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Machine-outil Présentation par  François C. PRUVOT Ingénieur-docteur  Ancien Directeur technique de Renault Machines-outils  Professeur honoraire, directeur du Laboratoire de productique et de machines-outils  École polytechnique fédérale de Lausanne 

1.

Définitions........................................ .......................................................... ....................................... ....................................... ...................

2.

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—

3

3. 3 .1 3.2 3.2 3.3 3.3 3 .4 3 .5 3.6 3.6 3.7 3.7 3.8 3.8 3 .9 3.10 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.16 3.17 3.18

Descri Descripti ption on sommai sommaire re et foncti fonctionn onnell elle e.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Bâti ......... .............. .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ...... Sol Sol ou ou fon fonda dati tion on ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. Pièc Piècee à usin usiner er..... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... Outil .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ....... .. Broche.......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... Comm Comman ande de de de puis puissa sanc ncee ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Por Porte-o te-out utiil ......... .............. .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... Mont Montag agee d’us d’usin inag agee .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... Chariot ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... Glissi Glissière èress .......... ............... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... ......... .... Commande Commande d’avance d’avance... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Alimentati Alimentations ons et commande commande ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... Élaboration et transmission transmission des consignes.. consignes .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Système Système d’outils d’outils ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ........ ... Préparati Préparation on et stockage stockage des pièces. pièces. ...... ......... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ..... .. Mesu Mesure. re...... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. Traitement des copeaux et du liquide de coupe .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Capotage Capotage de de la machin machine. e..... ......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .....

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Pour en savoir plus ....................................... ........................................................... ....................................... ................................ .............

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’étude ne concernera que les machines d’usinage des métaux. La quasi-identité de la plupart des organes de toutes les machines d’usinage, soulignée par les définitions (§ 1), 1), nous permettra de n’en étudier qu’une seule, qu’on choisira volontairement atypique  ;   ; aussi bien élément de machine uni-  verselle que tout ou partie d’une machine spéciale, elle nous permettra de ne  décrire qu’une fois ses principaux composants. Bon nombre, cependant, seront  absents de certaines machines : leur étude ou leur utilisation ne les prendra  simplement pas en compte, sans pour autant remettre en cause l’architecture  ou la technologie de la machine type. Il faut cependant noter une évolution qui a commencé avec la Première Guerre  automatisation  mondiale, mais qui est loin d’être achevée : c’est la tendance à l’ automatisation  intégrale. L’ automatisation  automatisation  est  est devenue une réalité dans les industries du textile dès la  fin du XVIII e   siècle (cf. Jacquard 1752-1834). Les premières machines-outils  entièrement automatiques, les décolleteuses, nées à la fin du XIX e   siècle,

n’étaient capables que d’usiner des pièces relativement simples et fabriquées  en grande série, généralement tirées de métaux en barres (cf. Brown et Sharp ;  Jung). C’est la guerre sous-marine qui, rendant problématique l’exportation de 

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céréales des États-Unis vers la Grande-Bretagne, poussa au développement du  machinisme agricole dans ce même pays, contraint de devenir autosuffisant pour  ce qui est de la nourriture. La première usine moderne de tracteurs y fut alors  installée par Henry Ford (1863-1947). De nos jours et depuis des décennies, la  génération des machines-transferts, des machines à commande numérique, des  systèmes flexibles de fabrication, des machines d’assemblage automatique et  de bien d’autres, toutes machines sur lesquelles l’homme n’intervient pra-  tiquement plus en temps réel, n’a pas encore modifié l’architecture des machines  et leurs composants de façon radicale. Cela procède sans doute de la volonté consciente ou inconsciente de maintenir  les machines-outils dans leur rôle d’auxiliaire d’un opérateur humain. Nous  essaierons, à la fin de l’ensemble « Machine-outil », de montrer une évolution  possible des machines, qui pourrait leur permettre un travail quasiment auto-  nome. Se pose alors la question de savoir si cette évolution est nécessaire  économiquement ; si la réponse est positive, on ne pourra alors pas échapper  à deux problèmes qu’on ne saurait passer sous silence. Le premier, d’ordre social  – sinon sociologique –, fait l’objet de débats publics depuis des décennies, ce  qui ne veut pas dire qu’il soit bien compris (et encore moins résolu). Le second  semble être passé inaperçu, bien que son importance soit au moins égale à celle  du premier ; le progrès technique n’a été rendu possible que par la conjonction  de l’homme et de la machine, l’un poussant et corrigeant l’autre. C’est ainsi que  l’on a pu faire des machines filles , plus performantes, plus précises, que leurs  mères . L’automatisme intégral, en tout cas tel qu’il se pratique aujourd’hui, n’a  plus ce potentiel d’amélioration continue qui a permis de passer du tour de potier  du néolithique au centre de tournage permettant la génération, par usinage au  diamant monocristallin, de miroirs de télescopes et d’objectifs de satellites-  espions, d’une précision très submicronique. La fille ne vaut plus la mère ; en  tout cas, elle ne lui est plus supérieure. Là encore, nous essaierons de montrer  quelques points qui pourraient permettre de poursuivre l’amélioration des per-  formances des machines-outils qui s’avérera rapidement indispensable. L’article « Machine-outil  » fait l’objet de plusieurs articles :  [B 7 120] Présentation ;  [B 7 121] Principaux organes ;  [B 7 122] Exemples de machines ;  [B 7 123] Systèmes de fabrication. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres ; le lecteur devra assez  souvent se reporter aux autres articles. Le numéro d’article est suivi du numéro  de paragraphe ou de figure.

1. Définitions La machine-outil , selon le dictionnaire Larousse   est une « Machine destinée à façonner la matière et mettant en œuvre un outillage mû mécaniquement [...]. Une machine-outil travaille soit par déformation de la matière (machine à dresser les tôles, cisaille, emboutisseuse, poinçonneuse, plieuse), soit par enlèvement de métal. On a alors : — les machines à mouvement circulaire continu , soit de la pièce (tour), soit de l’outil (fraiseuse, perceuse, aléseuse) ; — les machines à mouvement rectiligne alternatif , soit de la pièce (raboteuse), soit de l’outil (étau limeur, mortaiseuse, brocheuse) ; — les machines à outil abrasif  dans lesquelles l’outil est constitué par une meule, une toile enduite d’émeri, etc. [...] ; — les machines-transferts : dans une machine-transfert, l’avance des pièces à usiner et leur ablocage   aux différents emplacements 

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successifs sont réalisés automatiquement, tandis que l’avance des outils, à chaque poste, est commandée par des contacteurs électromagnétiques, actionnés par des cames et des tiges qui provoquent le déclenchement des différentes opérations suivant un cycle d’usinage préétabli. » Ces définitions doivent être considérées comme incomplètes, voire partiellement erronées. On ne prétend pas ici apporter toutes les corrections et tous les compléments nécessaires. Au contraire, on réduira le champ aux seules machines d’usinage des métaux, en notant toutefois que, en fabrication mécanique, on doit ajouter plusieurs espèces relativement nouvelles de machines – nées dans la deuxième partie du XX e siècle – sans lesquelles toute production est simplement impossible. On citera en particulier : — les machines à mesurer ; — les machines d’assemblage ; — les machines de réglage ;

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auxquelles on pourrait non abusivement ajouter les machines de  manutention et de stockage. À ces dernières appartiennent encore les robots , qui sont très rarement employés avec bénéfice hors de ce domaine. Nota : il y a encore bien d’autres types  de machines-outils qu’on peut incorporer dans des systèmes de fabrication (machines à laver, à contrôler l’étanchéité, à mesurer le bruit, etc.).

