV.6.6
IV.6.7
Conditions de coupe…………………………………………………………………... 34
Foret hélicoïdal………………………………………………………………………... 34
Détermination du temps de coupe…………………………………………………….. 35
Brochage………………………………………………………………………………. 36
Définition……………………………………………………………………………… 36
Brochage intérieur…………………………………………………………………….. 36
Conditions de coupe…………………………………………………………………... 38
Types de machines à brocher…………………………………………………………..38
Lubrification…………………………………………………………………………... 38
Utilisation………………………………………………………………………………39
Rectification…………………………………………………………………………… 39
Définition……………………………………………………………………………... 39
Structure de la rectifieuse…………………………………………………………….. 39
Rectification plane……………………………………………………………………. 39
Rectification de surfaces cylindriques……………………………………………….. 40
Conditions de coupe………………………………………………………………….. 42
Différents types de meules…………………………………………………………… 42
Avantages de la rectification…………………………………………………………. 42
V.1
V. 2
V.2.1
V.2.2
V.2.3
V.3
V.4
V.4.1
V.4.2
V.4.3
V.4.4
V.5
V Usinage à grande vitesse
Adaptation de l’usinage à grande vitesse…………………………………………….
Avantages de l’UGV…………………………………………………………………
Haute performance…………………………………………………………………...
Simplicité du processus………………………………………………………………
Précision et qualité…………………………………………………………………...
Processus d’usinage CNC……………………………………………………………
Machines a commande numériques…………………………………………………
Sélection d'une machine-outil……………………………………………………….
Différents axes d’une MOCN………………………………………………………..
Transmission de mouvement………………………………………………………..
Matériaux des outils………………………………………………………………….
Conditions de coupe……………………………………………………………........
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43
43
43
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45
47
47
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49
50
VI Usinage par Electroérosion
VI.1
Principe physique de l’usinage par électroérosion…………………………………...
VI.2
Usinage par étincelage……………………………………………………………….
VI.3
Vitesse d’usinage et état de surface………………………………………………….
VI.4
Caractéristiques électriques des étincelles…………………………………………...
VI.5
Opération d’électroérosion…………………………………………………………..
VI.6
Caractéristiques de l’électroérosion………………………………………………….
VI.7
Conditions d’usinage…………………………………………………………………
VI.8
Electrodes outils……………………………………………………………………...
VI. 9
Diélectriques…………………………………………………………………………
VI.10
Machines EDM fil et EDM enfonçage………………………………………………
VI.10.1 Caractéristiques communes aux machines EDM…………………………………….
VI.10.2 EDM enfonçage……………………………………………………………………...
VI. 10.3 EDM Fil……………………………………………………………………………...
VI. 11 Avantages de l’usinage EDM vis-à-vis a l’usinage traditionnel…………………….
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52
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53
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54
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VII Frittage
VII.1
Généralités……………………………………………………………………………
VII.2
Caractérisation des poudres…………………………………………………………..
VII.3
Procédé de frittage……………………………………………………………………
VII.3.1 Réactions physico-chimiques au sein du matériau…………………………………..
57
57
57
58
VII.3.2
VII.3.3
VII.3.4
VII.3.5
VII.3.6
VII.3.7
Différents stades de la densification…………………………………………………
Types de frittages…………………………………………………………………….
Modes de frittage…………………………………………………………………….
Frittage laser………………………………………………………………………….
Avantages et inconvénients du frittage………………………………………………
Exemples d'applications……………………………………………………………...
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61
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62
VIII.1
VIII.2
VIII.3
VIII.4
VIII.5
VIII.6
VIII Usinage photochimique
Définition……………………………………………………………………………
Procédé photochimique………………………………………………………………
Evolution de la découpe……………………………………………………………...
Procédure……………………………………………………………………………..
Déroulement de l’opération…………………………………………………………..
Acquis et produits……………………………………………………………………
64
64
64
65
66
66
IX.1
IX.2
IX.3
IX.4
IX.5
IX.6
IX.7
IX.8
IX.8.1
IX.8.2
IX.9
IX.10
IX Usinage par laser
Généralités……………………………………………………………………………
Comparaison de la lumière ordinaire et laser………………………………………...
Inversion de population………………………………………………………………
Oscillateur laser………………………………………………………………………
Principe de production d’un fuseau laser…………………………………………….
Amplificateurs laser………………………………………………………………….
Puissance d’un laser………………………………………………………………….
Applications principales……………………………………………………………...
Lasers pour le soudage et la découpe………………………………………………...
Marquage laser……………………………………………………………………….
Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance…………………….
Avantages et inconvénients de l’usinage par laser…………………………………..
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70
70
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71
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X. 1
X. 2
X. 3
X. 4
X. 5
X. 6
X Formage Electro-Hydraulique
Généralités……………………………………………………………………………
Principe de l’hydroformage…………………………………………………………..
Commutation de puissance…………………………………………………………..
Machines Electro- hydrauliques……………………………………………………..
Produits du réalisés…………………………………………………………………..
Avantages…………………………………………………………………………….
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73
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XI.1
XI.2
XI. 3
XI. 3.1
XI. 3.2
XI. 3.3
XI. 4
XI. 4.1
XI. 4.2
XI. 4.3
XI. 4.4
XI. 5
XI Formage Electro- Magnétique
Introduction…………………………………………………………………………..
Principe formage électromagnétique…………………………………………………
Eléments constitutifs du magnétoformage…………………………………………..
Générateur……………………………………………………………………………
Bobine………………………………………………………………………………..
Matrice………………………………………………………………………………..
Applications…………………………………………………………………………..
Soudage……………………………………………………………………………….
Sertissage……………………………………………………………………………..
Formage……………………………………………………………………………….
Découpage…………………………………………………………………………….
Avantages et Inconvénients…………………………………………………………..
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Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
INTRODUCTION GENERALE
Les procédés de fabrication mécanique désignent les moyens mécaniques imaginés et mis
en œuvre par l’utilisateur pour transformer, par le travail, la matière en produits utiles à la
société.
Dans le domaine de la fabrication mécanique, les industriels doivent faire face à
de nombreux facteurs défavorables au sein du marché actuel. Les délais de livraison
demandés sont de plus en plus courts tandis que
le prix des matières premières
augmente et la qualité doit être d'un niveau bien élevé. L'évolution actuelle des marchés
impose donc un choix pertinent des techniques de fabrication pour en réduire les coûts
tout en garantissant une qualité optimale.
Pour répondre aux exigences; sécurité, efficacité, qualité et productivité, des innovations ont
été réalisés afin de mettre en place des machines et des équipements ainsi que des techniques
afin de produire des pièces de qualité aussi rapidement et efficacement que possible pour faire
face a la concurrence et les innovations impliqués par les progrès technologiques dans tous les
domaines.
Par conséquent, l’évolutivité rapide des produits et de la concurrence mondiale ont poussé
les industrielles à faire des pas supplémentaires et aller chercher de nouvelles techniques
de fabrication pour améliorer simultanément la productivité et la qualité des produits.
L’objectif de ce cours est d'enseigner les bases des différentes techniques de fabrication
de pièces (conventionnelles ou avancées) et d'illustrer les phénomènes et les sources
d’obtention des produits finies.
1
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
I. FONDERIE
I. 1 Généralités
Les pièces et organes constituants les machines proviennent de sources diverses de fabrication tels que
forgeage, usinage, fonderie etc.
La technique de fonderie est la plus souvent utilisée car elle est non seulement économique mais elle
permet :
- de produire des pièces de formes complexes difficilement réalisables par usinage ou
par d'autres procédés,
- l'obtention de pièces massives telles que bâtis, volants etc Fig. 1.
Fig. 1 Procédé de Fonderie
Le procédé de moulage ou fonderie permet de réaliser des pièces métalliques brutes. Il consiste à
réaliser des pièces par coulée du métal en fusion dans un moule qui comporte l'empreinte de la pièce à
obtenir, le métal en se solidifiant, reproduit les contours et dimensions de l'empreinte du moule.
I. 2 Types de moules
I. 2.1 Moule non permanent
Dans ce cas, on utilise un moule qui doit être détruit à la fin pour extraire la pièce.
Le matériau constituant le moule peut être du sable, plâtre et matériaux semblables avec l’addition
d’un liant.
2
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Avec ce type de moule, il est possible d’avoir des géométries plus complexes car on peut casser le
moule pour extraire la pièce
I. 2.2 Moule permanent
Le moule permanent peut être utilisé plusieurs fois pour produire plusieurs pièces, il est généralement
fabriqué en métal ou plus rarement en céramique réfractaire.
Pour ce type de moule, les formes sont limitées car il est nécessaire de pouvoir ouvrir le moule pour
extraire la pièce. D’autre part, les procédés à moule permanant sont plus économiques en grande
série.
I. 2.3 Propriétés souhaitées pour un moule
• Rigidité: pour conserver la forme de l’empreinte et pour résister à l’érosion.
• Stabilité thermique: pour éviter la formation de fissure au contact du métal chaud.
• Perméabilité: pour permettre à l’air chaud et aux gaz de filtrer au travers du sable.
• Réutilisabilité du moule
I.3 Procédés de moulage
En général, le choix des procédés de moulage dépend du métal à couler. La température de fusion
du métal coulé doit être inférieure à la température de fusion du matériau constituant le moule.
I.3. 1 Moulage en sable
Le moulage en sable est le procédé le plus ancien et convient presque pour tous les métaux et alliages
de moulage. Il s'adapte bien aux petites séries de production et surtout pour les pièces de grandes
dimensions.
Le moulage en sable consiste à couler le métal en fusion dans l'empreinte du moule en sable réalisée
d'après un modèle ayant la forme de la pièce à obtenir.
Un moule simple est constitué de deux parties Fig. 2:
Fig. 2 Procédé de moulage en sable
Le moulage en sable est caractérisé par les opérations suivantes:
a. Confection du modèle : mise en place du modèle dans le châssis remplit de sable.
b. Extraction du modèle et confection des attaches de coulée.
3
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
c. Coulée dans le moule jusqu'à remplissage de l'empreinte.
Après refroidissement, la pièce est sortie pour subir les différentes opérations de finition.
I.3.1.1 Sable du moulage
Le sable utilisé dans le moulage doit résister à la température de coulée du métal et ne s'oppose pas au
passage des gaz produits au moment de la coulée, il se compose en général de:
•
(86-96%) Sable quartzeux: infusible en contact avec le métal liquide.
•
(3-10%) Argile bentonite: lie les grains de sable entre eux et empêche le moule de se
détériorer après enlèvement du modèle.
•
Le noir de fonderie (charbon de bois pulvérisé 2-6%): qui brûle en contact du métal en fusion
et donne ainsi au moule la perméabilité nécessaire à l'évacuation des gaz.
I.3.2 Moulage en carapace
Ce procédé de moulage a été développé en Allemagne vers 1940, il consiste à fabriquer un moule par
le billet d’une fine couche de sable aggloméré au moyen d’une résine thermodurcissable. Le moule est
constitué généralement de deux coquilles appelées carapaces ou masques. Fig. 3
Fig. 3 Procédé de Moulage en carapace
I.3.3 Moulage à la cire perdue
L'expérience à montrer que les procédés utilisant un moule en plusieurs parties, même si les
différentes parties sont assemblées avec beaucoup de soins, ne nous permet pas d'atteindre une grande
précision dimensionnelle.
De ce fait est parvenue l'idée de faire un moule en une seule pièce pour obtenir un moulage très précis.
Le moulage à la cire perdue est un moulage de précision dont le but est d’éviter l'usinage partiellement
ou totalement après moulage.
Il était résservé au départ pour la fonderie artistique et s'est perfectionné de nos jours pour la coulée de
bijouterie et la fabrication de prothèses dentaires en or ou en acier inoxydable exigeant une grande
précision. Il s’est enfin étendu à la production de petites pièces mécaniques à partir de tous les
alliages.
4
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Pour fabriquer le moule on utilise un modèle en cire qui est ensuite recouvert de matériau
réfractaire. La cire est ensuite fondue et évacuée par gravité du moule. On coule ensuite le métal
dans l’empreinte. Fig. 4.
C’est un procédé de précision qui permet de réaliser des pièces d’une grande précision. Il est à
noter que la cire est recyclable. D’autre part c’est un procédé qui comporte de nombreuses étapes et
couteux.
Fig. 4: Procédé du moulage à la cire perdue
I.3.4 Moulage en coquille
Le moulage en coquille est un procédé qui permet de couler par gravité le métal en fusion directement
dans un moule métallique en fonte ou en acier appelé coquille.
Ce type de moulage est destiné pour la réalisation de pièces compliquées en métaux et alliages ferreux
(fonte grise et acier) et alliages non ferreux à point de fusion relativement bas.
Le moule est constitué de deux ou plusieurs parties appelées chapes, formant l'empreinte et de trou
de coulée. Les chapes sont solidement assemblées pendant la coulée du métal afin d'éviter leur
séparation.
Fig. 5 Procédé du moulage en coquilles
5
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
I.4 Modes de moulage
En plus des différentes catégories de moules, l’injection de la coulée se fait selon plusieurs modes.
I.4.1 Moulage en coquille sous pression
Le métal liquide est injecté sous haute pression dans le moule, la pression est maintenue pendant la
solidification, ensuite le moule est ouvert et la pièce injectée Fig.6.
Fig. 6 Procédé du moulage en coquilles sous pression.
I.4.2 Moulage par centrifugation
Ce procédé utilise un mécanisme qui entraîne une rotation à grande vitesse. Les forces d’inertie
distribuent le métal liquide dans l’empreinte Fig. 7. Le métal liquide est coulé dans un moule rotatif
pour produire des tubes.
Fig. 7 Procédé du moulage par centrifugation
6
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
II. MISE EN FORME PAR DEFORMATION PLASTIQUE
II.1 Définition de la déformation plastique
Lorsqu’on tire ou on soumet un matériau à des sollicitations, la structure interne du matériau va se
comporter selon l’intensité de ces efforts. Alors les pressions internes dans le matériau représentent
l’intensité de la contrainte (F/S). Au départ la structure a un comportement dit élastique qui présente
une déformation non permanente. Au delà de la limite élastique (les contraintes augmentent), les
déformations plastiques interviennent, ce qui autorise la mise en forme.
