La rectification Document développant le procédé de rectification Adrien Descloux et Mathieu Rubi 23/11/2012
Enseignants Mr. Jacques Jacques Jacot et Jean-Daniel Lüthi
Méthodes de production
La rectification
23.11.2012
Table des matières 1. Introduction ..................................................................... ......................................................................................................... .............................................................. ..........................2 2. Base, techniques et usinage ...................................................................... ......................................................................................................... ..................................... ..2 2.1 Définitions Définitions............................................................................... ................................................................................................................... .................................................. .............. 2 2.2 Applications Applications ....................................................................... .......................................................................................................... ....................................................... ....................3 2.3 Principe Principe d'usinage d'usinage ................................................................... ....................................................................................................... .................................................. .............. 3
3. Les meules ................................................................... ....................................................................................................... ................................................................... ...............................5 3.1 Les abrasifs abrasifs................................................................... ...................................................................................................... ............................................................. ..........................5 3.2 Le coating ................................................... ..................................................................................... ...................................................................... ............................................. ......... 6 3.3 La taille des grains ............................................................. .................................................................................................. ........................................................ ................... 6 3.4 La concentratio concentration n des grains .......................................................... .............................................................................................. ............................................. ......... 6 3.5 Les liants (agglomérants (agglomérants)) ............................................................................................. ........................................................................................................... .............. 6 3.5.1 Les liants vitrifiés vitrifiés ...................................................................... ......................................................................................................... ..................................... .. 7 3.5.2 Les liants résines résines ........................................................................................ ............................................................................................................ .................... 7 3.5.3 Les liants caoutchouc caoutchouc ....................................................................................... ..................................................................................................... .............. 8 3.5.4 Les liants métalliques métalliques .............................................................. ................................................................................................... ....................................... .. 8 3.5.5 Les liants dépôts dépôts galvaniques galvaniques ................................................................................ ......................................................................................... ......... 8 3.6 La porosité porosité des meules ................................................ ................................................................................... .............................................................. ........................... 8 3.7 La dureté dureté des meules ........................................................................................... ................................................................................................................ ..................... 9 3.8 La durée de vie des meules................................................................... meules...................................................................................................... ..................................... .. 9 3.9 La forme des meules ...................................................................................... ............................................................................................................... ......................... 10 3.10 La dénominatio dénomination n ................................................................... ....................................................................................................... ................................................ ............ 10 3.11 Le conditionnem conditionnement ent des meules ........................................................ ........................................................................................... ..................................... 10
4. Les liquides de coupe ................................................................... ....................................................................................................... ................................................ ............11 .......................................................................................................... ................................................ ............11 5. Les machines outils ...................................................................... 5.1 Les rectifieuses rectifieuses planes ............................................ .............................................................................. ................................................................. ............................... 11 5.2 Les rectifieuses rectifieuses cylindriques cylindriques ........................................................................................ .................................................................................................... ............ 13 5.3 Les rectifieuses rectifieuses planes double double face ..................................... ........................................................................ ..................................................... .................. 14 5.4 Les rectifieuses rectifieuses centerless centerless ........................................................................................... ....................................................................................................... ............ 14 5.5 Les autres autres types de rectificatio rectification n ...................................................................... .............................................................................................. ........................ 15
6. Les différents procédés de rectification........................................................................................15 15 7. Le contrôle qualité et les défauts de rectification ........................................................................16 8. Les coûts de production ..................................................................... ......................................................................................................... .......................................... ......17 8.1 Coût de la rectification centerless en enfilade ......................................................................... 17 8.2 Coût de la rectification centerless en plongée.......................................................................... 18 8.3 Formule Formule générale générale .................................................................... ........................................................................................................ ................................................ ............ 19
9. Conclusion ................................................................... 20 ....................................................................................................... ................................................................. .............................20 ........................................................................................................ ..................................................... ..................20 10. Remerciements .....................................................................
