L’usinage est un procédé de fabrication essentiel dans l’industrie mécanique, permettant de transformer une pièce brute en un objet précis et fonctionnel. Grâce à des techniques variées, ainsi qu’on le voit un peu plus loin dans ce sujet, l’usinage enlève de la matière pour obtenir les dimensions et les formes souhaitées. Explorons donc les principales méthodes d’usinage mais aussi leur application dans divers contextes industriels.
La petite histoire de l’usinage comme avant-propos
L’usinage, en tant que technique de fabrication, trouve ses racines dans l’Antiquité, bien avant l’avènement des machines modernes. Les premières tentatives d’usinage remontent à l’Égypte ancienne, où des artisans utilisaient des outils rudimentaires pour façonner des matériaux comme le bois et la pierre. Cependant, l’usinage tel que nous le connaissons aujourd’hui a véritablement pris forme au cours de la Révolution industrielle au XVIIIème siècle. En 1775, l’inventeur britannique John Wilkinson a conçu une machine à aléser capable de percer des cylindres en fonte avec une précision inédite, marquant un tournant décisif dans l’évolution de l’usinage.
Le XIXème siècle a vu l’essor de l’industrie mécanique avec l’introduction de machines-outils de plus en plus sophistiquées. En 1817, Henry Maudslay, souvent considéré comme le père des machines-outils modernes, a développé le tour à vis-mère, qui permettait de couper des filetages précis et d’améliorer considérablement la production mécanique. Cet outil a jeté les bases de la standardisation des pièces et a ouvert la voie à la fabrication en série. Vers la fin du siècle, Joseph Whitworth a introduit des normes de mesure de précision et a perfectionné la fraiseuse, contribuant encore davantage à la précision et à la fiabilité des procédés d’usinage.
Le XXème siècle a apporté des avancées technologiques majeures avec l’invention des machines à commande numérique (CNC). En 1952, Richard Kegg, en collaboration avec le MIT, a développé le premier prototype de machine-outil à commande numérique. Ce développement a révolutionné l’industrie de l’usinage en permettant une automatisation accrue et une précision inégalée. Des entreprises comme Haas Automation, fondée en 1983 par Gene Haas, ont démocratisé l’accès aux machines CNC, rendant l’usinage de haute précision accessible à une plus large gamme d’industries. Aujourd’hui, les technologies d’usinage continuent de progresser avec l’intégration de l’intelligence artificielle et de l’Internet des objets (IoT), ouvrant de nouvelles possibilités pour la fabrication avancée.
Les différentes techniques d’usinage
Pour bien comprendre de quoi l’on parle, il nous faut citer les différentes techniques d’usinage :
Le perçage
Le perçage est l’une des techniques d’usinage les plus courantes, consistant à créer des trous dans une pièce à l’aide d’un outil de coupe rotatif. Ce procédé est essentiel dans de nombreuses opérations mécaniques, représentant environ 25% des opérations d’usinage. Les outils utilisés pour le perçage varient en fonction du diamètre et de la précision requise. Les forets, par exemple, sont des outils de coupe simples mais efficaces, disponibles dans une large gamme de tailles et de matériaux, allant de l’acier à haute vitesse (HSS) aux carbures de tungstène pour une meilleure durabilité et précision. Les fraises, quant à elles, sont utilisées pour des perçages nécessitant des tolérances plus strictes et des finitions plus lisses, surtout lorsqu’il s’agit de matériaux difficiles à usiner comme les alliages de titane ou les aciers inoxydables.
Le perçage est souvent une étape initiale avant des opérations de finition plus précises comme l’alésage que l’on voit plus loin. Cette technique permet de créer des trous guides qui sont ensuite ajustés pour atteindre les dimensions finales avec une plus grande précision. L’évolution des machines à commande numérique (CNC) a également transformé le perçage, en permettant une automatisation et une répétabilité accrues. Les foreuses CNC, par exemple, peuvent être programmées pour réaliser des séquences de perçage complexes avec une grande précision et une efficacité maximale. De plus, les systèmes de lubrification et de refroidissement intégrés aident à prolonger la durée de vie des outils et à maintenir la qualité des perçages en réduisant la friction et la chaleur générée pendant le processus.
Le fraisage
Le fraisage est un procédé d’usinage essentiel qui permet d’enlever de la matière d’une pièce pour créer des gorges, des trous cylindriques, et d’autres formes complexes. Ce procédé est réalisé à l’aide d’une fraise montée sur une fraiseuse, une machine-outil dédiée. Le fraisage combine deux mouvements clés : la rotation de l’outil de coupe et l’avance de la pièce. Ces mouvements coordonnés permettent d’usiner des formes variées avec une grande précision. Les fraiseuses peuvent être équipées de différentes types de fraises, telles que les fraises en bout pour les travaux de surface et les fraises cylindriques pour les découpes profondes, en fonction des besoins spécifiques de chaque projet. Cette flexibilité fait du fraisage une technique incontournable dans les ateliers mécaniques et industriels.