Les erreurs et approximations que contiennent les définitions ci-dessus sont de plusieurs ordres.  Ces définitions sont d’abord incomplètes. Ici, on ne voit pas une machine de bombardement électronique ou une machine d’usinage par laser s’insérer dans une des quatre classes définies. Ce sont pourtant des machines-outils d’usinage.  Ensuite, ces définitions ne sont pas homogènes. À l’évidence, l’espèce (ou la famille, l’ordre, etc.) des machines à mouvement circulaire n’est pas de même niveau hiérarchique que celle des machines à outil abrasif, ce dernier pouvant être tournant (rectification) ou animé d’un mouvement alternatif (pierrage, rodage, superfinition).  La description de la machine-transfert peut se rattacher à ce type d’erreur, bien que s’en distinguant à d’autres points de vue. En fait, une classification correcte devrait distinguer la famille des machines spéciales , à laquelle appartiennent les machinestransferts – et bien d’autres comme les machines à poste fixe, les machines à plateau pivotant, etc. –, et celle des machines universelles, ou banales, comme on les appelle parfois. La description d’une machine-transfert, par Larousse, est elle-même particulière. Elle s’applique aux machines spéciales électromécaniques qui ont été créées par Renault à la fin de la Deuxième Guerre mondiale. Avant cela – et encore aujourd’hui – d’autres machines-transferts utilisaient des cames pour actionner tous leurs organes, à l’instar des décolleteuses, dont les cames sont entraînées généralement à vitesse constante par un ou plusieurs moteurs ; d’autres machines-transferts sont à commande hydraulique ou électrohydraulique. Enfin, dès avant 1970, l’électronique et l’informatique avaient fait leur apparition et avaient permis le développement de nouvelles commandes  de machines : — commande par automate programmable , pour ce qui est de la logique ; — commande numérique   (CNC - Computerized Numerical  Control ) pour la commande des « axes » des machines ; les deux types de commande se trouvant en général conjointement au sein d’une seule et même machine pour en assurer le fonctionnement. 

Nota : on appelle généralement axe d’une machine un ensemble capable de positionner un organe – fonction la plus simple – à une position définie numériquement. À des niveaux plus évolués, on parle de commande en vitesse, de synchronisation, d’interpolation avec d’autres axes.

Les deux types de machines, universelles et spéciales, ont bien sûr bénéficié de ces nouvelles commandes ; en fait, il est très facile de s’en rendre compte, elles sont étroitement apparentées. Bien que visuellement très différentes, elles dépendent des mêmes connaissances, des mêmes méthodes d’étude et leurs organes principaux sont pratiquement équivalents, si ce n’est identiques. Cette très grande similitude nous permettra, dans ces articles, une non moins grande simplification, puisque leur seule réelle différence apparaît dans leurs cadences de production.

s’il y a interférence outil/pièce, un enlèvement de matière que nous appelons usinage. Nota : l’essentiel de la matière enlevée  doit appartenir à la pièce à usiner. Cependant, la plupart des processus d’usinage entraînent aussi un enlèvement de matière de l’outil ; c’est alors une usure dont l’effet n’est pas toujours nuisible (cf. autorégénération des meules en rectification ou des pierres en pierrage).

Selon les conventions de la physique élémentaire, un point matériel – et donc une pièce composée d’une infinité de points – possède, par rapport à un référentiel spatial fixe, six degrés de liberté. Si ce référentiel est un trièdre trirectangle, le déplacement du point/pièce dans l’espace pourra être réduit à trois translations suivant les axes OX, OY, OZ  (figure 1) et à trois rotations autour de vecteurs parallèles à ces mêmes axes, normalement désignées par A (autour de OX ), B (OY ) et C (OZ ). Le point/pièce est alors réputé avoir six degrés de liberté par rapport au référentiel [trois de translation (OX, OY, OZ ) et trois de rotation ( A, B, C )]. 

Si les déplacements  correspondants sont commandés, on conçoit qu’on puisse générer, sur et dans la pièce, des surfaces fonctionnelles, mais de fonctions très variées : purement esthétiques (matrices d’emboutissage de carrosseries de véhicules ou d’un appareil électroménager) ; guidage d’écoulement (voilure ou fuselage d’avion, aubage de turbine) ; séparation (surface d’un carter dissociant deux espaces dont la communication doit obéir à certaines règles) ; positionnement relatif avec une précision plus ou moins grande de deux pièces l’une par rapport à l’autre, etc. Dès que ces surfaces répondent à des caractéristiques topologiques ou dimensionnelles précises (planéité, parallélisme, diamètre, etc., suivant leur taille de 1 à 0,1 mm et au-dessous, les limites actuelles se situant vers le nanomètre), leur réalisation, leur façon-  nage   sont généralement du domaine de l’usinage et donc de la machine-outil d’usinage. 

Pour la très grande majorité des machines-outils d’usinage, la vitesse relative  pièce/outil nécessaire à l’enlèvement de matière est obtenue par rotation  de l’outil ou de la pièce (§ 1) : tours, aléseuses, rectifieuses, fraiseuses, perceuses, centres d’usinage, unités composant les postes des machines spéciales et, en particulier, des machines-transferts, etc. Pour quelques autres (de plus en plus rares), le mouvement relatif  est une translation   : les raboteuses et étaux limeurs ayant maintenant disparu, il ne reste plus, pratiquement, que les machines à tailler à outil-couteau et les brocheuses. Certaines autres machines  n’ont nul besoin d’une vitesse relative de coupe, comme les machines d’électroérosion, à fil ou par enfoçage. Enfin, pour d’autres machines encore, l’outil est presque virtuel ; ou plutôt il existe sous forme divisée, voire continue : machine à découper au jet d’eau, chargée ou non de particules abrasives, machines à usiner par laser, par bombardement électronique et quelques autres (usinage chimique par exemple). 

L’essentiel des paragraphes 2 et 3 est tiré de [1].

2. Principe d’une machine type

Figure 1 – Les trois axes cartésiens et les six degrés de liberté

Le principe d’une machine-outil par enlèvement des copeaux  est très simple : on déplace devant un outil (fixe ou animé de mouvements) une pièce à usiner. Ce déplacement relatif entraîne, Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de c opie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique

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L’intérêt de cette énumération (incomplète) est que toutes ces machines, malgré la grande différence entre les processus qu’elles mettent en œuvre, ont des morphologies et d’autres caractéristiques techniques et technologiques presque identiques. Toutes utilisent un bâti portant des glissières permettant une translation outil /processus et pièce selon les axes d’un trièdre trirectangle. Beaucoup nécessitent aussi des axes rotatifs et tous ces axes doivent être commandés de manière sensiblement identique ; leurs commandes, avec ou sans rétroaction en provenance du processus d’usinage, sont très proches ainsi que bien d’autres composants et organes qu’on décrira dans cet article. Dans ces conditions, on peut envisager une méthode unique de description, voire une méthode et des procédés identiques d’étude et de fabrication pour toutes  les machines-outils.

3. Description sommaire et fonctionnelle La figure 2 montre la machine atypique dont nous avons parlé dans l’introduction. Nous allons rapidement la décrire, ainsi que ses principaux composants, d’une manière essentiellement fonctionnelle ; c’est uniquement quand nous étudierons leur conception [B 7 121] que nous nous intéresserons à leurs performances (nous devrons alors préciser le sens de ce mot dans le contexte des machines-outils) et, de là, à leur morphologie, leurs dimensions et leur technologie.