II.2 Mise en forme
Le procédé de mise en forme a pour but de produire des pièces mécaniques ébauchées ou finies. Cette
mise en forme s’effectue a froid ou a chaud par le billet d’efforts supérieurs à la limite élastique.
La mise en forme d’un matériau s’effectue à l’état solide par déformation plastique, selon deux
configurations ; la première regroupe les techniques de déformation a froid opérant à température
ambiante. On distingue deux genres de pièces, minces et massives.
La deuxième catégorie, regroupe les techniques qui s’effectuent à chaud, c'est-à-dire a une température
inferieure à la température de fusion du matériau. Le chauffage du matériau a pour objectif d’abaisser
la limite élastique pour que le matériau devient plus malléable avec des efforts moins intenses. Ce qui
autorise des amplitudes de déformation plus importantes sans risque de rupture. Ces techniques
s’appliquent principalement à la mise en forme des pièces robustes. On distingue plusieurs techniques
de mise en forme de pièces Fig. 1.
Fig. 1 Techniques de mise en forme par déformation plastique
7
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
II.3 Techniques de mise en forme par déformation plastique
Les techniques de mise en forme par déformation plastique ont pour but de produire des pièces de
différentes formes à savoir ; les pièces de formes quelconques ou complexes Fig. 2.a ou bien les tubes
et les barres étirées ou laminées Fig.2.b. Ces techniques sont citées et expliquées comme suit:
a
b
Fig.2 Représentation des produits réalisés par déformation plastique: a. par matriçage, estompage et
forge libre, b. profilés, laminés et étirés.
II.3.1 Laminage
Le laminage est un procédé de fabrication par déformation plastique, ou on fait passer un profilé entre
des rouleaux qui vont diminuer sa section, le passage du profilé se fait par la rotation des deux
rouleaux en sens inverse.
Cette déformation concerne généralement la réduction d'épaisseur d'un matériau (barres profilées) qui
est obtenue par compression continue au passage entre deux cylindres tournant dans des sens opposés
appelés laminoirs Fig.2.
Fig.2 Représentation du procédé de laminage
Il est à noter que le laminage peut s’effectuer a chaud ou a froid selon la nature et le profil du
produit finie. Le laminage à froid (100 à 200°c) est généralement réservé aux produits plats
tels que tôles d'acier doux de petite épaisseur. Tandis que, le laminage à chaud s’effectue par
le passage du métal dans un four de réchauffage (plus de 1300 °c pour l’acier) et est acheminé
8
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
sur des rouleaux motorisés, ensuite par un passage successif dans les différentes cages, le
métal perd en épaisseur et gagne en longueur Fig. 3.
Fig.3 laminage des poutrelles.
II.3.2 Forgeage
Le forgeage est un procédé de mise en forme par déformation plastique, il consiste à déformer les
pièces a chaud sous l’effet de forces extérieurs, avec des outils généralement très simples, il existe
pratiquement deux types de forgeage.
a. Forgeage libre
Le forgeage libre est le plus ancien des techniques de forge. Il permet d'obtenir à chaud des pièces
mécaniques brutes dont la forme est atteinte par plusieurs transformations successives.
Ce procédé ne nécessite pas un outillage spécifiques et il est appliqué lorsqu'il s'agit de produire des
pièces unitaires ou en très petites séries ou bien des pièces massives ébauchés (qui ne nécessite pas
une grande précision dimensionnelle) Fig.4.
Fig. 4 Forgeage libre.
9
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
b. Estampage
L'estampage est une opération de forgeage qui est généralement réservée aux aciers. Elle consiste à
déformer des pièces brutes par pression après chauffage de celles ci (presque 1250°c pour les aciers),
par le billet d’une presse mécanique ou hydraulique qui utilise deux outillages appelés matrices. Cette
opération se fait en trois étapes; ébauche, finition et ébavurage Fig. 5.
Fig. 5 Représentation des étapes de l’estampage
c. Matriçage
La forge par matriçage est une opération qui consiste, comme l'estampage à former par déformation
plastique après chauffage des pièces réalisées en alliages non ferreux tels que ; le cuivre, les alliages
d'aluminium, le nickel, etc. Cette opération de forge s’effectue à l'aide d’un outillage appelé matrice,
Cette dernière est composée de deux parties, supérieure et inferieure. Les deux parties de la matrice
portent en creux la forme de la pièce à réaliser. Généralement, il se fait en une seule phase.
Fig. 6 Procédé matriçage.
L’utilisation de ce procédé a pour but de réaliser des pièces en moyennes et grandes séries (plus de
1000 pièces), vue le prix élevé de l’outillage impliqué dans l’opération.
10
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
II.3.3 Emboutissage
Ce procédé est destiné aux produits d'épaisseur constante à savoir les tôles. Cette opération peut se
billet d’une presse à emboutir. Les pièces obtenues sont de formes
faire à froid ou à chaud par le billette
déterminées par un poinçon et matrice.
La matrice, en creux, constitue la forme extérieure de la pièce et le poinçon reflète la forme
intérieure de celle ci. Les coins de la matrice qui représentent les points de départs de la déformation
doivent être bien arrondis pour éviter les déchirures ou même les fissurations de la tôle.
Le poinçon est entouré d’un serre- flan qui s’applique contre le pourtour de la matrice pendant
l’opération de compression et sert à coincer la tôle sur les cotés, en réservant l’épaisseur de la tôle.
L’opération se déroule comme suit Fig. 7:
a: Dépôt de la tôle sur la matrice. Faire descendre le serre-flan de façon à maintenir la tôle tout en lui
permettant de glisser légèrement.
b: le poinçon descend, déforme la tôle de façon plastique sur le fond de la matrice
c: le poinçon et le serre-flan se relèvent et la pièce comprimée conserve la forme acquise par la
déformation.
(a)
(b)
(c)
Fig.7 Représentation des phases de l’opération de l’emboutissage
11
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
II.3.4 Extrusion, filage
Extruder, signifie pousser vers l’extérieur. Son principe consiste à pousser un matériau ductile
éventuellement par l’effet du chauffage par le billet d’une presse hydraulique à travers d’une filière
dans un fourreau accompagné d'un système de chauffage ou de refroidissement. Cette méthode de
mise en forme, permet d'obtenir des produits longs tels que les barres et les tube Fig. 8, ou plus des
pièces de formes complexes (profilé pour l'aéronautique par exemple).
Fig. 8 procédé de filage
L’extrusion ou filage de l’aluminium est le procédé le plus récemment utilisé pour les formes complexes
Fig. 9. Une mise en forme à chaud (450°C à 500°C) se fait par l’écoulement du métal que l’on presse
à travers l’orifice d’une filière fabriquées en acier. La filière est donc un outil à haute résistance qui
reproduit la section du profil à obtenir qui est de section transversale constante sur toute sa longueur a
savoir plein, semi creux ou creux.
.
(a)
(b)
Fig. 9 Procédé d’extrusion: a. Produit semi creux, b. produit creux
12
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
II.3.5 Tréfilage
Le tréfilage est une opération de mise en forme qui consiste à réduire la section d'un fil en métal par
traction ou tirage mécanique et ceux sur une machine à tréfiler dite tréfileuse. Cette technique de tirage
est appliqué sur plusieurs métaux et alliages comme l’aluminium, le cuivre (fils électrique) et les
aciers doux. Ce matériau utilisé dans le tréfilage est appelé fil-machine, il provient du laminage à
chaud de billettes produites par coulée continue et se présente sous forme de couronnes refroidies à
l'air.
Au départ, le fil est souvent recouvert d'une couche d'oxydes métalliques, qui présente une certaine
dureté avec l’absence de ductilité, alors cette couche doit être éliminée avant de commencer
l’opération de tréfilage. L’élimination de cette couche peut se faire par différents procédés de
nettoyage de surface à savoir, chimique (décapage) ou mécanique (décalaminage).
Dans une opération de tréfilage, le fil préalablement appointé est tiré à travers une filière ayant un
diamètre de col inférieur au diamètre du fil, le résultat a la sortie de la filière un gain en longueur et
une perte en section Fig.10.
Fig.10 Procédé de tréfilage
Généralement l’opération de tréfilage se compose de quatre étapes élémentaires:
Le pourcentage de réduction de la section du fil est calculé par la relation suivante:
.
𝐴𝑖 : section initiale.
𝐴𝑓 : section finale.
13
𝜀=
𝐴𝑖 − 𝐴𝑓
∗ 100
𝐴𝑖
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
III.FORMAGE DES PRODUITS PLATS
III.1 Généralités
Le pliage, le cintrage et le profilage sont des procédés fréquemment utilisés pour la fabrication des
produits tels que les poteaux d’éclairage, les fenêtres voutées, les gouttières, toitures, boîtes,
éléments structuraux de la charpente métallique etc...
Ces procédés représentent réellement une déformation plastique à froid qui induit un durcissement du
métal par l’effet du phénomène de flexion, qui reflète un allongement permanent à l’extrados de la
pièce et un raccourcissement à l’intrados pour épouser la géométrie voulue (rayon imposé R).
III. 2 Le pliage
Le pliage est une déformation permanente effectuée à froid, consiste à donner à une pièce, tels que
tôle, barre, tube ou profilé une forme de ligne brisée. Ce qui veut dire, on cherche à obtenir une valeur
angulaire précise entre deux sections droites ou planes bien sur avec une zone de transition. Cette
transition est en forme de courbe qui doit être minimale Fig. 1.
Fig. 1 Différents types de pliages
Dans le cas du pliage d’une tôle d’épaisseur e, l’allongement est donné par:
𝐴 = 𝑒�2𝑅 + 𝑒
A=e\{2R+e}
Les conditions critiques (risque de fissuration) sont atteintes lorsque le rayon de pliage est trop faible.
En théorie, le rayon critique de pliage est:
𝑒 1 − 𝐴%
𝑅𝑐 = �
�
2 𝐴%
14
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Généralement on trouve des tables qui suggèrent des rayons de pliage minimums en fonction du type
d’opération, de l’épaisseur de la tôle et de l’état métallurgique du matériau.
L’outillage utilisé dans le procédé du pliage se constitue généralement de presses hydrauliques avec
différents poinçons et matrices Fig.2.
Fig. 2 Représentation de l’outillage du pliage
III. 3 Le cintrage
Le cintrage représente une déformation à froid, il consiste à donner à un profilé allongé (tube ou
barre) une forme courbée ou fléchie en arc, suivant un rayon et un angle donnés. Cette opération est
effectuée avec une cintreuse soit manuelle ou industrielle Fig. 3.
On peut effectuer plusieurs petits pliages rapprochés les uns des autres pour obtenir un cintrage
rapproché de la forme voulue.
(a)
(b)
Fig. 3 Procédé de cintrage : (a) cintreuse manuelle, (b) cintreuse industrielle
III. 4 Profilage à froid
Le profilage consiste à introduire une tôle plane (feuillard) entre deux galets tournants d’une machine
à profiler. La tôle va subir des déformations progressives qui l’amènent à la forme finale désirée
sans modification dans son épaisseur initiale Fig. 4.
Ce procédé est adapté à la production de pièces en grandes séries. Ainsi on peut avoir des profilés de
longueur non limitée dans un cadre temporaire très réduit.
15
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 4 Procédé de profilage
III. 5 Formage incrémental
Le formage incrémental nous permet de réaliser des formes creuses à partir d’une tôle avec ou sans
matrice. Dans une machine à commandes numériques l’outil se déplace selon une trajectoire de façon
a déformer la tôle en prenant la forme extérieure du gabarit (matrice) tournant dans le mandrin. Fig. 5 .
Alors l’outil génère une force suffisante pour plaquer la tôle contre le gabarit de forme placé dans le
mandrin en une seule passe de l’outil.
Fig. 5 Formage incrémental sur machine a commande numérique
En l’absence de matrice ou de support, il est possible de produire des formes creuses en imposant à
l’outil une trajectoire spirale descendante Fig. 6. Il est a noter que le formage incrémental n’est pas
largement utilisé dans l’industrie du fait qu’il est encore en développement et que le coût d’acquisition
d’un équipement a commande numérique est très élevé.
Fig. 6 Représentation du formage incrémental sans gabarit
16
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV. USINAGE
IV.1 Généralité
Parmi les différentes techniques de transformation de la matière, la mise en forme par enlèvement de
matière qui veut dire usinage, présente un poste onéreux tant par le parc de machines mobilisé que par
les outils de coupe utilisés ou la perte inévitable de la matière par formation de copeaux, mais
néanmoins c’est la méthode la plus fiable qui permet de produire des formes complexes avec des
tolérances précises.
Si on compare les différentes opérations d’usinage réalisées au cours des travaux industrielles, on
remarque que la répartition s’effectue de la façon suivante : tournage 30%, fraisage 15%, perçage
15%, rectification 10%, alésage et brochage 15%, divers 15% Fig. 1.
Fig. 1 les différents procédés d’usinage.
IV.2 Tournage
Le tournage est un procédé de fabrication mécanique par enlèvement de matière qui met en jeu un
outil à arête unique, ce dernier est animé d’un mouvement de translation rectiligne appelé mouvement
d’avance (MA), permettant de définir le profil de la pièce.
La pièce est animée d’un mouvement de rotation dit mouvement de coupe (MC), qui est le mouvement
principal de ce procédé Fig. 2.
Fig. 2 Mouvements liés à l’opération de tournage.
17
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
La combinaison de ces deux mouvements, ainsi que la forme de la partie active de l’outil, permettent
d’obtenir des usinages de formes de révolution (cylindres, plans, cônes ou formes de révolution
complexes).
IV.2.1 Machines outils de tournage
Les machines outils les plus couramment utilisées dans le tournage sont:
IV.2.1.1 Tours parallèles à charioter et à fileter
Ces machines sont utilisées pour les travaux unitaires ou de petites et moyennes séries sur des pièces
de révolution.
Seules les surfaces dont les génératrices sont parallèles ou perpendiculaires à l’axe de la broche sont
réalisables en travail d’enveloppe.