Pour les productions en série, les machines à commande numérique sont largement utilisées pour garantir une précision et une répétabilité maximales. Les centres d’usinage CNC modernes, comme ceux fabriqués par Haas Automation ou DMG Mori, offrent des capacités avancées de contrôle et de programmation, permettant de réaliser des séquences de fraisage complexes avec une efficacité et une précision inégalées. Ces machines peuvent être programmées pour exécuter des tâches de fraisage en trois, quatre ou même cinq axes, ouvrant ainsi la voie à l’usinage de formes extrêmement complexes. De plus, les technologies de surveillance et de correction en temps réel assurent une qualité constante des pièces produites, minimisant les erreurs et les rebuts. Le fraisage CNC est particulièrement adapté pour les pièces nécessitant des contours complexes et des finitions précises, répondant aux exigences rigoureuses de nombreux secteurs industriels, tels que l’aéronautique, l’automobile et la fabrication de moules.
Une vidéo de l’UIMM (Union des industries et métiers de la métallurgie) pour expliquer en quoi consiste le fraisage :
Le tournage
Le tournage, similaire au fraisage, consiste à enlever de la matière d’une pièce, mais il se distingue par le fait que c’est la pièce qui tourne, fixée dans un mandrin, tandis que l’outil de coupe reste immobile. Ce procédé permet de produire des formes cylindriques, pleines ou creuses, avec une grande précision. Les applications typiques du tournage incluent la fabrication de vis, de boulons et d’autres composants nécessitant une forme symétrique. Les outils utilisés dans le tournage peuvent varier, allant des burins simples aux outils plus complexes comme les barreaux à aléser pour des opérations internes. Le tournage est souvent utilisé pour les pièces nécessitant des surfaces lisses et régulières, où la symétrie de la pièce est essentielle pour son fonctionnement dans des assemblages mécaniques.
Comme le fraisage, le tournage peut être effectué sur des tours conventionnels ou des tours à commande numérique pour des résultats plus précis et répétables. Les tours CNC modernes, fabriqués par des entreprises telles que Mazak ou Okuma, permettent de programmer des séquences de tournage complexes avec une précision inégalée. Ces machines offrent des fonctionnalités avancées telles que le tournage multi-axes, permettant la création de géométries complexes et de formes non cylindriques. De plus, les technologies de surveillance en temps réel et de correction automatique améliorent la qualité et la cohérence des pièces produites. Le tournage CNC est particulièrement adapté pour les productions en série, où la répétabilité et la précision sont déterminantes pour garantir des produits de haute qualité. Les secteurs industriels tels que l’automobile, l’aérospatiale et la fabrication de composants de machines utilisent largement le tournage pour produire des pièces critiques avec des tolérances strictes et des finitions impeccables.
Le mortaisage
Le mortaisage est une technique d’usinage utilisée pour créer des trous de forme spécifique, appelés mortaises, destinés à recevoir une autre pièce appelée tenon. Ce procédé nécessite une grande précision pour assurer un ajustement parfait entre les deux pièces, car tout jeu ou décalage peut compromettre l’intégrité structurelle de l’assemblage. Réalisé à l’aide d’une mortaiseuse, le mortaisage fonctionne sur le principe du rabotage vertical. Dans ce procédé, la pièce à usiner est solidement serrée dans un étau, tandis qu’un outil de coupe en mouvement répété découpe progressivement la mortaise. Les mortaiseuses modernes, telles que celles fabriquées par Powermatic et Grizzly, sont équipées de systèmes de guidage avancés et de contrôles numériques pour améliorer la précision et la facilité d’utilisation.
Cette technique est couramment utilisée dans la fabrication de charpentes et d’assemblages mécaniques où des connexions robustes et précises sont essentielles. Dans le secteur du bois, par exemple, les menuisiers utilisent le mortaisage pour créer des joints mortaise-tenon, largement considérés comme l’une des méthodes les plus solides pour assembler deux pièces de bois. Les assemblages de meubles haut de gamme, les structures de bâtiments et les composants de machines industrielles bénéficient tous de la solidité et de la précision offertes par le mortaisage. Avec l’avènement des machines à commande numérique, le mortaisage a gagné en efficacité, permettant la production en série de mortaises précises et uniformes. Les CNC peuvent être programmées pour réaliser des mortaises avec des dimensions exactes, garantissant ainsi une parfaite compatibilité avec les tenons correspondants, ce qui est important dans les industries exigeant des tolérances serrées et une haute qualité d’assemblage.