Figure 2 – Système de fabrication et machine type

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3.1 Bâti Le bâti [(1) (1’), figure 2)], ou structure de la machine, assure plusieurs fonctions ([B 7 121] § 4). C’est, d’abord, l’élément qui tient ensemble les différents éléments fonctionnels de la machine. Il en assure la position relative qui permettra l’usinage des surfaces de la pièce à usiner [(3), figure 2]. 

Sa deuxième fonction est de fixer la machine au sol dans une position et une attitude compatibles avec le personnel qui utilisera ou entretiendra la machine. Notons que jusqu’ici les machines reposent presque toujours sur le sol, mais rien ne s’opposerait à ce qu’elles soient fixées à une paroi verticale – un mur – ou au plafond. Nous verrons, paragraphe 3.18 et en [B 7 121] (§ 7), que ces morphologies, aujourd’hui inhabituelles, présentent un intérêt si grand pour le bon fonctionnement de la machine, qu’elles devraient se généraliser et, en tout cas, devenir beaucoup plus fréquentes dans un futur, sans doute malheureusement éloigné. 

Le bâti assure souvent d’ autres fonctions, que nous ne détaillerons pas car elles sont de moins en moins souhaitables pour un bon fonctionnement de la machine : — servir de réservoir au liquide de coupe qui assure des fonctions de refroidissement (de la pièce, de l’outil, des copeaux) et de transport des copeaux ; — servir de réceptacle aux copeaux ; dans ce cas, il comporte des moyens permettant de diriger les copeaux résultant de l’usinage vers un récipient ad hoc  ; — protéger l’environnement humain et matériel des projections de matière et de liquide résultant de l’usinage ; — servir de support à des équipements auxiliaires tels que manipulateurs de pièces et d’outils, appareils de mesure, etc. Nous arrêterons là cette description fonctionnelle. 

d’usinage [(9), figure 2 , décrit (§ 3.8), qui est alors chargé d’augmenter la rigidité relative outil/surface à usiner jusqu’à une valeur acceptable.

3.4 Outil Les outils [(4), figure 2] sont montés sur un porte-outil (8) tournant. Comme nous l’avons vu (§ 1), le porte-outil peut également être fixe et la pièce est alors tournante. Nous avons aussi noté que certaines machines d’usinage ne comportent pas d’outil à proprement parler ; même dans ce cas, on trouvera des organes qui joueront exactement le même rôle que le porte-outil. Nous y reviendrons (§ 3.7).

3.5 Broche Une broche [(5), figure 2] est un arbre tournant sur des paliers ; ils lui retirent cinq degrés de liberté ; le sixième, une rotation, est enlevé par la commande de puissance [(6) et (7), figure 2] qui fournit l’énergie nécessaire à l’usinage. La broche reçoit le porte-outil (outil tournant) ou la pièce (pièce tournante) et lui confère la vitesse de coupe nécessaire à l’usinage. Certaines machines n’utilisant pas d’outil peuvent néanmoins comporter une broche. Par exemple, les machines de fraisage par électroérosion comportent une électrode montée sur une broche tournante. 

La broche est également un des éléments les plus importants pour un usinage de qualité  et, à ce titre, sa rigidité et d’autres caractéristiques que nous préciserons en [B 7 121] (§ 3) sont de la plus haute importance. 

Une broche de machine-outil, suivant la taille de la pièce et la nature de l’usinage et, bien sûr, la taille de la machine, peut tourner à des vitesses allant de quelques tours par minute à 200 000 tours par minute (Usinage à Très Grande Vitesse, UTGV) pour des puissances allant de quelques kilowatts à plusieurs centaines de kilowatts.

3.2 Sol ou fondation Le rôle le plus évident du sol [(2), figure 2] est de supporter la machine et, bien sûr, le personnel. Cependant, pour beaucoup de machines, et en particulier les grandes machines, la fondation sert à donner l’essentiel de sa rigidité au bâti. En d’autres termes, doivent être considérées comme grandes les machines dont le bâti ne peut reposer au sol en trois points de façon isostatique. Par exemple, les machines servant à l’usinage de turbines hydrauliques de grande puissance (700 MW par exemple) et de turboalternateurs modernes (1 300 MW) ont des longueurs qui dépassent couramment 30 m. Sans la fondation, elles seraient bien incapables d’assurer un usinage de précision.

On peut donc dire que le sol ou fondation fait, dans de tels cas, partie intégrante de la machine et doit, à ce titre, être conçu, calculé, et réalisé selon un cahier des charges qui précisera ses performances. De plus, notons que le sol peut renfermer nombre d’auxiliaires et en particulier les moyens d’évacuation et de traitement des copeaux et du liquide de coupe.

3.3 Pièce à usiner Cette pièce [(3), figure 2] fait partie intégrante de la machine. En effet, nous montrerons paragraphe 3.3.2 en [B 7 121] que la rigidité relative outil/surface à usiner est un des facteurs les plus importants pour un usinage de précision. On conçoit alors que l’usinage d’une pièce de faible rigidité puisse présenter des difficultés insurmontables si certaines précautions ne sont pas prises. C’est le montage

Au rang des fonctions importantes de la broche, on doit compter la rapidité et la facilité d’établissement et de suppression de la liaison avec le porte-outil , afin de minimiser les temps non productifs. De plus, la précision et la fidélité de position du porte-outil sont fondamentaux, afin de permettre le préréglage de position de l’outil, lui aussi indispensable à la minimisation des temps non productifs. 

Enfin, la broche peut servir de lieu de passage pour le liquide de coupe, pour des organes de réglage de position de l’outil quand la broche est en marche, pour des signaux traduisant la position de l’outil ou le diamètre de pièce ; en outre, quand un fluide est utilisé pour nettoyer l’interface broche/porte-outil au moment du changement de celui-ci, il est amené jusqu’à cette interface par l’intermédiaire de la broche. 

3.6 Commande de puissance La commande de puissance [(6) et (7), figure 2] est chargée comme son nom l’indique, de fournir l’énergie nécessaire à la coupe. Elle comprend un moteur  qui, lorsque l’outil ou la pièce tourne, est généralement un moteur électrique, soit à courant continu, soit asynchrone, soit, de plus en plus souvent, synchrone autocommuté. Dans les machines spéciales, qui n’effectuent souvent qu’une seule et même opération, le moteur asynchrone alimenté par le réseau (et tournant donc à vitesse constante) est souvent suffisant. 