Fig. 3 Organes principaux du tour.
IV.2.1.2 Tours semi-automatiques
Ce sont des tours équipés d’un traînard semblable à celui d’un tour parallèle avec une tourelle
hexagonal munie de 6 postes d’outils animée d’un mouvement longitudinal contrôlé par des butées.
Les outillages spécialement conçus pour la machine permettent des opérations simples et précises.
La commande de ces tours peut être manuelle ou en partie automatique, La flexibilité de ces machines
est très limitée. On les utilisera pour des travaux de moyenne série.
IV.2.1.3 Tours automatiques
Plusieurs outils sont montés tangentiellement à la pièce. Les mouvements sont obtenus par des cames
qui donnent la vitesse d’avance et la course de chaque outil. Une came est spécifique à une opération
et à une pièce, Ces tours sont entièrement automatiques et conviennent pour les très grandes séries.
Elles sont divisées en deux catégories :
a. Tours mono broche pour l’usinage d’une pièce à la fois avec plusieurs outils agissant
simultanément.
b. Tours multi broches pour l’usinage simultané de plusieurs pièces à la fois, passant à chaque cycle
devant un outil différent
Ce type de tour comporte par exemple six broches, six outils soit un par broche travaillent en même
temps et effectuent une opération différente. Ce sont les broches qui tournent d’un huitième de tour
18
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
pour présenter la pièce devant l’outil suivant. Lorsque les broches ont effectuées un tour complet la
pièce est terminée, Il est possible de travailler dans la barre.
Sur ce type de tour les réglages sont longs et le temps de passage d’une série à l’autre immobilise la
machine. Ce tour sera réservé pour les grandes et très grandes séries à des pièces de dimensions
réduites à cause de l’espacement entre les broches.
IV.2.1.4 Tours à commande numérique
Ces tours sont d’un calculateur travaillant à partir d’un programme propre à la pièce qui autorise le
déplacement simultané de deux axes dont les positions successives pour atteindre une génératrice
quelconque d’une pièce.
Ces tours sont équipés d’un magasin d’outils et éventuellement d’un système de chargement des
pièces, ces tours sont bien adaptés pour le travail unitaire ou les petites séries répétitives.
IV.2.2 Opérations de tournage
a. Chariotage
Opération qui consiste à usiner une surface cylindrique extérieure parallèle a l’axe de la pièce.
Fig. 4 Chariotage.
b. Dressage
Opération qui consiste à usiner une surface plane perpendiculaire à l’axe de la broche extérieure ou
intérieure.
Fig. 5 Dressage.
c. Perçage
Opération qui consiste à usiner un trou à l’aide d’un foret.
Fig. 6 Perçage.
19
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
d. Alésage
Opération qui consiste à usiner une surface cylindrique ou conique intérieure.
Fig. 7 Alésage.
e. Rainurage
Opération qui consiste à usiner une rainure intérieure ou extérieure pour le logement d’un circlips ou
d’un joint torique par exemple.
Fig. 8 Rainurage.
f. Chanfreinage
Opération qui consiste à usiner un cône de petite dimension de façon à supprimer un angle vif.
Fig. 9 Chanfreinage.
g. Tronçonnage
Opération qui consiste à usiner une rainure jusqu’à l’axe de la pièce afin d’en détacher un tronçon.
Fig. 10 Tronçonnage.
h. Filetage
Opération qui consiste à réaliser un filetage extérieur ou intérieur.
Fig. 11 Filetage.
20
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.2.3 Conditions de coupe
Le mouvement de coupe anime la pièce (pièce tournante). On en déduit la vitesse de coupe V c . Le
mouvement d'avance est un mouvement de translation de l'outil par rapport à la pièce, On en déduit
Vf.
Fig. 12 Conditions de coupe en tournage.
IV.2.3.1 Vitesse de coupe
La pièce est entraînée sur le tour à une certaine vitesse ω (rad / s) (soit : 2π N (tr / min) ), cette
vitesse angulaire étant communiquée par la broche de la machine via le porte pièce Fig.12.
Compte tenu du diamètre de la pièce au point d’usinage situé sur un diamètre D, la vitesse relative de
la pièce en ce point par rapport à l’outil (supposé fixe par rapport à la machine) vaut :
=
/ s)
vc (m
D
(m ) × ω ( rad / s )
2
(1)
La vitesse de rotation est exprimée par la relation suivante :
N ( tr / min ) =
1000 × v c ( m / min )
π D ( mm )
(2)
IV.2.3.2 Vitesse d’avance
La vitesse d’avance v f ( mm / min ) Fig. 12 est la vitesse à laquelle la machine déplace l’outil par
rapport au bâti.
L’avance par tour f (mm / tr ) est la valeur du déplacement de l’outil, lorsque la pièce effectue un
tour.
=
v f f ( mm / tr ) × N ( tr / min )
(3)
IV.2.4 Montage de la pièce
La pièce peut être fixée selon trois configurations Fig.13.
Le porte pièce utilisé ici est un mandrin a trois mors à serrage concentrique auquel les pièces de petites
longueur sont mise en place, ce montage est dit; montage en l’air Fig. 13(a).
21
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Les pièces de longueurs importantes sont montées sur un dispositif dit, entre pointes Fig. 13(b), tandis
que les pièces de longueurs moyennes sont montées par le billet d’un montage mixte (mandrin et
pointe) Fig.13(c).
(a)
(b)
(c)
Fig. 13 Modes de fixation de la piéce, (a) en l’air, (b) entre pointe, (c) mixte.
IV.2.5 Outils de coupe
Un outil de coupe est constitué d’un corps et une queue. Le corps est la partie de l’outil qui porte les
éléments coupants. 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 est appelée partie active qui
peut être taillée directement dans le corps ou bien ramenée (Fig. 14) sous forme de plaquettes
(rapportées ou brasées).
Fig. 14 Outils de coupe, (a)en acier rapide (ARS), (b) a plaquette en carbure métallique.
Cette partie active comporte les arêtes, la face de coupe et la face de dépouille Fig. 15.
22
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 15 Eléments de l’outil.
IV.2.5.1 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 16 illustre, dans le système de référence outil en main, les trois angles principaux d’un outil.
Fig. 16 Angles principaux
L'outil sera affûté en tenant compte principalement de 3 angles :
•
•
•
L'angle de dépouille (a): qui évite le talonnage et favorise la pénétration de
l'outil dans la pièce.
L'angle tranchant (b): c'est la partie de l'outil qui pénètre dans la matière et
procède à la séparation et au cisaillement du copeau.
L'angle de d’attaque (c): sert à l'évacuation du copeau.
Ces angles varient en fonction de la matière à usiner et leur somme vaut toujours 90 °.
Matière à usiner
Angle de
dépouille (a)
Angle tranchant
(b)
Angle d’attaque
(c)
2
Acier doux(R = 40 daN/mm )
6°
58 °
26 °
2
Acier demi-dur (R = 70 daN/mm )
6°
61 °
23 °
2
Acier dur (R = 100 daN/mm )
6°
74 °
10 °
Fonte grise ordinaire
6°
68 °
16 °
Fonte en coquille
6°
84 °
0°
Bronze
6°
79 °
5°
Laiton
6°
80 °
4°
Cuivre
10 °
45 °
35 °
Aluminium
10 °
45 °
35 °
23
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.2.5.2 Outils a plaquettes
Les outils les plus répandus sont constitués d’une plaquette amovible montée sur un corps d’outil.
Fig. 17 Outil a plaquettes.
a. Les formes de plaquettes
On utilise principalement des plaquettes de formes carrées, rondes, rectangulaires et triangulaires.
La forme de la plaquette est choisie en fonction des surfaces à obtenir et du cycle de travail.
Si plusieurs formes conviennent on choisira celle qui donne la meilleure résistance mécanique.
Si le critère résistance n’est pas prépondérant, on choisira la plus économique, c'est-à-dire celle qui
permet de disposer du maximum d’arêtes utilisables (plaquette carrée).
b. Matières des plaquettes
Les principales matières utilisées pour les outils de tournage modernes sont les suivantes :
Carbures revêtus (GC); Carbures non revêtus (C); Cermets (CT); Céramiques (CC); Nitrures de bore
cubiques (CB) et diamants poly cristallins (CD).
Fig. 18 Les différents types de plaquettes.
24
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.3 Fraisage
Le fraisage est un procédé d’usinage réalisé au moyen d’un outil qui porte plusieurs arêtes de coupe,
ce dernier est animé d’un mouvement de rotation Fig. 19.
Le mouvement de rotation de la fraise entraîné par la broche de la machine est dit mouvement de
coupe Mc.
La pièce qui est fixée sur la table de la machine a un mouvement de translation rectiligne dit
mouvement d’avance Ma.
Mc
Ma
Mc
Mc
Ma
Fig. 19 Mouvements de coupe et d’avance.
IV.3.1 Fraiseuses
Les fraiseuses sont des machines destinées à l'usinage de surfaces planes obliques et même des poches
ou des contournage. Elles sont divisées en deux catégories, conventionnelles et machines a
commandes numériques. Pour la première catégorie, il existe trois types de machine, verticales
(Fig.20), horizontale (Fig.21) et universelle (Fig.22) . Pour la deuxième catégorie, les machines sont
de types, trois et cinq axes.
Fig.20 Fraiseuse verticale
25
Fig.21 Fraiseuse horizontale
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Figure. 22 Fraiseuse universelle.
IV.3.2 Modes de travail en fraisage
La transformation du mouvement de rotation généré par le moteur en mouvement de translation au
niveau du système qui gère le mouvement de la table se fait par le billet d’un dispositif vis-écrou.
Ce dispositif possède un jeu interne. Pour éviter qu’il y ait un brusque rattrapage de ce jeu lors de
l’usinage, il faut veiller à ce que l’effort exercé par la fraise sur la pièce soit opposé à la vitesse
d’avance de la pièce par rapport à la fraise. On dit qu’il faut travailler toujours en opposition et pas en
concordance Fig.23.
(a)
(b)
Fig.23 Modes de fraisage, (a) en opposition, (b) en concordance
26
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.3.2.1 Comparaison entre les deux modes
fraisage en concordance
•
L’attaque de la dent se fait avec une
•
•
refus de coupe (copeau mini) sur la
mini)
•
La sortie de la dent se fait sur la surface
Ce frottement entraîne une usure
a générer avec une épaisseur nulle mais
supplémentaire
le copeau est déjà crée ce qui facilite la
L’attaque se fait sur une surface écrouie
coupe
•
Les dents attaquent sur l épaisseur maxi
Les efforts de coupe sont importants
ce qui généré des chocs, il est intéressant
(refus de coupe)
d’avoir plusieurs dents en prise pour
Les efforts de coupe tendent a faire sortir
limiter les chocs
la pièce de la mise en position (efforts
•
Si on attaque sur une surface brute de
fonderie on a une usure rapide
vers le haut)
•
L’attaque de la dent se fait avec
l’épaisseur maximale (pas de copeau
par la dent précédente
•
•
épaisseur nulle, ce qui peut entraîner un
surface à générer
•
fraisage en opposition
Seul ce mode de travail peut être utilisé
sur les fraiseuses ayant des vis sans
•
Les efforts de coupe plaquent la pièce
sur ses appuis
rattrapage de jeux.
IV.3.3 Types de fraisage
En fraisage, il existe deux types de fraisage, en bout et en roulant Fig.24. Pour le fraisage en bout, La
surface usinée est obtenue par l’enveloppe de la trajectoire de la pointe d’outil (le bout), tandis que
pour le fraisage en roulant, La surface usinée est obtenue par le profil de la fraise qui se déplace et
génère un plan (travail de forme). Ca veut dire s’il y aurait un défaut sur l’arrête coupante il sera
reporté directement sur la surface. Alors on préférera toujours le fraisage en bout.
(a)
(b)
Fig.24 Types de fraisage, (a) en bout, (b) en roulant
27
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.3.4 Angles d’outil
En fraisage l'outil de coupe est à arête multiple. La fraise peut être un outil monobloc en acier rapide
supérieur Fig. 25(a). Lorsqu’un outil de cette nature est usé, il peut être affuté.
Les parties actives de la fraise peuvent aussi être en carbure métallique Fig.25(b). On parle
alors de plaquettes qui sont positionnées et fixées sur le corps porte plaquettes. Une plaquette
comporte en général plusieurs arêtes de coupe. Lorsque toutes les arêtes sont usées la plaquette est
jetée.
(a)
(b)
Fig. 25 Types de fraises, (a) Fraise en acier rapide, (b) Fraise avec plaquettes en carbure métalliques
Les angles principaux dans une fraise cylindrique sont : l’angle d’hélice λs , l’angle de coupe α et
l’angle de dépouille γ , (Fig.26).
γr
Coupe RR (orthogonale)
αr
λs
N
R
R
N
αn
Coupe NN (normale)
γn
Fig. 26 Les principaux angles d’une fraise cylindrique.
28
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.3.5 Opérations de fraisage
Différentes opérations peuvent être réalisées en fraisage, le tableau ci dessus illustre la majorité de ces
opérations.
Forme
Opérations
Surfaçage
Fabrication d’un plan par une fraise.
plans épaulés (épaulement)
Association de 2 plans perpendiculaires.
Rainurage
Evidement de faible largeur. Les parois sont
verticales et peuvent suivre un contour.
29
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
poche
Forme en creux délimitée par des surfaces
verticales quelconques (cylindre, plan,
courbe…). Plusieurs poches peuvent se
superposer .La poche est à priori à fond plat.
Extrusion
Ilot de matière délimité par des surfaces
verticales quelconques (cylindre, plan)
IV.3.6 Conditions de coupe en fraisage
Le mouvement de coupe est obtenu par la fraise tournante. Le mouvement d'avance est un mouvement
de translation de la pièce Fig.27.
Fig. 27 Conditions de coupe en fraisage.
30
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.3.6.1 Vitesse de coupe
C’est la vitesse à laquelle l’arête de coupe entre en contact directe avec la surface à usiner. C’est
un paramètre de coupe très important du faite qu’il dépend de la matière de l’outil coupant et la
matière de la pièce a usiner ainsi que la nature de l’opération a réaliser et qui a pour objectif de
garantir que l’opération doit s’effectuée dans les meilleures conditions d’efficacité par l’outil
concerné.