Le filetage
Le filetage est un procédé d’usinage essentiel visant à créer des empreintes filetées en spirale à l’intérieur ou à l’extérieur d’une pièce. Ce procédé est utile pour préparer des assemblages vissés, permettant de sécuriser des composants ensemble de manière fiable et durable. Les empreintes filetées peuvent être créées à l’aide de tarauds, pour les filetages internes, ou de filières, pour les filetages externes. Ces outils permettent de former les filets hélicoïdaux nécessaires à l’accouplement précis des pièces. Selon les exigences spécifiques, le filetage peut être réalisé manuellement pour des travaux de précision ou à l’aide de machines-outils pour des productions en série. Les machines de filetage modernes, comme celles produites par Hardinge ou Haas, offrent des capacités avancées pour des filetages rapides et précis, y compris la possibilité de programmer des pas et des diamètres spécifiques pour répondre aux besoins de diverses applications industrielles.
Le filetage assure la compatibilité et la sécurité des assemblages mécaniques, jouant un rôle clé dans la durabilité et la fiabilité des structures. Dans l’industrie manufacturière, les filets sont utilisés dans une multitude d’applications, allant de la fixation de petits composants électroniques à la sécurisation de grandes structures mécaniques. Les filetages métriques et impériaux, standardisés par des organismes comme l’ISO (International Organization for Standardization) et l’ANSI (American National Standards Institute), garantissent une compatibilité globale, facilitant les échanges et la maintenance des équipements à l’échelle internationale. Le filetage CNC permet également la production de filets non standards et complexes, avec des tolérances extrêmement serrées, répondant aux exigences spécifiques des secteurs aéronautique, automobile et médical. Grâce à ces innovations technologiques, le filetage continue de jouer un rôle vital dans l’assemblage sécurisé et durable de pièces mécaniques critiques.
L’alésage
L’alésage est une technique de finition importante dans l’usinage, utilisée pour retoucher l’intérieur d’un cylindre ou d’une pièce creuse afin d’obtenir une surface lisse et précise. Ce procédé est souvent une étape secondaire après le perçage initial, visant à éliminer les bavures et les imperfections laissées par les opérations antérieures. L’objectif de l’alésage est de garantir une dimension précise et une surface intérieure régulière, essentielle pour les applications nécessitant des tolérances strictes et une parfaite circularité. Les outils d’alésage, tels que les alésoirs et les barres d’alésage, sont spécialement conçus pour cette tâche, offrant une précision de finition qui peut atteindre des microns. Selon la taille et la complexité de la pièce, l’alésage peut être effectué manuellement pour des travaux simples, ou sur des machines-outils telles que des tours, des fraiseuses, ou des aléseuses dédiées pour les pièces de grande taille.
L’utilisation d’une aléseuse dédiée permet de réaliser des opérations d’alésage avec une précision et une efficacité accrues, notamment pour les pièces de grande taille ou les séries de production. Les machines modernes, comme celles produites par des fabricants tels que Berthiez et Union, sont équipées là encore de systèmes de commande numérique permettant un contrôle précis des dimensions et de la qualité de surface. Ces machines peuvent être programmées pour ajuster automatiquement les paramètres d’alésage en fonction des spécifications de la pièce, assurant ainsi une constance et une reproductibilité optimales. L’alésage CNC est particulièrement utile dans les industries aéronautique et automobile, où des tolérances extrêmement serrées et des finitions de haute qualité sont impératives pour garantir la performance et la sécurité des composants. En éliminant les imperfections et en assurant des surfaces intérieures homogènes, l’alésage joue un rôle essentiel dans l’amélioration de la durabilité et de l’efficacité des pièces mécaniques.
Une vidéo d’alésage pour comprendre :
La rectification
La rectification est un procédé d’usinage de finition qui consiste à retoucher l’extérieur d’un cylindre ou d’une pièce plane par limage. Réalisée sur une rectifieuse, cette technique permet d’obtenir une surface parfaitement régulière, réduisant les frictions lors de l’assemblage. La rectification peut être plane ou cylindrique, en fonction de la forme de la pièce. Pour les pièces planes, la pièce effectue un mouvement de va-et-vient sur une meule horizontale, tandis que pour les pièces cylindriques, la pièce tourne sur elle-même et avance le long de la meule. Ce procédé est intéressant pour assurer la qualité et la performance des composants mécaniques.