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Il est cependant facile d’obtenir deux, et parfois trois, vitesses par commutation de pôles ou à l’aide de plusieurs enroulements statoriques. Pour les machines pouvant travailler à vitesse variable, le moteur à courant continu est fréquemment remplacé par les moteurs asynchrones et, plus encore, synchrones alimentés à fréquence variable [cf. articles spécialisés dans le traité Génie électrique]. Le rotor peut être directement monté sur l’arbre de la broche – on parle alors de motobroche – ou bien il entraîne celle-ci par l’ intermédiaire d’une courroie, d’une chaîne ou d’engrenages . On peut aussi associer au moteur (à vitesse constante ou variable) une boîte de vitesses permettant d’étendre son domaine de fonctionnement.  Les transmissions à courroies classiques semblent avoir atteint aujourd’hui leurs limites, alors qu’elles avaient depuis des décennies empiété largement sur le domaine des engrenages.  Il est donc probable qu’on assistera à un retour en force des engrenages pour les très hautes puissances et vitesses. Signalons que, dans l’aérospatiale (boîtiers de prise de puissance de turboréacteurs ; réducteurs de rotors d’hélicoptère), ils permettent des vitesses tangentielles allant de 65 m/s (pignons spiroconiques) à 150 m/s (pignons cylindriques hélicoïdaux).  Pour les plus basses puissances, les motobroches  dominent déjà largement le marché.  On peut montrer qu’un retour – on les a déjà utilisés et abandonnés tant pour des raisons de coût que de rendement – des moteurs hydrauliques , est, cependant, probable. Leurs versions les plus modernes permettent des puissances massiques de l’ordre de 20 kW/kg pour les moteurs volumétriques ; des moteurs à turbine Pelton, alimentés à des pressions de l’ordre de 500 bar ou plus, pourraient s’avérer d’un grand avenir pour l’usinage à très haute vitesse. L’intérêt de ces matériels dépasse la seule puissance massique. Leurs très faibles dimensions, comparées à celles des moteurs électriques les plus performants, facilitent énormément le dessin des structures de machines, légères et de très haute rigidité. 

3.7 Porte-outil Comme son nom l’indique, le rôle du porte-outil [(8), figure 2] est de tenir l’outil coupant proprement dit dans une position permettant un usinage correct. Qu’il soit tournant, et donc monté sur une broche, ou fixe et monté sur un chariot, le rôle du porte-outil dans la qualité des usinages est complémentaire de celui de la broche. Un élément fondamental à prendre en compte pour sa conception est donc sa rigidité. Celle-ci, cependant, ne doit en rien s’opposer à la facilité et la rapidité de son montage et de son démontage de la broche (§ 3.5) ou du chariot fixe (§ 3.9). Le porte-outil est de plus en plus changé automatiquement, en particulier sur les machines universelles pouvant utiliser de nombreux outils différents. Le porte-outil est alors stocké, sur la machine elle-même, dans un magasin à outils, et son échange avec un autre porte-outil contenu dans le magasin se fait à l’aide d’un changeur d’outil. Nous décrirons (§ 3.13 et 3.14) plus en détail ces deux appareils dont la fonction est extrêmement importante dans la gestion de fabri-  cation . Notons le rôle primordial que les porte-outils et les outils jouent dans la gestion d’une entreprise de fabrication mécanique. En effet, une entreprise moyenne (2 000 à 3 000 personnes), considérée comme bien gérée, a couramment 6 000 à 8 000 outils et porte-outils différents ; ce nombre ne comprend évidemment pas les porte-outils frères , qui peuvent se compter par dizaines, si l’on veut que les machines en soient en permanence pourvues malgré usure et casse des outils. Certains sous-traitants de la NASA (Administration de l’Aérospatiale Américaine) peuvent avoir jusqu’à 100 000 (!) porte-outils différents afin de répondre aux besoins de leur   client. À l’inverse, on peut démontrer qu’une entreprise bien gérée (fabriquant ses propres machines) peut se contenter de quelques dizaines

de porte-outils différents. Une telle performance ne peut être atteinte qu’en normalisant strictement les diamètres et tolérances, bien au-delà de ce que recommandent les organismes nationaux (AFNOR pour la France) et internationaux (ISO International Standard  Organization ) [2]. Un point très important dans le porte-outil est la standardisation de sa liaison avec la broche et l’éventuel chariot (standards différents d’ailleurs).  Le standard ISO , encore en vigueur, est la copie d’un standard américain SAE (Society of Automotive Engineers)  datant du début du XXe siècle, qui a été crée sous l’impulsion d’Henry Ford, quand il a fabriqué, pour la première fois dans le monde, un véhicule automobile en grande série. Malgré des défauts importants qui rendent son utilisation très délicate en fabrication automatique (médiocre précision, forte sensibilité à la pollution, prix de revient élevé, grand encombrement, nécessité de grands diamètres – inutiles – de broches, etc.), on emploie encore largement ce standard car il y a des milliards de porte-outils de ce type dans le monde. 

Exemple : la figure 3 montre le standard ISO des queues d’outils (queues de porte-outils) et la figure 4 le standard correspondant des nez de broches.  L’industrie automobile , confrontée au changement rapide – mais généralement manuel – et simultané de nombreux outils sur une même machine (en particulier les machines-transferts), a pu en grande partie s’affranchir de ce standard et a crée le sien. Malheureusement, celui-ci est très peu adapté au changement automatique et il devra être renouvelé à moyenne échéance.  Enfin, sous l’impulsion de l’Allemagne, un standard DIN de queues d’outils est en passe de devenir ISO. Il pose également des problèmes délicats (hyperstatisme en particulier, qui n’existait pas dans l’ancien standard).

3.8 Montage d’usinage Le rôle du montage d’usinage [(9), figure 2] est multiple. Le rôle le plus évident, baptisé souvent ablocage , est de brider, bloquer la pièce sur la machine, lui retirer ses six degrés de liberté, afin de permettre son usinage sans qu’elle puisse bouger sous l’effet des forces de coupe. 

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Figure 3 – Queue de porte-outil ISO [ISO/R 297-1963 (F)]

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On peut utiliser, dans certains cas, des plateaux magnétiques (courants pour des pièces magnétiques possédant une face plane de surface suffisante qu’on peut utiliser comme face d’appui), des plateaux à vide, le collage. Toutes ces solutions s’appliquent à des cas particuliers de pièces très spéciales. Des solutions plus générales restent à trouver. On peut avoir quelques idées de ce qui est recherché dans [3]. Pour ce qui est des pièces tournantes , des arbres , le problème est sensiblement plus simple que pour les pièces polyédriques ou carters. Il suffit d’utiliser un arsenal d’éléments pratiquement standards que sont les mandrins, les pinces, les contre-pointes, les lunettes (fixes ou à suivre) et autres entraîneurs. Cependant, l’obtention d’une réelle flexibilité (dans le sens d’adaptation quasi immédiate à une pièce de formes et de dimensions quelconques, parfois faite à l’unité) est encore assez loin d’être acquise. Là encore, les normes ISO, beaucoup trop anciennes et fixant de façon dépassée le mode de liaison du mandrin, des pointes et des pinces à la machine, retardent le progrès. Celui-ci, de toute façon, ne se fera que lentement, mais il est possible.

3.9 Chariot Figure 4 – Cône à conicité 7/24 pour nez de broches ISO [ISO/R 297-1963 (F)]

Le second rôle est de positionner la pièce avec précision, avant qu’on la bride. Ce positionnement peut être plus ou moins précis. Quand la pièce est brute, il faut qu’elle soit bien balancée   sur la machine, c’est-à-dire que toutes les surfaces à usiner aient une surépaisseur d’usinage suffisante [couramment de l’ordre du millimètre à quelques millimètres, suivant la taille de la pièce, quand la pièce brute est obtenue par forge ou par fonderie ; moins, et parfois beaucoup moins (0,1 mm et au-dessous) quand le procédé de fabrication de la pièce est plus précis : pensons au frittage, au découpage fin, à la forge à froid]. De plus, les pièces internes à la pièce usinée (boîtier, carter) et les pièces qui lui sont extérieures ne doivent pas entrer en collision avec elle. C’est alors le rôle fonctionnel de la pièce dans un ensemble monté  qui doit aussi être pris en compte. 