La vitesse de la broche (N en tr /min ) est le nombre de tours que l’outil de fraisage monté sur la
broche de la machine-outil effectue par minute.
La vitesse de la broche, le diamètre de l’outil et la vitesse de coupe sont naturellement liés par la
formule suivante, avec D f : le diamètre de la fraise.
N ( tr / min ) =
1000 × v c ( m / min )
π Df ( mm )
(4)
VI.3.6.2 Vitesse d’avance
La vitesse d’avance (v f en mm/min) est l’avance de l’outil en direction de la pièce, exprimée en unités
de distance par unité de temps. On parle également ici d’avance de la table.
L’avance par dent ( f z en mm/ dent) est un important paramètre en fraisage, il indique la distance
linéaire parcourue par l’outil alors qu’une certaine dent est engagée.
L’avance par dent représente donc la distance couverte entre la pénétration de deux dents successives
dans la pièce. Elle peut donc être exprimée en fonction du nombre d’arêtes de l’outil (z) et de l’avance
par minute selon l’équation suivante.
Vf = fz * z * N
(5)
IV.3.6.3 Profondeur de passe
La profondeur de passe a (mm) (Fig. 27) correspond à l’épaisseur de matière enlevée par l’outil. C’est
la distance à laquelle l’outil est réglé au-dessous de la surface initiale de la pièce.
IV.3.6.4 Détermination du temps de coupe
Nous déterminons ici le temps de coupe dans le cas de fraisage en bout et le cas de fraisage en roulant.
a. Cas de fraisage en bout
tc =
( D + L + l1 + l2 )
1000 f z zvc
L : Longueur a fraisé.
l1 : Longueur d’approche.
l2 : Longueur de dégagement.
31
(6)
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
b. Cas de fraisage en roulant
 2 a ( D − a ) + l1 + l2 + L  π D

tc = 
1000 f z zvc
(7)
c. L’effort de coupe
Les difficultés que l’on éprouve à interpréter correctement les actions de coupe en fraisage conduisent
à envisager, pour le calcul des efforts et des puissances, l’hypothèse dite de Hulle.
• Hypothèse de Hulle
On placera l’outil dans les conditions de coupe suivantes : une seule arête de coupe, enlevant une
section droite (S = ap) de matière uniquement par avance de l’outil à la vitesse v f et sans rotation.
Fig. 28 La force de coupe en fraisage.
L’effort virtuel nécessaire pour assurer la vitesse d’avance v f de la fraise dans la matière est
Fi = SK s
(8)
Ona : Fi v f = Fc vc Alors la force de coupe est calculée par la formule suivante :
Fc =
K s apf z z
πD
K s : énergie spécifique (considérée constante pour les deux matériaux).
32
(9)
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV. 4 Perçage
Le terme de perçage recouvre toutes les méthodes ayant pour objet d’exécuter des trous cylindriques
dans une pièce avec des outils de coupe par enlèvement de copeaux. En plus du perçage de trous
courts et du forage de trous profonds, ce concept inclut également diverses opérations d’usinage
consécutives, telles que le brochage, l'alésage, le réalésage et certaines formes de finition
comme le calibrage. Tous ces procédés ont en commun d’utiliser en combinaison un mouvement
rotatif et un mouvement d’avance linéaire (Fig. 29).
Le processus de perçage peut être comparé au tournage et au fraisage, mais à cette différence que les
exigences au niveau de la formation et de l’évacuation des copeaux sont plus strictes pour le perçage.
Fig. 29 Mouvements de coupe et d’avance en perçage.
IV.4.1 Types de perceuses
La perceuse est la machine qui a été conçue pour réaliser un perçage, mais le tour ou encore la
fraiseuse, peuvent réaliser cette opération d'usinage. On peut classer les perceuses selon plusieurs
types :
Les perceuses sensitives, Les perceuses à colonne, Les perceuses radiales et Les machines portatives à
air comprimé ou électrique.
(a)
(b)
(c)
Fig. 30 Types de perceuses, (a) a colonne, (b) sensitive d’établi, (c) radiale
33
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.4 .2 Les conditions de coupe
En perçage, les deux mouvements principaux sont décrits par l’outil (rotation plus translation).
Figure. 31 Conditions de coupe en perçage.
IV.4 .2.1 La vitesse de coupe
La vitesse de coupe v c ( m / min ) est déterminée, en perçage, par la vitesse périphérique de l’élément
en rotation et peut être calculée par la même formule déjà présentée en tournage et fraisage.
IV.4 .2.2 La vitesse d’avance ou de pénétration
La vitesse d’avance ou de pénétration v f ( mm / min ) correspond au déplacement de l’outil par rapport
à la pièce, exprimé en longueur par unité de temps. Elle est également désignée sous le nom d’avance.
L’avance par tour f (mm / tr ) exprime le mouvement effectué par l’outil à chaque tour.
L’outil de perçage étant muni de plusieurs arêtes de coupe Z, l’avance par dent fz ( mm dent ) :
fz =
f
( mm / arete )
z
(10)
IV.4.3 Foret hélicoïdal
Le foret hélicoïdal est un outil de coupe à lèvres en bout, et qui sert à pratiquer des trous dans la
plupart des matières. Il est constitué de trois parties : le corps, la pointe, et la queue (Fig. 32).
Corps
Collet
Fig. 32 Foret hélicoïdal.
34
Queue
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
•
La queue
Elle sert au centrage et à l’entraînement du foret et peut être :
-
Cylindrique pour les forets de petits diamètres ( ∅ ≤ 10mm ) demandant un faible couple
(fixation dans un mandrin à serrage concentrique).
-
Conique, normalisée au cône morse avec tenon.
•
Le corps
Il comporte deux goujures hélicoïdale disposées symétriquement par rapport à l’axe. Elles déterminent
les forces d’attaques des tranchants et permettent le passage du fluide de refroidissement et
l’évacuation des copeaux des trous, ainsi que des listels de guidage appartenant à la même surface,
rectifiée légèrement conique vers l’arrière du corps.
•
La pointe
La pointe d’un foret hélicoïdal comporte l’arête centrale, les arêtes de coupe, et. les faces en dépouille
(Fig. 33).
L’arête centrale (âme) est constituée par l’intersection des deux surfaces en dépouille.
L’arête centrale est sensiblement rectiligne, et l’angle qu’elle forme avec l’arête tranchante vaut 55°
pour le foret hélicoïdal normal.
Les arêtes tranchantes sont des déterminées par l’intersection des surfaces hélicoïdales des goujures
avec les surfaces en dépouille sur les quelles s’exécutent l’affûtage.
β
β : Angle d’hélice
δ : Angle de
δ
Fig. 33 Géométrie d’un foret hélicoïdal
IV.4.4 Détermination du temps de coupe
Fig. 34 Représentation de l’opération de perçage.
35
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Le temps de coupe est calculé par la formule suivante :
D

2 

tc =
1000 * f * v c
πD L + l +
(11)
IV.5 Brochage
IV.5.1 Définition
Le brochage est un procédé d’usinage qui consiste à enlever la matière par coupe à l’aide d’un outil à
dents multiples étagées qui se déplace parallèlement à la surface à usiner. L’outil utilisé est appelé
broche et la machine est appelée brocheuse.
L’opération de brochage est effectuée généralement en une seule passe rectiligne dans laquelle sont
incluses les opérations d’ébauche et de finition. Le temps de coupe est relativement court.
Les broches sont des outils de formes constituées d’une série de dents travaillant successivement,
chaque dent à son arête de coupe décalée de la précédente d’une distance de l’épaisseur du copeau
Fig.35. Le brochage permet d'effectuer tous les usinages intérieurs à cannelures, les rainures de
clavettes, etc., et même les rainures hélicoïdales ainsi que des profils extérieurs
L’ensemble des dents génère le profil fini à partir du profil brut, par le passage de la broche, au
travers de la pièce (broche d’intérieur) ou devant la pièce (broche d’extérieur) suivant un mouvement
de coupe rectiligne.
Fig. 35 Représentation des dents de la broche
IV.5.2 Brochage intérieur
Le brochage s’effectue par le passage de broche dans le trou d’ébauche.
L’effort de coupe plaque et maintient la pièce sur son appui perpendiculaire au mouvement de coupe.
Fig. 36 Représentation du brochage intérieure
36
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV.5.2.1 Broches d’intérieur
Elles sont constituées de l’attelage, du guide, de la denture, de la queue Fig. 37.
La denture des broches d’intérieur sont de type axile.
•
Dents d’ébauche
Les arêtes de coupe, pouvant comprendre des brise-copeaux, ébauchent la forme à obtenir.
•
Dents de demi-finition
Elles profilent la forme désirée.
•
Dents de finition
D’un nombre réduit à quelques dents, elles calibrent la forme au profil final.
•
Dents de réserve
Généralement au nombre de cinq, elles sont de la forme du profil final, augmentant la durée de vie des
broches, après des affûtages successifs.
Fig. 37 Les outils de Brochage.
IV.5.2.2 Brochage extérieur
Le brochage s’effectue généralement à partir de l’ébauche du profil brut (moulage, etc.).
Il est simultané pour un groupe de formes associées sur une pièce.
La ou les pièces sont à maintenir efficacement pour s’opposer à la poussée latérale.
Fig. 38 Représentation du brochage extérieur
Grâce à ces deux types de brochage on peut élaborer un certains nombres de formes tel que :
37
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 39 Les formes élaborées par Brochage.
IV.5.3 Conditions de coupe
IV.5.3.1 Vitesse de coupe
Elles sont faibles pour éviter une rupture et une usure prématurée des dents de la broche. Le temps
d’usinage est court, la forme à obtenir étant réalisée durant la course allé de la broche.
Les vitesses de retour de broche sont de 10 à 50m/min.
IV.5.3.2 Épaisseur du copeau
C’est la différence dimensionnelle entre deux dents consécutives Fig.35.
La progression sera constante pour l’ensemble des dents d’une broche devant effectuer essentiellement
une opération de finition.
IV.5.4 Types de machines à brocher
(a)
(b)
Fig. 40 Machines à brocher, (a) vertical, (b) horizontale
IV.5.5 Lubrification
Elle doit être aisée, avec une huile de coupe entière; visqueuse, adhérente permettant un fortement
anti-usure. Elle doit assurer au maximum la protection des arrêtes de coupe et l’obtention d’un état de
surface de qualité.
Pour protéger les arêtes coupantes, il faut effectuer au préalable:
• Un dressage de la face attaquée par les dents pour supprimer le contact arête de coupe/surface
brute.
•
Un chanfrein d’entrée qui évite également un éventuel ébavurage
38
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 41 Lubrification en Brochage.
IV.5.6 Utilisation
Le brochage n'est souvent envisagé en dehors de l'industrie automobile, que pour résoudre des
problèmes de rainures de clavettes ou de cannelures. Cependant il offre par rapport aux autres
méthodes d'usinage de nombreux avantages.
L'opération de brochage est une opération d'un coût unitaire faible. Les frais d'outillages sont peu
élevés pour le brochage intérieur et relativement plus important pour le brochage extérieur. Cependant
ils sont rapidement amortis dès que les séries atteignent quelques milliers de pièces.
IV.6 Rectification
IV. 6.1 Définition
La rectification est un procédé d’usinage à enlèvement de copeaux. Il se fait par un outil rotatif à
tranchants multiples appellé meule (bande abrasive) constituée de particules coupantes agglomérées
par un liant, chaque particule enlève un petit copeau quand l'une de ses arêtes se présente sur la pièce.
Il s'agit de rectifier donc d'approcher une surface d'une forme parfaite (en général : plan, cylindre de
révolution ou cône).
Cette opération se fait généralement à grande vitesse ou le copeau est de très petite section, il n’est pas
tranché mais gratté. L’amélioration de l’état de surface est obtenue en utilisant des abrasifs de plus en
plus fins. L’opération de rectification se realise sur une machine dite, rectifieuse.
IV. 6.2 Structure de la rectifieuse
Selon les besoin industriel et les taches de chaque piéce mécanique, les rectifieuses sont aussi
nommées selon le type de tâche qu’elles accomplissent. Les plus couramment utilisées sont;
rectifieuse plane Fig.42, rectifieuse cylindrique Fig.44, affuteuse d’outils.
IV. 6.3 Rectification plane
Lors de la rectification plane, l’effort de l’enlèvement des copeaux est principalement fourni par les
grains sur la périphérie de la meule. Le diamètre et la largeur de la meule doivent être aussi grands que
39
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
possible afin de faire participer un nombre maximal de grains à l’enlèvement de copeaux Fig.42. De
preférence, la largeur de la meule correspond à la largeur de la pièce.
Fig.42 Representation directe de l’opération
Prendre une petite profondeur de passe combinée à une grande avance latérale engage un maximum de
grains de la périphérie de la meule, permet d’éviter une usure importante des arêtes et un échauffement
local en plus d’un etat de surface miroire (rugosité de l’ordre de Ra = 0,1 mm et la précision des cotes
aussi de l’ordre de 1 mm).
Fig.42 Representation d’une rectifieuse plane
IV. 6.4 Rectification de surfaces cylindriques
La rectification cylindrique peut se faire de l’exterieur ou a l’interieur d’un cylindre Fig. 43a et b. Pour
la rectification de l’exterieur, la pièce est déplacée le long de la meule par l’avance longitudinale du
40
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
banc. Sur les pièces qui sont cylindriques de bout en bout, il est conseillé de déplacer la meule à
chaque passe jusqu’à ce qu’elle dépasse completement la pièce pour éviter que le diamètre en bout soit
plus grand. Les pièces longues et fines fléchissent sous la pression de la meule et doivent être
soutenues par des lunettes.
(a)
(b)
Fig. 43 Rectikication cylindrique, (a) exterieure, (b) interieure
Pour la rectification interne, les surfaces de contact dans les alésages entre meule et pièce sont très
grandes a l’inverse de la rectification cylindrique extérieure. Il en résulte des copeaux fins et longs et
un refroidissement défavorable.