11. Références .................................... ...................................................................... ...................................................................... ............................................................ ........................20
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1. Introduction : Parfois, un état de surface obtenu par fraisage ou tournage ne peut pas satisfaire au cahier des charges. C'est là qu’entre en jeu la rectification, un usinage de grande précision, permettant des états de surface de qualité. C'est notamment lors du début du 20ème siècle, début du taylorisme (maximisation de la productivité par chronométrage des temps, division du travail, etc.), que la rectification acquit toute son importance. Un travail à la chaîne demande la mise en place de tolérances. Effectivement, pour garantir un assemblage, on doit pouvoir fournir une quasi-uniformité lors de série pouvant aller jusqu'à plus d'une centaine de milliers de pièces. Il fallait donc trouver une technique d'usinage plus précise encore que ne le permettent d'autres techniques telles que le perçage, le tournage ou encore le fraisage.
2. Base, techniques et usinage : 2.1 Définition: La rectification est un procédé
mécanique destiné à
approcher une forme géométrique souhai tée, d’une dimension bien définie, tout en améliorant son état de surface. C'est ainsi une étape de finition (mais pas toujours la dernière), réalisée grâce à une machine-outil appelée rectifieuse.
Cette
technique
permet
d'usiner
divers
matériaux, aussi bien des plastiques que des aciers outils en passant par les céramiques, avec une grande précision (tolérance dimensionnelle allant jusqu'au micron) et avec
Figure 1 : aguille
un état de surface allant au deçà de 0,1 Ra. La rugosité Ra est définie comme la moyenne arithmétique (en micromètre) des valeurs absolues des écarts du profil avec une hauteur moyenne dans les limites de la longueur de base.
∫ Figure 2 : rugosité et état de surface
Tableau 1 : correspondance entre rugosité et état de surface
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2.2 Applications: Cette technique de production n'est pas une étape obligatoire lors d'usinage de pièces mécaniques mais elle peut s’avérer indispensable lorsque l'assemblage d'une ou plusieurs pièces nécessite des
tolérances fines, lorsque l’on veut obtenir une série d e pièces les plus identiques possible ou encore si l’on souhaite obtenir un état de surface de faible rugosité (typiquement pour préparer des pièces
telles que les galets de roulement à rouleaux par exemple). C'est le cas des domaines tels que l'aérospatial, le médical ou encore l'automobile par exemple.
2.3 Principe d'usinage: La rectification est basée sur le principe de l'abrasion (ou meulage), soit un enlèvement de matière sous forme de très petits copeaux . C’est là, l’une des différences fondamentales avec l’usinage au tour ou à la fraiseuse. Cette technique permet l'enlèvement de très faibles passes et d'usiner finement des matériaux très durs. L'abrasion est réalisée grâce à une meule. Celle-ci est composée de grains abrasifs maintenus ensemble grâce à une matrice d’agglomérant.
Les abrasifs : Les grains abrasifs ou simplement abrasifs, sont formés de cristaux de matériaux durs, dont les arrêtes peuvent couper la matière d’un corps moins dur. Ils sont caractérisés par :
leur dureté leur taille leur résistance à la fracture leur résistance thermique et chimique leur résistance à la compression (résistance aux chocs)
Concrètement, lors du frottement de la meule sur une pièce mécanique, les grains sont confrontés à de fortes contraintes mécaniques tout en subissant des chocs thermiques (les températures au passage de la meule sur une surface peuvent atteindre les 800°c). La résistance à la rupture est l'une des caractéristiques principales qui définit la durabilité de la meule. Si la résistance à la fracture est trop faible pour une rectification sur un certain matériau, le grain va se casser avant d’avoir fait son
travail, et la meule s'user a donc très vite. Si au contraire la résistance est trop élevée, l’arête du grain va s’émousser et finir par perdre sa capacité à renter dans la matière. De plus la température au
niveau du contact va augmenter, ce qui risque de nuire à la meule ainsi qu'à la pièce. En résumé, le grain doit pouvoir à la fois mordre dans la pièce à usiner et pouvoir se fracturer pour permettre le renouvellement des arêtes de coupe (auto-avivage).
La matrice d'agglomérant : La matrice d'agglomérant sert, quant à elle, de liant pour les abrasifs. C'est elle qui définit la forme de la meule. Cette matrice joue un rôle très important dans les propriétés de celle-ci. Le liant doit en 3
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effet retenir l’abrasif lors de la coupe mais surtout s’effacer lors de l’avivage de la meule, pour que le seul contact entre la meule et la pièce se fasse par l’intermédiaire de l’abrasif. Si le liant est trop dur par rapport à la matière à usiner, la pièce va frotter contre l’agglomérant et
provoquer des égratignures. On peut définir également la porosi té d’une meule, c’est -à-dire la proportion de pores présents dans la meule. La porosité définit la capacité d’une meule à évacuer les copeaux et à apporter le liquide de coupe au niveau du contact. Le but étant de limiter au maximum l’échauffement d e la pièce, qui
serait synonyme de perte de contrôle sur les tolérances exigées.