Enfin, un troisième rôle (signalé § 3.3) consiste à donner à la pièce une rigidité qu’elle n’a pas naturellement (par exemple, l’usinage du revêtement épais d’une aile d’avion, bloc-cylindres de moteur thermique en aluminium coulé sous pression). Cette fonction est sans doute la plus délicate de toutes celles qu’un montage d’usinage doit assurer, car cette rigidification doit se faire sans pratiquement déformer la pièce. Elle est rendue encore plus complexe, quand la pièce à usiner reçoit un usinage d’ébauche. La matière enlevée, ainsi que le reste de la pièce, sont le siège de contraintes internes résultant du procédé de formage de la pièce brute. L’ébauche rompt l’équilibre des forces internes résultant de ces contraintes et la pièce doit alors se déformer pour retrouver son équilibre interne. Très généralement, elle ne peut le faire que quand elle est relâchée par le montage. Une méthode bien préférable consiste à utiliser un montage qui, tout en donnant à la pièce la rigidité qui lui manque à l’état naturel, lui permet de reprendre sa forme d’équilibre avant son usinage de finition. 

On conçoit qu’assurer ces trois fonctions de façon entièrement automatique relève d’une conception raffinée. Le problème est déjà complexe pour la fabrication en grande série ; il n’est pas résolu de façon satisfaisante pour la fabrication automatique unitaire (surtout) et de petite série, malgré les travaux qui se font au Japon, aux États-Unis, en Allemagne et en Suisse. Des procédés non généralisables ont été mis au point pour certaines applications très particulières  (et pour des coûts élevés), telles que le positionnement et le bridage par réfrigération, la pièce étant partiellement immergée dans de l’eau contenue dans un bac réfrigérant fixé à la machine ; la prise de la glace immobilise la pièce. 

On a vu (§ 2,  figure 1) qu’un solide libre possède dans l’espace six degrés de liberté. De plus, pour usiner une pièce, il faut souvent (car il y a des exceptions) la positionner sur un montage et lui enlever ses six degrés de liberté par rapport à la machine (§ 3.8). Nous avons aussi vu (§ 2) qu’un usinage nécessitait en général un déplacement relatif de la pièce et de l’outil. Un premier déplacement est dû à la rotation d’une éventuelle broche (§ 3.5)  qui assure la vitesse de coupe (cf. article Procédés  d’usinage. Présentation  [B 7 000] dans ce traité). 

La génération d’une surface nécessite d’ autres mouvements relatifs pièce/outil.  Pour percer un trou, la pièce doit être déplacée vers le foret par un mouvement de translation parallèlement à l’axe de rotation (de la pièce ou de l’outil) : un degré de liberté commandé.  Pour fraiser une surface plane, il faut déplacer la pièce par un mouvement de translation perpendiculairement à l’axe de rotation de la fraise. Le déplacement peut être, dans tous les cas, accompli par la pièce ou l’outil ; là encore, un degré de liberté commandé.  Pour fraiser une surface quelconque  avec une fraise sphérique, il faut au moins trois degrés de liberté commandés. Pour fraiser une surface quelconque avec une fraise sphérique ou torique en maintenant des conditions de coupe constantes  (vitesse de rotation constante de la fraise, donc rayon d’usinage de fraise constant), la normale à la surface à fraiser au point de contact fraise/pièce doit faire un angle constant avec l’axe de la broche porte-fraise. Il faut alors, entre outil et pièce, cinq degrés de liberté commandés.  Pour tourner un arbre de diamètre variable (continûment ou par sauts), il faut deux degrés de liberté commandés entre pièce et outil ; etc. Certains usinages nécessitent six degrés de liberté commandés, mais certaines machines en ont beaucoup plus, par exemple pour distinguer les mouvements grossiers peu précis et des mouvements fins précis. Dans tous les cas, la pièce ou le montage porte-pièce est monté sur un chariot [(10), figure 2] qui n’a, en général, qu’un seul degré de liberté commandé. Quand on en veut plus, on monte ce chariot sur un deuxième chariot, qui est lui-même guidé par un troisième chariot, etc. Pour de nombreuses raisons, en particulier de rigidité et de précision, on répartit, le plus souvent, les degrés de liberté entre broche et pièce. 

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Chaque chariot doit être guidé avec un jeu aussi faible que possible (nul de préférence) par une glissière (§ 3.10). Depuis quelques années – 1990 – certains fabricants de machines prônent l’utilisation de morphologies non conventionnelles de machines, basées sur les travaux de Stewart. Ces morphologies ne font appel qu’à des barres (en fait des vis commandées par des moteurs) au nombre de six (pour les six degrés de liberté) et reliées aux deux parties principales de la machine par des rotules. La figure 5 donne un schéma de principe d’une telle machine. On peut penser que l’outil et la broche (par exemple) seraient solidaires de la plate-forme ( P 1 → P 6 ) alors que la pièce serait bridée sur la plate-forme ( b 1 → b 6 ). On voit immédiatement quelques caractéristiques importantes  de cette machine : — le perçage d’un simple trou se fera par interpolation des six axes de la machine ; — l’alésage, ainsi que le fraisage d’une surface plane, nécessiteront aussi l’interpolation des six axes. Or, les surfaces universelles  de la mécanique de précision sont uniquement le plan et le cylindre, qui se font, en usinage traditionnel, par déplacement d’un seul axe, parallèlement à la surface (fraisage) ou à son axe (alésage). Les calculateurs actuels n’auront guère de difficulté à calculer les lois d’interpolation des six axes qu’il faut déplacer ensemble pour la plate-forme de Stewart, mais l’imperfection des moteurs, des vis à billes, des systèmes d’asservissement, fait qu’il est difficile d’imaginer aujourd’hui qu’une telle machine puisse sérieusement concurrencer, dans le domaine de la précision (et bien d’autres) des machines plus conventionnelles. Signalons un autre problème : une telle machine aura bien de la peine à travailler dans un demi-espace borné par le plan porte-pièce. D’ailleurs certains fabricants (Geodetics) le savent bien : ils munissent leurs hexapodes de têtes porte-outil à plusieurs degrés de liberté. Au total, ces morphologies semblent devoir être confinées à des domaines spéciaux. Cependant, nous verrons (§ 4.2 et 4.3.2 en [B 7 121], et § 1 en [B 7 122]) les limites des morphologies conventionnelles et leur nécessité d’évolution, si le besoin se fait sentir un jour de performances supérieures. Jusque-là, on utilisera toujours des chariots pour guider pièce ou outil dans ses déplacements. Nota : les surfaces de la mécanique de précision autres que les surfaces universelles sont : — la sphère, qui ne sert qu’à faire des billes de roulement et des rotules ; — les tores, qui forment uniquement les pistes de roulements à billes ; — les cônes qui font les porte-outils ISO et quelques autres éléments ; — les surfaces en développante et assimilées (Novikov, Axicon), qui font les dentures (engrenages et cannelures). Toutes ces formes ne se font que sur des machines spéciales.