Afin d’éviter une usure importante de la meule, le diamètre de la meule doit être de 6/10 à 8/10
du diamètre de l’alésage. Les meules tendres, ouvertes avec de gros grains s’avèrent les plus
avantageuses.
Fig.44 Representation d’une rectifieuse cylindrique
41
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IV. 6.5 Conditions de coupe
La vitesse de coupe et la vitesse de rotation sont aussi gouvernées par la formule précédante:
Vc =
π * Dm * N
(12)
1000
Sur la plupart des rectifieuses, la vitesse de rotation ne peut pas être modifiée. Cela signifie que la
rectification se fait avec des fréquences de rotation constantes.
Pour la rectification plane, la vitesse d’avance V f correspond à la vitesse de la table, Tandis que pour
la rectification cylindrique, elle correspond à la vitesse périphérique de la pièce.
IV. 6.6 Différents types de meules
-
Corindon à base de Al2O3 (fritté).
-
Nitrure de Bore Cubique (abréviation : CBN).
-
Diamant.
Dans chaque cas elle se différencie par :
-
La variété du grain (oxyde d'aluminium, carbure de silicium, diamant, etc.)
-
La grosseur du grain
-
L'espace entre chaque grain
-
Le liant
-
Le diamètre et la largeur
IV. 6.7 Avantages de la rectification
-
Possibilité de s'attaquer aux matériaux les plus durs
-
Pouvoir atteindre des tolérances dimensionnelles de l'ordre du micromètre (0,001 mm)
-
Obtenir un état de surface poussé (< 0,1 Ra).
42
UNIVERSITE BATNA-2
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
V. USINAGE A GRANDE VITESSE
V.1 Adaptation de l’usinage à grande vitesse
L’UGV porte sur deux processus; l'usinage dont le but est d'enlever un volume de matière de brut
important (parcours d'ébauche), qui exige l’utilisation des équipements à grande vitesse et les vitesses
d'avance élevées tirent pleinement profit des performances de la machine et des outils pendant un
temps plus courts pour enlever le grand volume de matière.
Le deuxième type est l'usinage dont le but est d’atteindre le niveau de précision et de qualité de
finition du produit fini (chemins de finition), avec l’amélioration des performances de coupe, des
outils de plus petites dimensions afin d'usiner les détails plus fins de la pièce.
V. 2 Les avantages de l’UGV
L’utilisation récente de l’UGV permet d'obtenir des gains significatifs comparativement à l'usinage
conventionnel. Mentionnons quelques avantages de cette nouvelle technologie Fig. 1.
V.2.1 Haute performance
La vitesse d'UGV peut être six fois plus élevée que l'usinage traditionnel de l’ordre de 20000 tr/min.
Grâce à l'utilisation de vitesses d'avance élevées, l'UGV peut enlever une quantité de matière plus
importante de brut dans une période de temps optimale, ce qui se traduit par une productivité accrue.
La vitesse de coupe augmente, la capacité d'usinage diminue, ce qui permet d'évacuer la majorité de la
chaleur générée par l’effet de coupe, alors la déformation thermique des pièces usinées est grandement
réduite, ce qui se traduit par une haute performance.
V.2.2 Simplicité du processus
En ébauche l'UGV peut s'effectuer directement sur les matériaux durs tandis que, l'usinage traditionnel
ne se fait que sur des matériaux doux et demi durs, l'UGV augmente les capacités d'usinage d'outils de
petites dimensions, donc les opérations d'électro-érosion devient inutiles avec une possibilité d'usiner
des pièces à parois minces avec précision d’autre part, l'UGV réduit les efforts de coupe et améliore la
précision et la qualité de finition de surfaces des pièces, ce qui réduit les retouches manuelles, les
opérations de polissage et par conséquent le temps d’usinage.
V.2.3 Précision et qualité
La vitesse de rotation élevée et la vitesse d'avance permettent à la machine a commande numérique de
surmonter la fréquence de vibration du système, subséquemment l'ensemble de l'équipement vibre
moins et fonctionne de façon plus stable, ce qui améliore la précision et la qualité de finition des
surfaces.
L'UGV autorise des profondeurs de coupe et des avances par dent plus importantes comparativement à
l’usinage conventionnel, ce qui permet d'augmenter la vitesse d'avance de l'outil. D’autre part, il
43
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
permet d’aboutir de petites valeurs de prises de passe favorisent la qualité de surfaces qui peuvent
atteindre un niveau de finition à effet miroir.
Simplicité du
Processus
Précision et
qualité
UGV
Haute
performance
Fig. 1 Exploit de L’UGV
V.3 Processus d’usinage CNC
La notion de Processus d’usinage fait référence aux trajectoires suivies par les outils de coupes lors de
l’usinage des pièces. Il présente une suite ordonnée interruptible de séquences d’usinage. Pour opter
aux opérations d’usinage par commande numérique, il est recommandé de modéliser la pièce à usiner
par un logiciel de conception assisté par ordinateur. Par la suite la planification de la trajectoire de
l'outil peut être réalisée en traitant les données de CAO dans un programme spécifique de fabrication
assisté par ordinateur. L’ensemble FAO utilise des stratégies de positionnement de l'outil intégré pour
générer des trajectoires d’outil avec un langage de programmation en G code ou certaines machines
ont leurs spécifiques langages. Les instructions machine commandent les mouvements de l’outil et
contrôle tous les dispositifs durant le procédé d’usinage.
Fig. 2 Processus d’élaboration de pièces
44
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Les mouvements de la machine doivent être dictés par le programme de la pièce à usiner qui comporte
les trajectoires de l’outil. La génération de trajectoire de l’outil doit être faite avant le processus
d’usinage indépendamment avec les outils de la FAO. Plusieurs logiciels de la FAO utilisent une
variété d’algorithmes de génération de trajectoires qui dépendent de la précision et de l’état de surface
recommandé.
Le modèle de CAO, les paramètres de coupes tel que le choix de la vitesse de coupe, l’avance et le
choix d’outils sont généralement les données d’entrées du générateur de trajectoires et qui sont
fournies par l’opérateur.
Les commandes qui vont instruire un usinage spécial pour suivre les trajectoires d’outil qui ont étaient
créer lors de la phase de conception CAO/ FAO, se constituent généralement en deux étapes. La
première, convertit les trajectoires d’outils à des commandes machine indépendantes stockées dans un
fichier en utilisant les outils de programmation automatique. (APT) format.
Le fichier résultant est constitué de géométrie et de commandes de mouvement sous forme de
commande en ligne généralement connu par G et M code.
V.4 Machines a commande numériques
Les Machines outils sont des équipements industriels les plus utilisés pour mettre en œuvre des
procédés d’usinage. La plupart d'entre eux sont fabriqués avec plusieurs axes de mouvement organisés
selon une architecture spécifique, les ordres sont communiqués grâce à des codes dans un programme
CN. Lorsque la machine outils est équipée d’une commande numérique capable de réaliser les calculs
des coordonnées des points définissant une trajectoire (interpolation), on dit qu’elle est à calculateur.
Elle est appelée Commande Numérique par calculateur (CNC) et elle est composée de deux partie,
Partie commande (PC) et Partie opérative (PO) Fig. 3.
Fig.3 Décomposition de la MOCN
Les fonctions de la Partie commande sont assurées par des sous ensembles à savoir le directeur de
commande numérique (DCN), les interfaces avec la partie opérative et les interfaces de
communication avec l’utilisateur et les autres PC. Tandis que la partie opérative comporte les types de
moteurs utilisés, Les capteurs de vitesse utilisés et Les capteurs de position.
Depuis leurs apparition, deux types de machine outils ont fait l’objet d’une concurrence dans le
domaine de la commande numérique, MOCN parallèle et sérielle.
45
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Une machine parallèle c’est une machine qui contrôle le mouvement de son effecteur au moyen d’au
moins deux chaines cinématiques allant de l’effecteur vers le bâti.
Ces machines sont parsemées de caractéristiques utiles pour l'usinage multi-axes: haute vitesse,
accélération et une rigidité élevée par rapport aux machines sérielles. Par conséquent un mécanisme à
structure sérielle est un mécanisme à chaine cinématique ouverte.
L’organe terminal est donc relié à la base par une seule chaine cinématique élémentaire ouverte.
(a)
(b)
Fig. 4 Machines outils sérielles: (a) Huron KX 15, (b) DMG HSC 105
Fig. 5 Machine outil parallèle « sprint Z3 »
(a)
(b)
Fig. 6 Machine outil hybride: (a) Links X 700, (b) Triptéor 8
46
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Par la suite les concepteurs ont réalisés des MOCN à structure hybride qui sont composées d’un
ensemble parallèle et d’un ensemble sériel Fig. 6a et b.
V.4.1 Sélection d'une machine-outil
Le choix des machines-outils doit être fait sur la base de connaissances des critères de décision.
D’après les opérateurs de MOCN et enseignants en production mécanique, les critères de sélection
d’une machine-outil sont classés comme suit:
-
Opération d’usinage
-
Dimensions de l’entité d’usinage
-
Morphologie de la pièce à usiner
-
Précisions d’usinage demandées
-
Dureté des matériaux
-
Conditions de coupe
-
Nombre de pièces à usiner
-
Encombrement au sol
-
Données économiques
En plus de ces critères, pour la sélection d’une machine outil, des contraintes d’usinage entre en jeu
à savoir; les Contraintes dimensionnelles, technologiques et économiques.
Alors, la sélection d'une machine outil n’est pas une tâche triviale. Elle implique l'identification des
capacités de la machine en relation avec le type de pièce à usiner. En effet chaque configuration a ses
propres forces et faiblesses. Dans ce contexte, une méthode intéressante pour la sélection automatique
d’une machine outil optimale a été développée, basée sur un constat formé de quatre supports:
-
Détermination du type et nombre possible des axes de la machine a partir des données de la
pièce à usiner.
-
Classification des critères de sélection d’une machine-outil.
-
Classification des contraintes qui influent sur la sélection d’une machine-outil.
-
L’identification des critères d’optimisation de la sélection d’une machine-outil.
V.4. 2 Les différents axes d’une MOCN
Les machines outils sont généralement configurées sur trois axes linéaires X, Y et Z et deux axes
rotatifs. Ces axes de rotation peuvent être associés à la broche ou la table qui porte la pièce Fig. 7 et 8.
Il existe différentes solutions cinématiques, voici une représentation schématique des plus courantes:
47
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
(a)
(b)
Fig. 7 MOCN avec deux axes rotatifs dans la tête: (a) avec fourche, (b) avec nutation.
Les surfaces de forme quelconque ayant une convexité régulière sont habituellement usinées avec 3
axes, pour les cavités profondes et les changements de courbure fréquents, il est cependant nécessaire
d'utiliser 5 axes.
(a)
(b)
Fig. 8 MOCN avec deux axes rotatifs dans la table: (a) avec rotation et orientation, (b) avec nutation.
L'orientation de la table permet d'obtenir des conditions de coupe idéales, pour usiner complètement
une surface de forme quelconque, plusieurs orientations dans différentes directions sont souvent
nécessaires.
48
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
V.4.3 Transmission de mouvement
L'architecture d'une machine outil est conçue pour répondre aux exigences de rigidité et de précision.
La technologie et la fluidité des axes de déplacement doivent être définies de manière à garantir les
capacités de la machines. Ces choix sont impliqués habituellement pour équilibrer les contraintes
contradictoires. Ainsi, pour permettre une forte accélération et avance par conséquent l'inertie doit être
aussi plus petite que possible, ce qui est en contradiction avec la grande rigidité nécessaire pour
l'usinage.
Pour les applications d'usinage à grande vitesse, les mouvements de translation guidés des axes sont
habituellement assurés par des vis à billes pré-chargées et qui sont adaptés pour travailler à de grandes
vitesses, mais sont vulnérables aux collisions et chocs (Fig. 9 (a)). Les mouvements sont assurés par
des actionneurs électriques commandés en position et en vitesse et qui sont reliés directement à la vis à
bille.
(a)
(b)
Fig. 9 Transmission de mouvement: (a) vis à billes (b) actionneur linéaire
Les actionneurs linéaires sont une nouvelle technologie qui est de plus en plus utilisée par les
concepteurs de machines outils (Fig. 9 (b)). Le mouvement linéaire est obtenu directement à partir des
forces électromagnétiques dans l’actionneur, sans aucune transformation du mécanisme. Ces
actionneurs présentent plusieurs avantages: propriétés cinématiques élevées (plus de 200 m/min
d’avance et plus de 50 m / s2 d’accélération et une haute précision).
V.4.5 Matériaux des outils
Il est également très important que les outils soient bien équilibrés à ces vitesses élevés, car les
vibrations ne font que s’amplifier.
Le choix des outils se fera donc en fonction de la matière à usiner et de l’opération à exécuter.
Les matériaux des outils les plus couramment utilisés sont les suivants:
•
Céramique blanche :
Plutôt réservé au tournage de la fonte, sans chocs ; également utilisable pour des aciers faiblement
alliés ; travail exclusivement à sec, machine rigide sans vibration indispensable.
49
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
•
Céramique mixte :
Plutôt réservé au tournage et fraisage des fontes dures et des aciers trempés; travail à sec de préférence
mais aussi avec arrosage.
•
Nitrure de silicium :
Particulièrement apte au dégrossissage des fontes non alliées. Aussi intéressante pour l’usinage de
l’aluminium à forte teneur en silicium. Inapte au travail des aciers et fontes fortement alliées ; travail à
sec ou sous arrosage.
•
CBN :
Plus le matériau à usiner est dur, plus ses qualités sont mises en évidence ; pour les ferreux il faut au
moins 45 HRC. Résiste très bien aux très hautes températures, par conséquent aux grandes vitesses de
coupe dans les aciers trempés et les réfractaires.
•
PCD (PKD) :
Le diamant poly cristallin est très dur, mais ne résiste pas bien à des températures supérieures à 850°C.
On ne pourra pas l’utiliser pour des métaux ferreux. Idéal pour l’usinage des aluminiums, laitons,
bronzes, graphite et polymères. Il est dédié à la finition.