Les différents usinages par abrasion: L'enlèvement de matière par abrasion vise à retirer de la matière le plus parfaitement possible, sans provoquer de l'entassement de matière, ni de fractures dans celle-ci. On distingue
donc
plusieurs
phénomènes
d'enlèvement de matière par abrasion:
Micro-cutting: C'est le but de tout usinage par
Figure 3 : Différents phénomènes lors de l'usinage par abrasion; A1 et A2 sont des volumes de surface « poussés » sur les bords du passage de la meule; Av est le volume de la trace.
abrasion. Le volume de copeaux enlevé est identique à la trace crée par la meule. C'est à dire qu’il n’y a pas de déformation plastique du matériau, soit un état de surface conservé sur les
bords du passage de la meule, et aucune création ni propagation de fissures lors du passage de la meule. Micro-plowing: Le grain abrasif va, lors du passage sur la surface de la pièce, déformer celle-ci plastiquement. Il va donc principalement pousser la matière sur les bords de la zone de contact avec la meule (création de bordure), et n'enlever qu'une très faible partie de matière. Le volume du copeau enlevé est inférieur à la trace créée par l'usinage. C'est un phénomène que l'on rencontre souvent lors de l'usinage de matériaux ductiles. Micro-breaking: L'usinage par abrasion sur des matériaux durs et cassants, tels que le verre ou plus généralement, la céramique, peut créer et propager des fissures, enlevant donc plus de matière que le volume de la trace. Micro-fatigue: Si on « laboure » plusieurs fois une même zone, le matériau aura tendance à se fatiguer mécaniquement et donc, provoquer la formation de fissures et de cassures, enlevant donc à nouveau plus de matière que le volume de la trace.
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3. Meules : Le choix de la meule est le point crucial d'une rectification réussie. Son type de grain, la taille de celui-ci, sa matrice liante, son dressage, son usure et sa forme sont tous autant de paramètres importants à prendre en compte pour pouvoir garantir des tolérances précises ainsi qu’un bon état
de surface.
3.1 Les abrasifs: Ce sont les grains qui vont pénétrer dans la matière afin d’arracher celle -ci. Actuellement, la majorité
des grains utilisés sont de nature synthétique (les grains naturels ont de moins bonnes performances et la taille des grains est difficilement maitrisable. Comme exemple, on peut citer le diamant naturel ou le corindon (minéral
)).
On distingue deux catégories d'abrasifs synthétiques :
Les abrasifs conventionnels (bon marchés) à base de carbure de silicium (SiC) ou d'oxydes d'aluminium (Alox) Les superabrasifs (plus coûteux qu’un abrasif conventionnel) à base de diamants ou de nitrides cubiques de bore (CBN, Cubic Boron Nitride)
Figure 3 : Dureté Knoop des principaux grains abrasifs
Outre leurs coûts, ces deux catégories se distinguent par la dureté des grains. En effet les superabrasifs ont une dureté Knoop de l’ordre de 45 / 90 GPa alors que le SiC avoisine les 27 GPa. Cependant, les superabrasifs s’utilisent uniquement lorsque l’on doit usiner des matériaux durs. Les
utiliser pour usiner des matériaux « trop » doux nécessiterait un avivage régulier afin de garantir le renouvellement des arrêtes de coupe . De plus il est intéressant de souligner qu’il est déconseillé de rectifier de l’acier à faible teneur en carbone avec du diamant. L’affinité du carbone avec l’acier va
user le diamant par diffusion du carbone dans le métal. De plus sous certaines conditions, une trempe locale peut être observée. L’état cristallin des abrasifs n'est p as anodin. On différencie deux états différents, ayant tous deux
des propriétés différentes. On peut trouver ces différents abrasifs sous une structure monocristalline ou polycristalline. Les structures monocristallines ont une ténacité et une résistance aux chocs élevée. Les structures polycristallines quant à elles ont tendance, par leur fragilité (fragile car moins régulières), à éclater. C'est grâce à cette propriété que les grains vont pouvoir créer de nouvelles arrêtes et pointes lors de la rectification, et donc vont pouvoir améliorer la qualité de l'abrasion lors d'un usinage. On parle alors d'auto-avivage. Il faut aussi savoir qu'une meule ne contient en général pas qu'une seule sorte de grain, mais un mélange. Soit plusieurs types de grains, soit un grain principal présent en minorité ou en majorité et 5
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mélangé à un grain moins important appelé grain de remplissage, ce qui permet d’élargir la gamme
des meules disponibles.