3.10 Glissières Le rôle des glissières [(11), figure 2] est de retirer au chariot (10) cinq degrés de liberté, de façon à permettre, entre le support de glissières (dans le cas de la figure 2, le bâti (1) de la machine) et le chariot, un déplacement unidirectionnel qui est en général linéaire. Il existe cependant des glissières courbes, ne permettant très souvent qu’un mouvement de rotation (un seul degré de liberté) au chariot (glissière circulaire), mais on réalise d’autres trajectoires. Le chariot portant la pièce ou l’outil, la qualité de la surface usinée dépendra pour une bonne part de la qualité de la glissière. En effet, un jeu entre chariot et glissière correspondra à un défaut de la surface usinée. Un accroissement du frottement entre chariot et glissière entraînera nécessairement une force à exercer plus grande de la part de la commande d’avance (§ 3.11),  et donc éventuellement, des erreurs statiques et/ou dynamiques de position relative outil/pièce plus grandes.

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Figure 5 – Plate-forme de Stewart

La glissière idéale devrait donc avoir une rigidité infinie ; son jeu avec le chariot porte-pièce ou outil devrait être nul ; le frottement statique dans la direction d’avance entre chariot et glissière devrait être aussi nul. Par contre, le frottement dynamique devrait être aussi élevé que possible (avec une loi linéaire frottement/vitesse correspondant au terme du premier ordre de l’équation différentielle linéaire à coefficients constants modélisant le comportement du chariot), afin de conférer au chariot un amortissement élevé, et donc une réponse amortie à une perturbation de force résultant, par exemple, de l’usinage.

3.11 Commande d’avance La commande d’avance [(12) et (13), figure 2] est généralement composée de deux éléments principaux : le moteur (souvent électrique et à vitesse variable) et l’organe mécanique actionnant le chariot, qui est habituellement une vis (à billes ou à rouleaux). La rotation du moteur entraînant la vis déplace le chariot et crée un mouvement relatif d’ avance entre l’outil et la pièce.  Un seul axe en déplacement, si la glissière est linéaire, engendrera une surface usinée réglée qui, suivant les machines, sera cylindrique ou conique de révolution (outil à une seule arrête de coupe) ou plane (utilisation d’une fraise). On pourrait générer d’autres types de surfaces réglées telles que des hyperboloïdes (diamantage de la meule d’avance d’une rectifieuse sans centre, par exemple), des paraboloïdes hyperboliques et d’autres encore. Cylindres et plans forment toutefois l’essentiel des surfaces universelles de la mécanique de précision (cf. § 3.9), car leur simplicité analytique entraîne une grande simplicité cinématique et de commande pour les machines d’architecture conventionnelle. Il est bien évident, comme nous le signalions aussi (§ 3.9)  que cette simplicité cinématique disparaît avec les machines du type Stewart, par exemple, et les tolérances de réalisation d’un plan ou d’un cylindre de révolution n’ont plus alors aucune raison d’être plus serrées que celles d’un paraboloïde de révolution ou d’une surface polynomiale de Bézier-Bernstein. Néanmoins, la plupart des machines nécessitent plus d’un axe.  Un tour doit avoir au moins deux axes . Le premier servira à fixer la position radiale de l’outil et donc le diamètre du cylindre qu’on veut tourner. Le second permettra de générer le cylindre en déplaçant l’outil parallèlement à son axe, pendant que la pièce (ou l’outil) tourne. 

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 L’usinage d’un filetage sur ce même tour nécessitera un troisième axe . Celui-ci, correspondant à une rotation, sera l’axe de la

broche, puisqu’un filetage nécessite pour son usinage la synchronisation de la rotation de la pièce avec l’axe Z  (l’axe parallèle à l’axe de la broche), afin de permettre la génération des flancs du filet. Cette synchronisation devra être conservée pendant tout l’usinage du filetage, qui se fait généralement en plusieurs passes.  Suivant les pièces à usiner, les surfaces dont elles sont composées et leurs relations topologiques, une machine peut comporter un nombre variable de commandes d’axes, associées à autant de chariots et d’ensembles tournants.

Il existe aussi des moteurs linéaires, hydrauliques (vérins) et électriques, qu’on utilise à la place du moteur rotatif et de la vis (ou de l’engrenage et de la crémaillère) transformatrice de mouvement. Ces moteurs linéaires électriques peuvent, comme les moteurs rotatifs, être du type asynchrone ou synchrone. Leur intérêt principal est de supprimer la vis et ses défauts qui sont, outre des irrégularités de fonctionnement, son inertie, généralement bien supérieure à celle du chariot (ramenée à la vis) et à celle de moteurs (synchrones), et sa vitesse limite, limitant l’accélération et la vitesse maximales du chariot. Par contre, ils ont une rigidité mécanique nulle et le réglage de position du chariot, statique et dynamique, dépend entièrement de la qualité du système d’asservissement. 

3.12 Alimentations et commande Les moteurs d’axes, qu’ils soient électriques ou électrohydrauliques (pour les très hautes performances, les commandes électrohydrauliques, sont souvent indispensables), ainsi que les autres organes à commander (par exemple le blocage des chariots, les bridage des pièces, généralement hydraulique), nécessitent des alimentations. Celles-ci peuvent aller du simple relais électrique ou de l’électrovalve alimentée en huile sous pression par groupe hydraulique [(14), figure 2], au servorégulateur complexe assurant que les consignes de position et/ou de vitesse adressées à chaque axe sont exécutées sans erreur excessive. Pour cela, les valeurs de consigne sont comparées aux valeurs réelles. La soustraction de ces deux valeurs donne un signal d’erreur qui, traité de façon plus ou moins complexe (exemple : réglage prédictif, à horizon fuyant, etc.) commande [(15), figure 2]  un amplificateur alimentant le moteur d’axe ou la servovalve de façon à annuler l’erreur détectée. Les commandes par tout ou rien sont ordinairement générées par un automate programmable. Les valeurs réelles de position/vitesse (éventuellement accélération) du chariot sont élaborées par un système de mesure (§ 3.16).

3.13 Élaboration et transmission des consignes La gamme d’usinage d’une pièce ayant été élaborée, on envoie à la machine les ordres correspondants, qu’elle doit exécuter [(16) et (17), figure 2]. La pièce à usiner ayant été positionnée et bridée (manuellement ou automatiquement, § 3.8), ces ordres concernent le type d’outil qui a été sélectionné par le système de programmation assistée par ordinateur. Le porte-outil correspondant sera pris dans le magasin à outils de la machine par le changeur d’outil  et mis en place dans la broche ou sur le chariot. Il peut aussi être déjà présent sur une tourelle de la machine (tour), et une simple rotation de celle-ci l’amènera en position de travail. Notons que ce dernier organe est en voie d’être complètement démodé. En effet, une tourelle peut rarement accommoder un nombre suffisant d’outils (fixes et tournants) et nécessite, de ce fait, d’être déséquipée  et rééquipée  chaque fois qu’on change de pièce ou qu’un outil casse ou est usé. Ces opérations non productives sont longues car elles nécessitent, en plus des montages et démontages d’outils, leur réglage de position, afin

que les pièces soient usinées à la cote. Les changements d’outils sur la tourelle peuvent naturellement aussi être rendus automatiques, mais la machine devient alors exagérément complexe et chère. Il est hors de doute que toutes les machines, dans un futur proche (et existant pour nombre de sociétés et de machines) seront munies d’un magasin à outils et d’un changeur qui montera les outils séquentiellement sur un support unique, fixe ou tournant. Tous les centres d’usinage (qui remplacent les anciennes perceuses, les aléseuses, les fraiseuses) en sont déjà équipés. Quelques centres de tournage ont également reçu des systèmes comparables, ainsi que des machines d’électroérosion par enfonçage et certaines rectifieuses intérieures, dont les meules sont changées automatiquement. Nota : la diminution d’importance des rectifieuses pour la mécanique est relativement courante. Ces machines sont de plus en plus remplacées par le tour (tournage à l’outil dur-nitrure de bore cubique, nitrure de silicium) et par le pierrage et même la bande abrasive. Les raisons de cette désaffection sont multiples (intégrité des surfaces usinées, coût de l’opération, coût de la machine, nécessité de changement de machine entre ébauche et finition, etc.).