V.5 Conditions de coupe
Les formules qui gouvernent les conditions de coupe à savoir, la vitesse de coupe et la vitesse
d’avance sont toujours ceux utilisées dans l’usinage conventionnel, seulement la performance des
machines outils et la nouvelles génération d’outils de coupe, ont menés a des vitesses de rotations très
élevées.
La vitesse de coupe dépendant à la fois de la vitesse de la broche et du diamètre de l’outil, l’UGV doit
être définie comme la « vitesse de coupe effective » au-dessus d’un certain niveau.
La dépendance linéaire qui existe entre la vitesse de coupe et l’avance a pour résultat une
augmentation proportionnelle: « A vitesses élevées, avances élevées ». L’avance sera encore plus
élevée si l’on choisit un petit diamètre de fraise à condition que l’avance par dent et le nombre de dent
restent inchangés. L’augmentation de la vitesse de rotation entraîne une augmentation de la vitesse
d’avance.
50
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VI. USINAGE PAR ELECTROEROSION
VI.1 Principe physique de l’usinage par électroérosion
L’usinage par électroérosion consiste à enlever de la matière par le billet d’une décharge électrique
entre l’électrode pièce et l’électrode outil, immergés dans un liquide isolant (le diélectrique), a
condition que la pièce soit obligatoirement conductrice.
Le diélectrique est en général de l’eau pour les machines de découpage EDM (Electrical Discharge
Machining) à fil, du pétrole ou de l’huile pour les machines EDM d’enfonçage.
Le diélectrique a comme tâche de réduire la température dans la zone d'usinage, d'enlever les
particules métalliques résiduelles et de permettre la création de l'étincelle.
L’application d’une tension génère un champ électrique entre l’électrode et la pièce (espace appelé
Gap). La tension de claquage dépend :
•
de la distance pièce/électrode (le Gap)
•
de l’état de pollution du Gap
•
du pouvoir isolant du diélectrique
Le processus de décharge électrique commence là où le champ électrique est le plus intense, c’est à
dire là où la distance pièce/électrode est la plus petite.
Le processus d'étincelage comprend les phases Fig.1:
a- Approche de l'électrode vers la pièce. Les deux éléments sont sous tension.
b- Concentration du champ électrique vers le point où l'espace électrode-pièce est le plus faible.
c- Création d'un canal ionisé entre l'électrode et la pièce
d- Claquage de l'étincelle. La matière de la pièce fusionne localement, se consume. L'électrode subit
une faible usure.
e- Evacuation des particules métalliques par un arrosage de diélectrique.
Fig. 1 Représentation des étapes du processus d’électroérosion
51
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VI.2 Usinage par étincelage
Un générateur Produit des étincelles qui vont, par intervalle régulier, créer une succession de cratères
dans la pièce. Chaque étincelle dégage une température comprise entre 8000 et 12000 °C. La grosseur
du cratère dépend de l'énergie régulée par le générateur d'étincelles. La portée de l'étincelle varie entre
quelques microns et 1mm.
Fig. 2 Usinage par étincelles
VI.3 Vitesse d’usinage et état de surface
Les états de surface dépendent de la dimension des étincelles. Si elles sont énergiques, l'état de surface
sera grossier Fig. 3(a), et la vitesse d'usinage sera rapide. Si elles sont faiblement énergiques, l'état de
surface sera fin Fig. 3(b), et la vitesse d'usinage sera lente.
(a)
(b)
Fig. 3 Types de surfaces en électroérosion, (a) surface rigoureuse, (b) surface fine
VI.5 Caractéristiques électriques des étincelles
La tension d’amorçage des étincelles est de 80 à 200 V, l’intensité moyenne des décharges de 1 à 20 A
et leurs fréquences varient entre 1 000 Hz et 1 000 000 Hz. Ces paramètres ainsi que la gestion de
l’évolution, au cours du temps de la tension et de l’intensité d’une étincelle type définissent ce que
l’on nomme des régimes. De chaque régime résulte un enlèvement de matière par unité de temps. Ces
paramètres dépendent aussi du type de diélectrique utilisé et du type de machine (EDM fil ou EDM
forme).
VI.6 Opération d’électroérosion
L’usinage par électroérosion peut être subdivisé en trois grandes catégories qui sont :
•
L’enfonçage (perçage, usinage d’empreintes de forme)
•
Découpage (tronçonnage avec lame, ou fil, ou ruban ou disque rotatif)
•
Rectification (intérieure, extérieure et plane)
52
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VI.7 Caractéristiques de l’électroérosion
L’usinage par électroérosion se caractérise par deux propriétés fondamentales et qui sont :
•
Usinage des métaux très durs.
•
Reproduction automatique des formes irréalisables par les moyens classiques à condition que
l’électrode outil puisse être retirée de la pièce après usinage.
VI.8 Conditions d’usinage
Les conditions d’usinage par électroérosion sont définies par de nombreux paramètres concernant :
•
L’étincelle : durée, nombre par unité de temps ( 200 × 105 etincelles s ), différence de
potentielle ( 20 à 300v ), énergie dissipé par étincelle ( 0.1 à 20J ), gap ( 0.02 à 0.35mm ).
•
L’électrode-outil : température de vaporisation (1500°C pour laiton, 4830°C pour graphite),
résistivité électrique ( 1.7 µΩcm 2 / cm pour cuivre, 1000 µΩcm 2 / cm pour graphite), facilité
de mise en forme.
•
L’électrode-pièce: température de vaporisation (jusqu’à 2400°C dans le cas de carbure de
tungstène) résistivité électrique ( 1.7 µΩcm 2 / cm pour cuivre, 70 µΩcm 2 / cm pour
carbures).
•
Le liquide diélectrique : stabilité chimique, viscosité, ininflammabilité, température
(ambiante).
Ces paramètres interviennent d’une façon complexe sur les résultats obtenus.
VI.9 Electrodes outils
Pratiquement tous les matériaux conducteurs de l’électricité peuvent être employés, avec plus ou
moins d’avantages. Les matériaux qui ont le plus haut point de fusion et la plus faible résistivité
électrique sont, en principe, les meilleurs : une température de fusion élevée confère à l’électrode une
résistance aux étincelles qui agissent à des températures élevées, et une faible résistivité électrique
(bonne conductibilité thermique) permet une meilleure évacuation de la chaleur.
Les matériaux les plus couramment utilisés sont :
Le cuivre, Le graphite, Alliage léger (alliage d’aluminium : silumin), Laiton et Tungstène pur
(principalement sous forme de fil).
Comme pour le choix des outils coupants, il y a lieu de choisir avec beaucoup de soin les matériaux
des électrodes satisfaisant les critères d’usinage et les considérations d’ordre économique. A signaler
aussi que la mise en forme d’électrodes et leur indéformabilité sont également des critères de choix.
53
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VI. 10 Diélectriques
Le liquide dans lequel s’effectue l’usinage d’une pièce par électroérosion a un triple but :
•
Il joue le rôle de diélectrique, c'est-à-dire qu’il ne laisse passer le courant qu’à partir d’une
certaine valeur (courant de claquage) correspondant à l’étincelle recherchée.
•
Il refroidi les électrodes (outils et pièce) par évacuation de la chaleur.
•
Il assure également l’évacuation des particules de métal en fusion (copeaux).
VI. 11 Machines EDM fil et EDM enfonçage
VI. 11.1 Caractéristiques communes aux machines EDM
Machines EDM à fil et les machines EDM d’enfonçage. Les caractéristiques communes aux machines
EDM sont les suivantes :
•
Usinage de matériaux conducteurs
•
Possibilité d’usinage de matériaux très durs sans limite de dureté
•
Absence d’effort mécanique à l’enlèvement de matière
•
Relativement lent
•
Asservissement des axes mécaniques aux conditions électriques pour maintenir un gap
constant. A aucun moment l’électrode ne touche la pièce, ce sont des mesures de grandeurs
électriques qui permettent de déterminer la distance pièce - électrode et qui sont utilisées dans
les boucles de régulation de la CN.
VI. 11.2 EDM enfonçage
Ce procédé reproduit naturellement la forme d’une électrode dans une pièce métallique. L’électrode
creuse progressivement la pièce selon un mouvement vertical. Si la pièce est un moule, l’électrode a la
forme de l’objet moulé Fig. 4.
(a)
(b)
Fig. 4 Représentation de l’enfonçage, (a) électrode en plongé, (b) en mouvement orbitaux
54
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
L’usinage est normalement réalisé en trois phases: l’ébauche, la semi-finition et la finition. Souvent,
plusieurs électrodes de différentes sous-dimensions sont nécessaires pour cela. Les mouvements
orbitaux permettent l’ajustement de la taille de la cavité et même l’utilisation d’une seule électrode
toutes les étapes.
VI. 11.3 EDM Fil
L’électrode est un fil qui défile en continu conçu à découper dans des matériaux dur, à l'aide d'un fil
métallique (électrode).Ce dernier est plus souvent en cuivre stratifié ou en laiton et mesure entre 0.02 a
0.3 mm de diamètre. Les matrices d'extrusion, les poinçons de découpe sont très fréquemment usinés
au fil, la découpe est toujours traversante Fig. 5.
Fig. 5 Découpe par EDM a fil
Le fil peut s'incliner permettant ainsi de créer des pièces avec dépouilles ou avec des profils différents
en haut et en bas de la pièce. Dans la zone d'usinage, chaque décharge crée un cratère dans la pièce
(enlèvement de matière) et un impact sur le fil (usure de l'outil-électrode), ainsi il n'y a jamais de
contact mécanique entre l'électrode et la pièce.
Fig. 5 EDM Fil.
55
Techniques de Fabrication Conventionnelles et Avancées
E- BAHLOUL
VI. 12 Avantages de l’usinage EDM vis-à-vis a l’usinage traditionnel
•
L’usinage d'un trou carré ou d'une gorge profonde est limité par le rayon d'angle de la fraise
alors, que ce type de forme est tout à fait envisageable par électro-érosion, par conséquent
aucune difficulté pour les angles vifs.
•
l'usinage de métaux très durs en traditionnel entraîne des risques de casse d'outils, alors que ce
type de matériaux (alliages, acier traité, titane…) est tout à fait envisageable en vue d'un
usinage en électo-érosion, par conséquent aucune limite de dureté.
•
pour maintenir la pièce, l'absence d'efforts mécaniques en électroérosion abolit les systèmes de
fixation complexes mise en œuvre dans l'usinage traditionnel.
56
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VII. FRITTAGE
VII.1 Généralités
Le procédé de frittage est utilisé pour fabriquer des pièces pour de nombreux domaines a savoir: Dans
le médical, il intervient dans la fabrication des prothèses de hanches et dentaires. Dans le transport, les
engrenages, les bougies d’allumage sont quelques unes des applications. Le frittage trouve également
des applications dans la fabrication des pièces de filtration, des aciers à outillages etc Fig. 1.
Fig.1 Pièces réalisées par frittage
VII.2 Caractérisation des poudres
La nature granulaire des matériaux peut être caractérisée par la morphologie des grains ainsi que par la
distribution en taille des particules.
La densité est une autre caractéristique importante qui renseigne sur la porosité d’un échantillon et est
définie comme :
Densité =Volume des particules / Volume total (particules + pores)
La figure. 2 montre quelques types de poudres.
Fig. 2 Représentation de quelques types de poudres
VII.3 Procédé de frittage
Le frittage est un procédé de fabrication de pièces consistant à chauffer une poudre sans la mener
jusqu’à la fusion. Sous l'effet de la chaleur, les grains se soudent entre eux, ce qui forme la cohésion de
la pièce. Le cycle thermique se déroule généralement en trois phases : une phase de chauffage à la
température du frittage, ensuite une phase isotherme et finalement une phase de refroidissement. Il est
indispensable de bien contrôler les vitesses de chauffage et de refroidissement afin d’éviter
d’éventuelles fissurations dans la pièce fabriquée.
Le frittage est la consolidation par action de la chaleur d’un agglomérat granulaire plus ou moins
compact, avec ou sans fusion d’un ou de plusieurs de ses constituants.
57
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
À la lecture des différentes définitions, on remarque que deux types de frittages existent:
•
le frittage en phase solide, si tous les constituants restent en phase solide.
•
le frittage en phase liquide, si au moins l’un des constituants est en phase liquide et
l’un au moins reste en phase solide.
VII.3.1 Réactions physico-chimiques au sein du matériau
a. Consolidation
Développement de cols qui soudent les particules entre elles. Au début du frittage, la consolidation se
fait par évaporation des surfaces et condensation sur le pont.
Fig. 3 Consolidation.
b. Densification
Réduction de la porosité.
Fig. 4 Densification.
VII.3.2 Différents stades de la densification
Trois différents stades peuvent être distingués pendant la densification. Dans le cas d’un frittage
isotherme, l’évolution dans le temps de la densité relative peut être représentée par la Fig. 5.
a. Stade initial
Dans cette première étape, le compact de poudre a une densité relative faible de l’ordre de 0.5 et 0.6.
Le stade initial est essentiellement marqué par la formation des joints de grains entre les particules,
donnant une certaine consolidation au compact dont la densité relative peut atteindre 0.65.
58
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
b. Stade intermédiaire
Cette étape constitue la plus grande partie du processus de densification. Elle correspond à
l’élimination progressive de la porosité ouverte (pores tubulaires). Elle s’accompagne d’une
densification importante, et entraîne la création de pores emprisonnés dans le solide (porosité fermée).
La densité relative atteint à ce stade des valeurs de l’ordre de 0.92.
c. Stade final
Ce dernier stade attribue au matériau sa microstructure. Il conduit dans le meilleur des cas à
l’élimination complète de la porosité fermée. Le matériau atteint donc dans ce cas sa densité théorique
(densité relative égale à 1).