D’autres techniques d’usinage à connaître
Outre les techniques d’usinage courantes telles que le perçage, le fraisage et le tournage, il existe plusieurs autres procédés essentiels utilisés pour répondre à des besoins spécifiques dans divers secteurs industriels. La découpe, par exemple, est souvent une étape préparatoire qui permet de tailler la matière brute en formes approximatives avant l’usinage proprement dit. Les techniques de découpe comprennent la découpe au laser, la découpe au jet d’eau et la découpe plasma, chacune offrant des avantages distincts en termes de précision, de vitesse et de compatibilité avec différents matériaux. Par exemple, la découpe au laser, utilisée dans les industries automobile et aérospatiale, permet de réaliser des découpes extrêmement précises et nettes dans les métaux et les composites. La découpe au jet d’eau, en revanche, est idéale pour des matériaux sensibles à la chaleur, tels que le plastique et les composites, car elle utilise un jet d’eau à haute pression mélangé à des abrasifs pour couper sans provoquer de déformation thermique.
Le traitement thermique est une autre technique essentielle utilisée pour modifier les propriétés mécaniques des matériaux, notamment leur dureté et leur résistance. La trempe, un procédé couramment utilisé pour durcir l’acier, consiste à chauffer la pièce à une température élevée puis à la refroidir rapidement dans un liquide de trempe comme l’huile ou l’eau. Ce traitement améliore considérablement la résistance à l’usure et la durabilité des composants mécaniques. D’autres traitements thermiques, tels que le revenu ou le recuit, sont utilisés pour ajuster la dureté et la ductilité des matériaux en fonction des exigences spécifiques de l’application. Les fabricants tels que Lindberg/MPH et Abbott Furnace Company proposent des équipements de traitement thermique avancés, permettant un contrôle précis des processus pour garantir la qualité des pièces traitées.
Les étapes de finition, telles que le polissage, le rodage et le sablage, sont également nécessaires pour obtenir des surfaces lisses et esthétiques. Le polissage utilise des abrasifs pour éliminer les petites imperfections de surface et améliorer l’apparence visuelle des pièces. Le rodage, quant à lui, est utilisé pour améliorer la précision dimensionnelle et la finition de surface en utilisant des pierres abrasives rotatives. Le sablage, qui projette des particules abrasives à haute vitesse sur la surface de la pièce, est utilisé pour nettoyer, ébavurer ou préparer les surfaces avant l’application de revêtements. Ces techniques de finition sont indispensables dans des secteurs tels que l’aéronautique, où les exigences de qualité et de performance sont extrêmement élevées. En complétant les opérations d’usinage, ces procédés de finition assurent des pièces de haute qualité, répondant aux normes strictes de divers environnements industriels.
Parmi les techniques d’usinage plus spécialisées, l’usinage par électroérosion et l’usinage par ultrasons jouent un rôle important. L’usinage par électroérosion, ou EDM (Electrical Discharge Machining), utilise des décharges électriques pour enlever la matière de pièces très dures ou complexes, permettant de créer des formes précises dans des matériaux difficiles à usiner par des méthodes traditionnelles. Cette technique est particulièrement utile pour les moules et les matrices dans les industries des plastiques et de l’automobile. L’usinage par ultrasons, quant à lui, utilise des vibrations ultrasoniques combinées à un abrasif pour usiner des matériaux durs et fragiles, tels que la céramique et le verre. Ce procédé permet de réaliser des finitions de haute précision sans endommager les matériaux délicats.
Enfin, l’usinage chimique et l’usinage électrochimique sont des procédés non conventionnels qui complètent l’éventail des techniques d’usinage. L’usinage chimique utilise des solutions chimiques pour dissoudre sélectivement la matière, tandis que l’usinage électrochimique combine des réactions électrochimiques avec un contrôle précis des paramètres pour enlever la matière sans chaleur ni contraintes mécaniques. Ces techniques sont particulièrement adaptées à la fabrication de composants électroniques miniaturisés et de pièces médicales où des tolérances extrêmement fines et des géométries complexes sont requises. L’intégration de ces procédés spécialisés permet aux fabricants de répondre aux exigences variées et évolutives des industries modernes, garantissant ainsi des solutions d’usinage polyvalentes et efficaces.
Pour conclure sur l’usinage
L’usinage est à considérer comme un pilier de la fabrication mécanique moderne, offrant des solutions précises et efficaces pour transformer des matières brutes en pièces fonctionnelles et complexes. Les techniques d’usinage, allant du perçage au fraisage en passant par le tournage et la rectification, permettent de répondre à une variété de besoins industriels. Grâce à l’évolution des technologies, notamment les machines à commande numérique, l’usinage continue de se perfectionner, garantissant des résultats de haute qualité et une grande flexibilité dans la production de pièces mécaniques.
D.A.