3.14 Système d’outils Nous avons évoqué ce système [(18), figure 2 ] dans le paragraphe 3.13 ; cependant, il est beaucoup plus complexe que ce que nous avons mentionné. Les outils, fixes et tournants, doivent d’abord être préparés. Selon le type d’outil, le mode de préparation varie. Pour les outils massifs, généralement en acier rapide, il faut les affûter (s’ils ne sont pas neufs) et mesurer leur longueur (centres d’usinage) ou la régler à une valeur standard (machines spéciales), grâce à un porte-outil permettant de compenser l’usure.  Pour les outils utilisant des plaquettes à jeter , on remplacera la plaquette usée par une neuve et on mesurera et /ou réglera la position de la pointe de l’outil par rapport au porte-outil. 



Dans un cas comme dans l’autre, les outils sont identifiés par une pastille qui peut être lue à distance (transpondeur). Connaissant le numéro de l’outil, on peut alors avoir accès à ses caractéristiques en interrogeant l’ ordinateur de gestion des outils, qui donne le type de l’outil, ses dimensions de réglage ou mesurées, la matière de l’outil et donc les métaux qu’il peut usiner et les paramètres de coupe permis, sa durée de vie résiduelle, etc. Les outils peuvent alors être stockés dans un magasin central en attendant d’être affectés à une machine particulière. Quand une demande arrive en provenance du système de fabrication, les outils sont sortis du stock (automatiquement dans les systèmes modernes) et transportés, aussi automatiquement, vers le magasin à outils de la machine demandeuse. Celle-ci en profite pour renvoyer vers le lieu de préparation les outils usés ou dont elle n’a plus besoin. Une fois dans le magasin de la machine, l’outil peut être mis par le changeur d’outil dans la broche ou sur le chariot, afin d’usiner une ou plusieurs surfaces de la pièce. 

3.15 Préparation et stockage des pièces Il existe pour les pièces un système [(19), figure 2] très proche de celui des outils. Les pièces brutes doivent d’abord être préparées, c’est-à-dire qu’on vérifie qu’il y a sur les surfaces à usiner des surépaisseurs d’usinage suffisantes, comme nous l’avons mentionné au paragraphe 3.8. Cette préparation peut se faire de différentes façons. 



Manuellement, par traçage

Le traceur, en s’aidant de différents outils (marbre, équerre, dé, trusquin, pointe à tracer, etc.) trace sur la pièce des droites définissant des plans de référence ; ceux-ci, positionnés correctement sur la

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machine d’usinage quand la pièce est bridée sur le montage d’usinage, garantiront le bon balancement  de la pièce, c’est-à-dire qu’il y aura (cf. § 3.8) des surépaisseurs suffisantes sur toutes les surfaces à usiner, et aussi que les volumes et formes de la pièce seront compatibles avec ceux des autres pièces composant l’organe assemblé. 

Automatiquement

Des outillages spéciaux balancent la pièce de façon à lui assurer les mêmes caractéristiques que dans le cas précédent. Très généralement, ce positionnement automatique est suivi d’un usinage, lui aussi automatique, permettant de placer avec précision la pièce sur la ou les machines d’usinage. Ces usinages doivent donc permettre de retirer à la pièce ses six degrés de liberté. — Pour les pièces polyédriques  ou carters, on peut choisir différents types de surfaces. • Un plan (fraisé, par exemple) permet de retirer trois degrés de liberté (deux rotations et une translation). Les trois degrés de liberté restants peuvent être retirés de plusieurs façons, mais très souvent à l’aide des pieds de centrage . Un pied de centrage, formé d’un cylindre court (approximation d’une sphère) d’axe perpendiculaire au plan, permet de retirer deux degrés de liberté supplémentaires (deux translations). Il ne reste alors plus à la pièce qu’un seul degré de liberté de rotation, qui peut être retiré par un pied depincé . • On peut utiliser d’autres surfaces  telle qu’une droite  (deux degrés de liberté enlevés) parallèle au plan fraisé, approximée par une bande fraisée étroite ou par deux petites surfaces planes, généralement coplanaires. Le dernier degré de liberté (une translation) peut être enlevé par une petite surface perpendiculaire à la droite. — D’autres combinaisons sont possibles. En particulier, pour les pièces de base de révolution ou arbres , on peut usiner des centres, petites surfaces coniques matérialisant l’axe de la pièce et l’immobilisant axialement (cinq degrés de liberté enlevés). Le sixième sera retiré directement par le mandrin ou l’entraîneur du tour, de la rectifieuse ou de la machine à tailler. D’autres possibilités existent pour balancer  automatiquement les pièces. Quand les pièces sont prêtes, elles sont transportées vers la machine d’usinage, souvent après avoir été positionnées et bridées sur un montage d’usinage, lui-même solidaire d’une palette qui servira à transporter la pièce de station à station (machine-transfert) ou à la positionner sur le centre d’usinage. Elles peuvent aussi, si elles ont été préparées largement à l’avance, être envoyées vers un magasin de stockage, qui peut être automatique, central ou tampon attaché à une machine particulière. De là, le moment venu, elle sera mise automatiquement sur la machine, grâce à un échangeur qui l’échangera avec une pièce précédente qui vient d’être finie. 

3.16 Mesure On peut faire sur machine deux types principaux de mesures dimensionnelles [(20), figure 2]. 

Mesure de la position du (des) chariot(s)

C’est en effet la position des chariots par rapport à l’outil qui garantit l’usinage correct des surfaces de la pièce à usiner. Cette mesure se fait généralement grâce à des règles linéaires, optiques ou magnétiques (plus rarement à laser), qui envoient vers la commande les signaux correspondant à la position du chariot. 

Mesures nécessaires à la vérification des usinages effectués

(mesures diamétrales, mesures de longueur de la pièce) De plus en plus fréquemment, on fait ces mesures sur les machines. On peut ainsi, par une procédure prévue avant le début de l’usinage, compenser l’usure ou la dilatation de l’outil et les variations dimensionnelles de certains éléments de la machine,

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généralement dues à des variations de température. On assure de cette façon un usinage des pièces dans les tolérances ; les loupés et retouches peuvent donc être pratiquement éliminés. 

Autres mesures

On effectue aussi : — une mesure de puissance de coupe, qui peut servir dans quelques cas (rares) à vérifier l’intégrité ou l’état d’usure d’un outil ; — une mesure de courant (électroérosion) avec rétroaction sur la commande d’avance du chariot, qui garantit un usinage optimal (courant maximal possible sans court-circuit, usure minimale de l’électrode) ; — une mesure de niveau vibratoire dans des bandes élevées de fréquence, renseignant sur l’état de l’arête de coupe de l’outil ; etc.