3.2 Le « coating »: Le coating est un revêtement du grain permettant d'améliorer l'ancrage du grain dans la matrice liante, et de créer un pont ou une barrière thermique entre l'abrasif et le liant. Typiquement, le diamant ayant une très bonne conductibilité thermique, si l'on souhaite préserver en partie le liant de la chaleur, il faudra donc revêtir les grains du diamant.
3.3 La taille des grains: Plus la taille du grain est grande, plus l'enlèvement de matière sera rapide et plus la durée de vie de la meule sera grande, mais en contrepartie la rectification sera moins fine. Pour de la rectification de grande précision, on va devoir utiliser des grains de très petite taille. On distingue donc des meules d’ébauche et des meules de finition. Afin d’éviter de devoir
rectifier plusieurs fois la même pièce, il est possible de faire une meule avec une moitié composée de grains « grossiers » et l’autre moitié de grains « fins » et donc de gagner du temps
(cette technique est uniquement possible lors de rectification
Figure 4 : abrasifs SiC de taille 12 et 30
centerless en enfilade, cf. 5.4.1). On trie les grains à l'aide de tamis. La nomenclature utilisée défini la taille du grain à l'aide de la densité de trou par
du filtre. Ainsi 50 désigne un grain grossier tandis que 150 désigne un
grain beaucoup plus fin.
3.4 La concentration de grains: Elle exprime la proportion du grain dans la matrice liante de la meule. C'est une caractéristique très importante pour la conservation de la meule. Une forte concentration de grains signifie beaucoup d'arêtes et de pointes de coupe. Donc à enlèvement de matière égal, une meule avec une grande concentration de grains sera moins usée qu'une meule à faible concentration. On explique cela par le fait que la force nécessaire pour enlever la matière est repartie sur plus de grain et donc l’usure est
plus faible.
3.5 Les liants (agglomérants): Les liants constituent la matrice qui assure la cohésion des constituants de la meule. C'est cette matrice qui, dans tout le processus qu'est la fabrication d'une meule, va prendre la forme, la taille et la résistance voulue. Cette matrice occupe donc une place très importante dans la rectification. En effet, un excellent abrasif ne peut rien rectifier s'il s'arrache trop facilement de son liant. On parlera 6
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ici de « dureté statique »: c'est la force nécessaire qu'il faut appliquer sur le grain entier ou un grain brisé pour qu'il s'arrache de la meule. On caractérise un liant par :
Sa dureté Sa résistance aux chocs/ son élasticité Sa résistance chimique (il ne doit pas être soluble dans le liquide de coupe par exemple) Sa résistance thermique
Les liants actuels sont répartis, selon leur utilisation, avec les deux catégories de grain vues précédemment : Liants pour les abrasifs conventionnels :
Liants vitrifiés ou céramiques Liants résine synthétique Liants résine synthétique renforcé aux fibres Liants caoutchouc Liants polyuréthane
Liant pour les superabrasifs:
Liants vitrifiés par combustion Liants résine synthétique Liants au bronze cassant (liants au métal fritté) Liants dépôt galvanique
3.5.1 Les liants vitrifiés: Ce sont les liants les plus présents sur le marché, ils sont composés de céramique (essentiellement du verre). Une des caractéristiques principale de ce type de liant est qu’il e st le seul
où la porosité (cf. 3.6) est très facilement contrôlable. De plus il est très rigide, chimiquement et thermiquement stable, il supporte
Figure 5 : Liant vitrifié
un fort taux d’enlèvement de matière et a une durée de
conservation importante. Cependant sa rigidité le rend cassant et ne lui permet pas de grande vitesse de coupe (30-40 m/s, cependant certains liants vitrifiés technique peuvent atteindre les 80 m/s). Afin de vérifier la qualité de la meule (absence de fissure) il est recommandé d’effectuer un « test de son creux » qui consiste à frapper la meule avec un
petit marteau. Si la meule est bien compacte, le son sera clair et continu. Cependant cette technique tend à disparaitre avec le temps et la qualité garantie des meules.