Fig. 5 Evolution de la densité relative au cours du frittage
VII.3.3 Types de frittages
Le frittage peut s’effectuer sans contrainte mécanique (chauffage sous air ou sous atmosphère
contrôlée); il s’agit du frittage naturel. Une pression peut être simultanément appliquée au chauffage,
c’est le frittage sous charge. Le frittage sous charge est effectué dans le but d’obtenir une densification
plus complète ou d’utiliser une température plus basse que dans le cas du frittage naturel.
a. Frittage naturel
Consolidation par traitement thermique sans pression extérieure,
b. Frittage sous charge
Consolidation par traitement thermique avec application d’une pression extérieure (10-100 MPa).
c. Frittage en phase solide
La consolidation et l’élimination de la porosité se fait sans apparition de phase liquide nécessité de
particules très fines et de hautes températures.
59
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
d. Frittage en phase liquide
Ecoulement visqueux et réarrangement des grains, dissolution reprécipitation puis développement
d’un squelette solide.
VII.3.4 Modes de frittage
a. Frittage sans liant
Il concerne essentiellement les poudres métalliques.
Le frittage sans liant laisse des pièces poreuses, les vides pouvant atteindre 10 à 30 % du volume total.
Leur répartition n'est pas uniforme, à cause entre autres de l'« effet silo » (quand on remplit
progressivement de produits en grains ou en poudre un silo cylindrique, la pression qui s'exerce sur le
fond croît de moins en moins vite et se stabilise à une valeur limite lorsque la colonne stockée atteint
une certaine hauteur, à cause des frottements sur les parois). Cette porosité peut être considérée
comme un inconvénient, en particulier parce que les gaz emprisonnés peuvent faciliter la corrosion
interne. En revanche, on peut la mettre à profit pour imprégner les pièces frittées de produits
lubrifiants et fabriquer ainsi des coussinets autolubrifiants ou des plaques de guidage. Voir : Matériaux
utilisables pour le frottement. En frittant non plus des poudres fines, mais des petites billes calibrées,
on fabrique des filtres ou des silencieux pour l'échappement de l'air des vérins pneumatiques.
b. Frittage avec liant
Les mélanges d'oxydes qui servent à fabriquer les éléments de ferrite utilisés dans les circuits
électriques comme noyaux des bobines d'induction sont frittés sous très forte pression, comme les
pièces métalliques, mais avec un liant. On utilise à cet effet divers polymères qui sont consumés ou
évaporés pendant la cuisson.
Les carbures de tungstène que l'on trouve dans les plaquettes destinées à la coupe des métaux sont
frittés avec un liant métallique qui augmente la solidité et diminue les porosités. En l'occurrence, il
s'agit ici de cobalt.
c. Frittage pour le prototypage rapide
L’idée de base de l’outillage rapide est de ne plus réaliser une empreinte en partant d’un bloc et en
procédant classiquement par enlèvement de matière, mais au contraire de construire l’empreinte par
ajouts successifs de matière, couche par couche. Cette méthode permet de réduire considérablement
les temps de fabrication et de développement de nouveaux produits. Plusieurs technologies sont
désormais disponibles sur le marché, mais la technologie de frittage laser de poudre, semble être la
technologie la plus répandue et la plus complète.
60
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VII.3.5 Frittage laser
Le principe du frittage laser est simple de mettre une poudre métallique à une température locale
élevée, le durcissement est obtenu par application d’un faisceau laser qui décrit une trajectoire
correspondante à la géométrie que l’on veut obtenir. L’opération de frittage se fait en continu, par
dépôt de couches successives de poudre. Le procédé est très précis puisqu’il est possible d’obtenir
des détails de 150 μm pour des pièces en métal et de 300 μm pour des pièces en céramique. La
figure 6, présente un exemple de pièces en cours de frittage. Le faisceau laser provoque une
température locale élevée de la poudre, provoquant son durcissement. Le faisceau laser se déplace
en XY. Le dépôt des couches successives de poudre permet de réaliser des géométries en 3
dimensions.
Fig. 6 Représentation d’une opération de frittage en cours
Les machines comportent un certain nombre de sous-ensembles. Le plus important est
évidemment la tête laser, qui fournit l’énergie nécessaire pour réaliser le frittage. Le faisceau laser
(50 ou 100 W) est envoyé sur la tête par une fibre optique. La tête se déplace horizontalement au
dessus du four et comporte un dispositif galvanométrique d’orientation du faisceau afin que celui
ci réalise la géométrie désirée.
L’opérateur part d’un fichier CAO de la pièce (les standards les plus connus sont : IGES, STEP et
STL, Catia, Parasolid et quelques autres sur option) et fixe les paramètres de fabrication, en
fonction du type de poudre utilisé et du résultat à obtenir. La vitesse de fabrication peut être réglée
entre 1 et 10 mm3/s.
D’après la figure 7 l’opération de frittage se fait à l’intérieur d’un four à 900 °C, sous atmosphère
contrôlée. La poudre, présente dans un réservoir d’alimentation, est amenée par un système de
raclage mobile et déposée en couches successives dans le réservoir dans lequel a lieu le frittage.
La poudre est étalée uniformément dans le réservoir, seule la zone soumise au faisceau laser est
frittée. La partie inférieure de chacun des deux réservoirs est équipée de pistons à déplacement
vertical : en contrôlant ces pistons, il est possible de s’assurer que la poudre affleure toujours en
surface.
61
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 7 Schéma d’une machine de frittage par laser
VII.3.6 Avantages et inconvénients du frittage
a. Avantages
•
Faible prix de revient pour de grandes séries de pièces complexes, précises et saines, qui
peuvent être utilisées à l’état brut.
•
La porosité naturelle des pièces frittées permet la fabrication de filtres et de coussinets
autolubrifiants.
•
Autorise l’obtention de nouveaux alliages (encore appelés dans ce cas « pseudo-alliages»).
b. Inconvénients
•
La porosité naturelle peut devenir un inconvénient dans le cas de problèmes d’étanchéité par
exemple.
•
Le principe de la compression conduit à des pièces non homogènes (porosité plus élevée au
milieu), et dont les qualités de résistance mécanique sont faibles pour les métaux frittés.
VII.3.7 Exemples d'applications
Pour les applications dans le domaine du frottement et de l'usure :
•
pièces de frottement : bronze, fer, graphite.
•
filtres : bronze, titane, acier inoxydable, nickel.
62
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
•
aimants permanents: associations en proportions variables de fer + cobalt + nickel + titane +
aluminium.
•
contacts électriques: tungstène + cuivre ou argent.
•
grains et bagues d'étanchéité : graphite + argile, carbure de tungstène + cobalt, diverses
céramiques.
•
plaquettes de coupes : carbures métalliques (W, Ti, ...) avec cobalt, céramiques diverses,
•
plaquettes de frein: bronze + graphite, fer + graphite.
•
balais de moteurs électriques: graphite + argile + éventuellement éléments abrasifs pour éviter
l'usure adhésive.
•
réalisation de maquettes et de prototypes (utilisation de poudre polyamide chargée en billes de
verre, en aluminium, en carbone, etc. ou non chargée),
•
outils abrasifs constitués d'une matrice métallique (bronze, cobalt, fer, nickel, tungstène, ...) et
de grains de diamant ou de nitrure de bore cubique,
•
oxyde d'uranium fritté pour la fabrication de pastilles de combustible nucléaire.
•
Céramiques dentaires.
63
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VIII. USINAGE PHOTOCHIMIQUE
VIII.1 Définition
L'Usinage chimique est une technologie qui permet d’obtenir des pièces découpées ou gravées, très
précises et sans bavure, dans du métal. La découpe photochimique présente des avantages
considérables comparés aux autres technologies présentes sur les marchés tels que la découpe
mécanique, l’estampage, l’électroérosion à fil ou la découpe laser.
L’usinage photochimique permet la fabrication de pièces dans quasiment tous les métaux mais
également dans certains matériaux comme par exemple les aciers inoxydables, les métaux ferreux et
les métaux cuivreux qui représentent la majorité des productions en usinage photochimique. Ce
procédé est appliqué à des matériaux de faibles épaisseurs (inférieures à 2 mm) et assure la production
de pièces avec des formes géométriques très complexes et aux tolérances serrées. Généralement, les
tolérances données pour des pièces en usinage photochimique sont de +/- 10% de l’épaisseur du
matériel usiné.
Fig. 1 Gravure et découpe photochimique
VIII.2 Processus du procédé
Les deux éléments principaux du procédé d’usinage photochimique sont les solutions d’attaques
chimiques et les résines photosensibles (ou photorésist). Cette méthode de fabrication peut être
décomposée en quatre phases :
•
La préparation de surface qui consiste à optimiser la surface du matériel afin d’obtenir la
meilleure adhérence avec le photorésist.
•
L’opération de photolithographie.
•
La phase de gravure chimique.
•
Le stripage qui consiste à retirer le photoresist et assurer le nettoyage final des pièces.
VIII.3 Evolution de la découpe
L’attaque chimique est une attaque isotropique qui engendre un phénomène de sous-gravure qui doit
être pris en compte lors de la réalisation de l’outillage photographique. La sous-gravure dépend de
l’épaisseur et de la nature du matériel à usiner. On peut obtenir différentes géométries au niveau du
flanc de la découpe selon les réglages dimensionnels et de formes de l’outillage photographique Fig. 2.
64
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 2Trous obtenus avec l’usinage photochimique, (a) trou borgne, (b,c,d) trou conventionnel, (e) trou
conique, (f) trou à entonnoir
VIII.4 Procédure
Selon les paramètres de la solution d’attaque chimique et du type de substrat attaqué, on obtient des
résultats différents au niveau de la vitesse d’usinage et de la rugosité de surface Fig. 3. Cela a une
influence sur la qualité d’usinage donc sur l’état de surface des flancs et d’éventuelles zones gravées
de la pièce. Il est donc nécessaire de trouver un équilibre entre vitesse et qualité d’usinage selon la
nature du substrat et du résultat souhaité. Il est possible d’obtenir des surfaces très rugueuses jusqu’à
des surfaces brillantes.
Fig. 3 Variation des paramètres de coupe pour de l’acier inoxydable usiné avec du perchlorure de fer,
(a) vitesse d’usinage en fonction de la concentration en perchlorure de fer, (b) rugosité en fonction de
la concentration en perchlorure de fer
65
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
VIII.5 Déroulement de l’opération
Fig. 4 Déroulement de l’opération
VIII.6 Acquis et produits
Ce procédé n’est pas à considérer comme un concurrent des techniques d’usinage traditionnelles mais
plutôt comme un mode d’usinage complémentaire. Car il représente une solution performante pour la
conception de pièces plates d’épaisseur inférieure à 2mm. Celle-ci peut être très avantageuse,
66
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
notamment au niveau de ses faibles coûts d’outillages et voici quelques pièces réalisées par l’usinage
photochimique.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 5 Quelques pièces réalisées par l’usinage photochimique, (a) horlogerie, (b) grille a café, (c)
résistance, (d) filtres
a. Avantages et inconvénients
•
Pratiquement tous les métaux peuvent être usinés avec une haute précision et sans bavure.
Aucune atteinte aux propriétés chimiques et physiques du métal.
•
Géométrie de forme illimitée
•
Réalisation de l'outillage rapide et peu coûteux
•
Le procédé peut être utilisé pour des pièces allant de 0.01mm à 2mm, ce qui présente une
limitation dans la gamme de produits usinés (feuilles de métal).
67
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IX. USINAGE PAR LASER
IX. 1Généralités
Dans les années 60 naissaient les premiers LASERs, acronyme de “Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation” (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite,
leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie
quotidienne et dans l’industrie, (couper, souder , percer et graver). Les faisceaux rectilignes des lasers
servent aussi à aligner des routes, les tunnels et en médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades
sans toucher aux parties saines. Alors que le laser represente une lumiére de caractéristiques spéciales.
IX. 2 Comparaison de la lumière ordinaire et laser
a. Couleur
la lumière que l’on voit blanche peut être décomposée en plusieurs couleurs. Tandis que la lumiére
laser, est monochromatique. Il existe de nombreux types de lasers de couleurs différentes.
b. Direction
La lumiére est multidirectionnelle car, les différentes ondes lumineuses ne sont pas émises en même
temps. Elles oscillent de manière désordonnée, indépendamment les unes des autres. Alors que, la
lumiére laser est unidirectionnelle ou toutes les ondes lumineuses se déplacent dans la même direction
et forment un faisceau de lumière étroit, très peu divergent.
c. Ordonnancement
Pour la lumiére ordinaire, les différentes ondes lumineuses ne sont pas émises en même temps. Elles
oscillent de manière désordonnée, indépendamment les unes des autres. Par contre, la lumiére laser est
ordonnee (ou coherente) ou toutes les ondes sont en phase, c’est-à-dire avec leurs « bosses » et leurs
« creux » aux mêmes endroits. C’est le caractère ondulatoire de la lumière laser. En plus, elle peut-être
émise en continu ou sur des temps très courts et peut être fortement concentrée, dans le temps et
dans l’espace.
(a)
(b)
Fig. 1 Représentation de la lumière, (a) ordinaire, (b) laser
68
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IX. 3 Inversion de population
L’émission stimulée représente une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce
phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même
couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres: c’est la
lumière laser. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et
d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est
appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, a apporté une solution à ce problème : le pompage
optique, qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix
Nobel de physique en 1966.
Le premier milieu utilisé a été le rubis : éclairé par de la lumière blanche, il absorbe une partie des
couleurs (du vert au bleu) et émet de la lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde).
IX. 4 Oscillateur laser
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser. L’oscillateur est une
sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, qui
peut être, un matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des
photons. Une source d’énergie va exciter les particules du milieu laser qui pourront alors émettre de la
lumière Fig. 2.
Fig. 2 Oscillateur laser
IX. 5 Principe de production d’un fuseau laser
Un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des
miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les
deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite,
jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. La, ils seront renvoyés strictement en sens
inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en
chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à
chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un
des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des
photons sont réfléchis, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
69
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IX. 6 Amplificateurs laser
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement.
Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la
puissance gouvernée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs.
L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui
de l’oscillateur. Ces particules sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons
qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons
identiques alors, la puissance de la lumière laser est amplifiée.
Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau
laser.
IX. 7 Puissance d’un laser
La puissance se définit classiquement comme la quantité d’énergie émise par unité de temps. Un laser
délivrant un joule pendant une seconde aura une puissance d’un watt.