3.17 Traitement des copeaux et du liquide de coupe Les copeaux sont des sous-produits de l’usinage. Cette présence pose toujours des problèmes extrêmement sérieux qui rendent leur traitement indispensable [(21), figure 2]. En effet, on montre que les copeaux véhiculent de 80 % à plus de 90 % de l’énergie de coupe. Laisser les copeaux entrer en contact avec certains éléments de la machine entraîne leur échauffement et donc une perte de précision. Dans la mesure du possible, on doit donc éviter tout contact entre les copeaux et tout autre organe de la machine (en particulier la pièce à usiner qui, après refroidissement, peut être hors tolérances ). Les copeaux sont aussi souvent abrasifs : — les copeaux d’acier sont trempés, en particulier par le liquide de coupe, et peuvent rayer les surfaces de la pièce et de la machine (par exemple les glissières) ; — les copeaux de fonte libèrent des particules de graphite très abrasives et les copeaux d’aluminium libèrent de la silice (alliages pour fonderie sous pression ; alliages hypersiliciés). Enfin, mélangés aux copeaux, on trouve des particules très abrasives résultant de l’usure de l’outil ou de la meule. 

Très souvent, afin de refroidir les copeaux et pour les véhiculer loin de la machine, on utilise un liquide de coupe. Celui-ci, généralement à base d’eau (liquide bon marché et ayant la capacité thermique massique la plus élevée) doit cependant comporter des composants évitant l’oxydation de la pièce usinée et des organes de la machine. Le liquide de coupe véhicule donc les copeaux, mais il doit ensuite être traité : — filtré pour le débarrasser des particules solides (filtres papier, centrifuge, magnétique, etc.) ; — refroidi ou réchauffé car il garantit la stabilité dimensionnelle de la pièce et de la machine en les maintenant à température constante ; — régénéré afin d’éviter qu’il donne asile à des colonies bactériennes qui peuvent oxyder les pièces, etc. 

3.18 Capotage de la machine Le capotage de la machine [(22), figure 2] a d’autres fonctions, autrement importantes, que l’esthétique, qu’on ne saurait cependant négliger. La première fonction – chronologiquement, non par ordre d’importance – du capotage est la séparation de l’espace machine, pollué par les copeaux et le liquide de coupe, de l’environnement, où évolue l’opérateur. Cette séparation est indispensable à la sécurité. En effet, l’utilisation de hautes vitesses de coupe – couramment de 450 m/min (c’est-à-dire près de 8 m /s) pour l’acier à 3 000 m/min et même 5 000 m/min (plus de 80 m/s), pour les alliages légers – transforme les copeaux et les débris d’outils en projectiles dangereux. 

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La seconde fonction, qui devient la plus importante du fait que les machines sont de plus en plus automatiques et fonctionnent donc sans opérateur, est la séparation de l’espace de travail , où s’effectue l’usinage et où sont produits les copeaux, de l’espace machine, c’est-à-dire l’espace où se trouve toute la partie mécanique et précise de la machine. Cette fonction est très loin d’être bien réalisée sur la plupart des machines, du fait d’une architecture inadaptée. Par exemple, avec les tours actuels, il est pratiquement impossible de séparer ces espaces. Les chariots X  et Z , avec la (ou les) tourelle(s), ne peuvent pas être protégés efficacement. Il en va de même avec la plupart des centres d’usinage, dont les degrés de liberté commandés (les axes) sont répartis entre pièce et outil. Ce mélange d’espaces, qui devraient être distincts pour assurer un bon fonctionnement des machines, entraîne toujours une mauvaise accessibilité des organes techniques qu’on doit entretenir et éventuellement dépanner. Il s’ensuit des temps de dépannage trop longs ; il peut en être de même pour les temps perdus pour les changements d’outils. Dans l’industrie automobile, près de 40 % du temps d’une chaîne de production est consacré au dépannage et aux changements d’outils. Les machines ne produisent donc réellement que pendant 60 % environ du temps de marche. Pour les machines universelles, on atteint rarement, quoi qu’on en dise, de telles valeurs. Les protections sont en général beaucoup mieux réalisées pour les machines spéciales que pour les machines universelles. La figure 6 montre une machine-transfert Renault très ancienne (1961). On voit, pourtant, que la partie mécanique proprement dite, les unités d’usinage et les outils sont immédiatement accessibles. Seule la partie centrale, qui voit se dérouler le processus d’usinage, est complètement fermée, et de très grandes quantités de liquide de coupe assurent l’évacuation des copeaux et de la chaleur résultant de la coupe. Les seuls éléments techniques se trouvant dans cette zone sont les montages d’usinage   et le système de transport des  pièces . La raison principale de l’inadéquation des machines actuelles à l’évacuation des copeaux et à la protection de l’espace technique est la pesanteur. Les machines, ainsi que l’opérateur, reposent sur le sol (la fondation). Les pièces, pour être usinées, ont été pendant longtemps – et sont encore, pour les machines non automatiques – posées sur une table appartenant à la machine. Là, un opérateur les positionne et les bride. C’est la pesanteur qui maintient la pièce sur la table entre la dépose et leur bridage par l’opérateur. Dans les machines futures – car très peu, aujourd’hui, sont bâties sur ce modèle –, la pesanteur n’étant plus d’aucune utilité pour l’alimentation de la machine en pièces et en outils, on pourra avoir une architecture inversée. Toute la structure (le blanc, le bâti) se trouvera au-dessus de la pièce, laissant les copeaux et le liquide de coupe tomber librement par gravité. 

Pour les centres d’usinage, la séparation des espaces copeaux et machine conduira à une pièce fixe (ou peut-être tournante à un seul degré de liberté), tous les autres mouvements étant réservés à l’outil. Le bâti sera au-dessus de la pièce. Dans une phase transitoire, on pourra, pour ne pas perturber utilisateurs et acheteurs, se contenter d’une rotation de π /2 comme nous le montrons figure 7. Pour les machines d’usinage d’arbres, qu’on appellera encore centres de tournage, il est facile de montrer que le banc devra être au-dessus de la pièce. La correcte séparation des espaces copeaux et machine imposera aussi la poupée mobile (comme pour les décolleteuses d’aujourd’hui et d’hier), alors que l’outil, animé des mouvements X, Y  et B , sera porté par une broche, pour les outils tournants, ou sera coaxial avec la broche – mais non porté par elle – pour les outils fixes. Il n’y aura plus de tourelle, mais un magasin et un changeur d’outils. Ainsi, on fera aisément la complète séparation des espaces copeaux et machine. Du même coup, les opérations d’entretien seront fort simplifiées.

Figure 7 – Centre d’usinage LMO-EPFL Figure 6 – Machine-transfert Renault (1961) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploit ation du droit de c opie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique

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La figure 8 montre un centre d’usinage à 4 ou 5 axes de structure presque traditionnelle permettant cette parfaite séparation copeaux/mécanique. Le cahier des charges proposé à son auteur se résumait à peu de choses, en plus de cette séparation : tout le capotage devrait pouvoir s’enlever en moins de 10 s pour permettre un entretien ou une réparation facile. Le contrat a été parfaitement rempli. Une architecture de machine plus moderne – inversée – aurait infiniment simplifié l’étude.

Figure 8 – Centre d’usinage à espaces différenciés (étude Claudio PFISTER)

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P O U R

Machine-outil par  François C. PRUVOT Ingénieur-docteur  Ancien Directeur technique de Renault Machines-outils  Professeur honoraire, Directeur du Laboratoire de productique et de machines-outils  École polytechnique fédérale de Lausanne 

Références bibliographiques [1]

[2]

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