Dans le cas des lasers continus, l’étendue des puissances de sortie va classiquement de 1 mW pour des
petites diodes laser, à 50 kW pour les lasers de soudage.
Un laser de 20 W focalisé sur quelques micromètres produit une intensité de l’ordre du milliard de
W/cm². Avec un laser impulsionnel de quelques (mJ), on atteint très facilement les centaines de
milliards de W/cm². La focalisation est alors obtenue par des systèmes optiques plus ou moins
complexes, constitués de lentilles et de miroirs, qui sont adaptés aux longueurs d’onde et aux fortes
énergies utilisées Fig.3. La focalisation est, par exemple, indispensable pour les opérations
industrielles de perçage, soudage et découpage.
Fig. 3 Focalisation du faisceau laser
70
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IX. 8 Applications principales
Les lasers peuvent être appliqués dans plusieurs procédés d’obtention de pièces, à savoir ; le Soudage,
découpage, traitement de surface et marquage (identification de pièces…)
IX. 8.1 Lasers pour le soudage et la découpe
Ces lasers de moyenne et forte puissance ont de multiples applications dans le domaine de fabrication:
trempe, soudure, perçage, ponçage, découpage etc. Le principe de soudage laser repose sur la fusion
d’un point du matériau sur lequel le faisceau va se concentrer grâce au système optique. Après
focalisation, son éclairement peut atteindre plus de 1 MW/cm2. Les densités d’énergie étant très
importantes, il suffit de quelques microsecondes pour obtenir la fusion et la vaporisation du matériau à
souder. Ainsi, les lasers permettent la découpe de plaques d’acier inox jusqu’à 20 mm d’épaisseur
Fig.3.
Fig. 3 Découpe laser, « épaisseur 20mm »
IX. 8.2 Le marquage laser
L’utilisation de cette technologie permet une gravure polyvalente:
-Tous les matériaux: acier traité, métaux non ferreux, chrome, or, céramique, matières plastiques, bois.
-Toutes les formes : surfaces circulaires, concaves, convexes ou difficilement accessibles.
-Tous les caractères : le logiciel (qui commande le déplacement du faisceau) permet de tracer des
inscriptions alphanumériques, logos, sigles, codes à barres.. ext.
On peut citer comme exemples d’applications du Marquage laser ; le marquage de pièces médicales,
secteur automobile, aéronautique, maritime, instruments, pièces détachées, accessoires.
71
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
IX. 9 Principales utilisations des lasers en fonction de leur puissance
Type de
laser
Milieu laser
Excimères
CO2
Nd - YAG
A fibre
mélange de gaz rares
et halogènes (xénonchlore ou krypton-fluor)
mélange gazeux
azote-hélium-dioxyde
de carbone
Particules
excitables
groupement
de 2 atomes
Couleur
UV
molécules
de CO 2
IR - 10,6 μm
grenat d’aluminium et
yttrium (YAG) dopé au
néodyme (Nd)
ions Nd
IR - 1,06 μm
fibre optique dopée avec
des ions de terres rare
ions
dopants
IR - 1,03 μm
Utilisation
nettoyage, décapage et préparation de
surface.
-chirurgie interne et externe.
-soudage des métaux
-découpage de matériaux
-chirurgie interne et externe.
-soudage des métaux.
-découpage de matériaux.
- nettoyage, décapage et préparation
de surface
Puissance
107 à 108 W
en crête
-10 à 50 kW
-1 à 3 kW
-10 à 50 kW
-1 à 3 kW
-107 à 108 W
en crête
Marquage .
IX. 10 Avantages et inconvénients de l’usinage par laser
a. Avantages
•
L’usinage laser est un procédé écologique. Il n’emploi pas d’acides.
•
L’usinage laser vous permettra de graver dans les zones les plus difficile d’accès et avec peu
de profondeur (usinages d’évents d’une profondeur inférieur à 0.002 mm à plat et sur de la
forme). Finesse et précision d’usinage
•
Le laser n’influence pas la dureté du matériau usiné.
•
Le laser vous garantie une répétabilité parfaite pour de multi-empreinte (pas d’usure au cours
de l’usinage).
•
Réaliser des textures irréalisables par d’autres procédés
•
Usinages de formes selon les fichiers 3D (moletage, pyramides, nervures, godrons…)
b. Inconvénients
•
Investissement lourd
•
Danger des rayons (nécessite des protections importantes), effets sur la peau, effets sur l’œil.
Les risques électriques et électromagnétiques
72
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
X. FORMAGE ELECTRO-HYDRAULIQUE
X. 1 Généralités
Le Formage Electro-Hydraulique (EHF) s’appuie sur la déformation du métal (tôles et tubes
métalliques) par l’application d’ondes de choc qui l’accélèrent à très grande vitesse. Au moyen d’une
puissante de décharge de courant stocké dans un générateur. Ce procédé permet de former des pièces
pour divers secteurs et même d’autres allant jusqu’à plusieurs mètres carrés, alors la dimension des
pièces n’est plus une contrainte. Cette technique est utilisée pour remplacer l’emboutissage classique
qui n’offre pas beaucoup de solution à cause d’une trop grande complexité des formes souhaitées due
par exemple à une impossibilité de démouler ou à cause d’un choix de matériau plus difficile à former.
X. 2 Principe
L’hydroformage est un procédé de mise en forme dans lequel le poinçon ou la matrice est remplacé
par l’action d’un fluide sous pression. un arc électrique est généré dans l’eau entre deux électrodes. Ce
dernier vaporise l’eau ambiante.
La très grande quantité d’énergie libérée en un temps relativement court (100 à 300 microsecondes)
dans le canal de courant donne naissance à un système gazeux complexe connu par plasma de
décharge. Il s’agit d’un plasma dense à haute pression, caractérisé par une température de 103 à 104
K et une pression de 100 à 1 000 MPa. Ce plasma transforme l’énergie électrique délivrée par les
capacités en énergie mécanique d’ondes de choc.
L’onde de choc fait passer simultanément la pièce métallique à former d’un état solide à un état
viscoplastique et la projette sur la matrice, ce qui permet le formage à froid et à très grande vitesse de
pièces complexes. Toutes ces opérations ne prennent que quelques millisecondes. La durée totale du
cycle dépend exclusivement du temps de chargement et de déchargement du système.
Fig.1 Formage électro-hydraulique
Le fluide environnant est constitué par de l’eau parce que, dans l’air, l’onde de choc est
accompagnée d’une forte augmentation de température ; dans l’eau cette augmentation reste faible
en raison de l’incompressibilité de ce fluide. La matière à former est placée sur une matrice dans
laquelle le vide est réalisé.
73
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
X. 3 Commutation de puissance
Deux technologies sont classiquement utilisées pour effectuer la commutation d’énergie entre les
capacités et le système de décharge :
- Le premier système, appelé éclateur, consiste à approcher les capacités chargées (les deux électrodes)
l’une de l’autre pour provoquer entre elles un arc électrique le plus souvent dans un vide primaire.
Cette technologie a un temps de décharge de l’ordre de la milliseconde et ne permet pas d’obtenir une
bonne reproductibilité des décharges du fait de l’usure progressive des électrodes lors des tirs
successifs (fusion locale lors du passage d’un courant intense).
-Le deuxième système, c’est la technologie de type ignitron. Il s’agit d’un composant électronique de
puissance qui permet le passage d’un courant de 100kA en quelques microsecondes (Fig. 2).
X. 4 Machines Electro- hydrauliques
Les machines du formage électro-hydraulique présentent des éléments mécaniques et électroniques
Fig. :
•
Un générateur, batterie de condensateurs et contacteur, qui accumule l’énergie Electrique
nécessaire et assure l’amorçage de la décharge.
•
Deux éclateurs entre lesquels l’arc jaillit
•
Cuvette avec accessoires, fluide, matrice…. ext
X. 5 Produits du procédé
Bien évidemment, une large gamme de pièces sont produites par ce procédé surtout celles de formes
complexes Fig. 2.
(a)
(b)
(c)
Fig. 2 Différentes pièces, (a) aérospatiales, (b) automobiles, (c) quelconques
X.6 Avantages
•
Procédé mono-passe (au lieu d’outils à suivre)
•
Micro détails facilement formés
•
Formage mâle ou femelle possible (formage positif et formage négatif)
•
Matrice unique, pas de poinçon
•
Formage profond possible
•
Distribution régulière des contraintes et résistance accrue des matériaux à parois minces
74
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
XI. FORMAGE ELECTRO-MAGNETIQUE
XI.1 Introduction
L’électromagnétique est un procédé utilisé pour le formage de pièces métallique conductrices
d’électricité. Il se base sur une décharge de courant brève et intense traversant une bobine placée en
face de la pièce à former, la variation du champ magnétique créé par la bobine induit des courants dans
la pièce. Le couplage entre ce champ et ce courant induit génère des forces importantes qui permettent
la mise en forme de la pièce Fig.1.
Fig. 1 Représentation du formage électromagnétique
XI.2 Principe
Une bobine spéciale couplée à un système de stockage d’énergie étudiée est placée près de la pièce à
former. Lorsque le système libère une énergie électrique de forte intensité, un champ magnétique très
intense se crée dans la bobine, ce dernier projette la pièce sur une matrice à très haute vitesse. Ces
vitesses font passer le métal d’un état solide à un état viscoplastique permettant ca déformabilité.
Autrement dit, en présence d'un champ magnétique, tout matériau conducteur de l'électricité placé
dans ce champ est l'objet d'un courant induit. La présence du champ et du courant induit crée des
forces magnétiques. Ce phénomène est analogue au cas de conducteurs électriques parcourus par des
courants parallèles de même sens ou de sens contraire qui s'attirent ou se repoussent. Alors, le formage
magnétique est une application basée sur ce principe.
(a)
75
Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
(b)
(c)
Fig. 2 Schéma de principe de magnétoformage, (a) par plaquage, (b) expansion, (c) sertissage ou
compression
XI. 3 Eléments constitutifs du magnétoformage
Généralement, les éléments principaux de magnétoformage sont:
-Le générateur ou réservoir d'énergie de capacité relativement modeste mais constituant une source
d'énergie électrique de puissance très élevée.
- Un élément de commutation qui permet la décharge de la source d'énergie vers la bobine, lorsque le
réservoir est plein, ou bien, automatiquement ou bien sur commande via un opérateur.
- Une bobine de formage qui, du fait de sa compacité, subit des sollicitations électriques, mécaniques
et thermiques très élevées.
- La matrice.
XI. 3.1 Générateur
C’est un mécanisme capable de délivrer des impulsions électriques de plusieurs centaines de kilos
ampères sous des tensions de plusieurs kilos volts et d'une durée approchant les centaines de
microsondes, avec des cadences de production industrielle.
XI. 3.2 Bobine
Elle transforme l'impulsion électrique de décharge des condensateurs en champ magnétique intense et
doit supporter sans se déformer la pression magnétique qui permet la mise en forme des pièces, c'est le
cas des bobines permanentes.
XI. 3.3 Matrice
La matrice est le dernier maillon du procédé de magnétoformage. Son rôle est de donner une forme
précise à la pièce à déformer par le placage.
XI. 4 Applications
La technologie électromagnétique permet pas mal d’applications que ce soit en soudage, sertissage,
calibrage, emboutissage, coupage ou formage.
XI. 4.1 Soudage
La figure ci-dessous présente une association entre les deux pièces. La pièce intérieure vient de se
plaquer fortement avec la pièce extérieure, à cause des forces radiales dues aux champs magnétiques
produit par la bobine. L’association atomique entre les deux pièces peut alors avoir lieu.
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Procédés de Fabrication Conventionnels et Avancés
Fig. 3 Soudage d’un tube en aluminium sur un tube en cuivre
Un autre exemple d’assemblage par soudure, aluminium (660°C-F) avec un acier inoxydable (1400°CF). On remarque qu’il n’y a pas de zone affectée thermiquement, le matériau ne perd pas ses
propriétés.
XI. 4.2 Sertissage
Pour le sertissage, une pièce extérieure vient heurter la pièce intérieure avec violence et se déforme
plastiquement. Dans ce cas, la pièce extérieure épouse la forme de la pièce intérieure Fig. 4.
Fig. 4 Sertissage de deux pièces
XI. 4.3 Formage
Le formage se résume également dans la déformation par plaquage de tôles.
Fig. 5 Formage par plaquage
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XI. 4.4 Découpage
Pour le découpage. Si l’on compare avec du découpage par presse, on remarque que dans le cas de
l’impulsion magnétique, l’ébavurage n’est pas nécessaire. Si l’on compare avec du découpage laser,
on remarque que dans le cas de l’impulsion magnétique, l’opération est bien plus rapide. En effet, là
où un laser perce un trou dans la tôle (acier) en 1.4 seconde, la technologie de l’impulsion magnétique
prend 200 ms.
XI. 5 Avantages et Inconvénients
a. Avantages
Réduction des coûts, jusqu'à 40%, grâce aux grandes vitesses mises en oeuvre, les traitements
thermiques et les reprises manuelles sont éliminés.
•
Procédé écologique due à l’absence de chaleur, de fumée ou de radiation.
•
Mise en forme et perforation en une seule et même opération.
•
Processus extrêmement rapide comparé aux méthodes classique, qui permet un gain de temps
considérable et une meilleure production à cadence élevée.
•
Réalisation de pièces complexes avec de haute qualité de finition et des précisions pouvant
aller jusqu’à l’ordre d’un micron.
•
Procédé pouvant être appliqué à des matériaux de faible conductivité électrique.
•
La pièce épouse parfaitement les formes de la matrice, car il n’y a pas de retour élastique de la
matière.
•
Moins de risque de déchirures par frottement car il n’ya aucun contact entre l’outil et la pièce.
•
En effet, l’absence de chauffe permet d’assembler des matériaux métalliques dont les points
de fusion peuvent être très différents.
b. Inconvénients
Les inconvénients de ce procédé sont minimes et ce résume a :
•
Le matériau doit être un tube ou une tôle et conducteur d’électricité.
•
Formes de pièces limitées.
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