3.5.2 Les liants résines (organique ou synthétique): Ce sont des liants formant des meules plutôt molles et élastiques, permettant un grand choix de dimensions et de formes de meules Figure 6 : Liant r ésine
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ainsi qu’une vitesse de coupe plus élevé e que les liants vitrifiés. Son avantage principal est qu'ils permettent une rectification à sec et n'ont donc pas obligatoirement besoin d'utiliser de liquide de coupe car il est possible d’ajouter des lubrifiants dans la composition du liant . Ils présentent une très faible porosité qui oblige à aviver (nettoyer) la meule régulièrement. Leur durée de conservation est médiocre.
3.5.3 Les liants caoutchouc: Semi dur ou dur, le caoutchouc produit des meules avec une résistance aux chocs et vibrations élevées et va favoriser un enlèvement de matière net. La durée de vie de ces meules est courte et elles sont donc privi légiées pour les finitions
3.5.4 Les liants métalliques: Ce sont des liants résistants à l'usure et à la pression notamment. Ils demandent un conditionnement minutieux et obligatoire. Ils doivent, tout comme les liants en résine, souvent être avivés entre les différentes coupes, ce qui pose généralement des problèmes car la meule est dure et résistante. On les utilise presque exclusivement avec des superabrasifs, à l’exception du CBN à qui l’on préfère les liants vitrifiés.
3.5.5 Les liants dépôt galvanique: Les meules utilisant ces liants sont souvent munies d'une seule couche de grains à sa surface (la meule est faite en métal), ne permettant plus de conditionnement une fois la meule déjà utilisée. Leur principal inconvénient est que la performance de coupe de la meule diminue avec le temps d'utilisation. Tant que le métal de la meule n'est pas abimé, on peut nettoyer la meule et redéposer une couche de liant. Ce sont des liants très agressifs, utilisés principalement dans des rectifications de profils et/ ou à grande vitesse.
Figure 9 : Porosité faible
3.6 La porosité de la meule:
Figure 8 : Porosité moyenne
Figure 7 : Porosité élevée
On va distinguer trois différents types de porosités: les faibles, les moyennes et les fortes. La porosité est utile pour l'évacuation des copeaux dans la meule, l'apport de la lubrification
et/ou
du
liquide
de
refroidissement ainsi que la facilité à aviver la meule (voir même s'auto-aviver lors de la coupe). Pour que la rectification se déroule dans de bonnes conditions, il faut transporter le copeau loin de la surface à usiner (pour éviter les traces et égratignures) et avoir un bon approvisionnement en eau, huile ou autres lubrifiants afin de réduire la température de travail, et donc de réduire les traces que peuvent laisser les brûlures et surtout d’éviter la perte de référence liée à la dilatation. Cependant il faut se rendre compte que plus
la porosité est grande, moins on aura d’ar êtes de coupe disponible. Il faut donc trouver un compromis entre la porosité, le volume de matière à enlever et l’état de surface final recherché.
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On contrôle la porosité du liant vitrifié à l’aide d’agents porogènes qui vont brûler sans laisser de
trace lors de la cuisson, créant ainsi des cavités. Par exemple, dans le cas d’une meule à très faible porosité, on vise à enlever un minimum de
matière, afin de minimiser les températures de travail (car il y a moins d'espace disponible pour évacuer les copeaux et amener le liquide de refroidissement). Le raisonnement inverse s’applique pour les meules à forte porosité. Quant aux meules à porosité moyenne, on vise un équilibre des propriétés citées précédemment. Il ne faut cependant pas conclure qu'une meule à forte porosité ne peux rectifier que très grossièrement (cette propriété dépend de la taille du grain également).
3.7 La dureté de la meule: Cette dureté n'a rien à voir avec la dureté du grain abrasif de la meule. Elle concerne le comportement du liant par rapport aux sollicitations extérieures, les différents constituants du liant (pourcentage de grains, masse de liant, structure ou porosité, éventuellement agents porogènes) jouant un rôle au même titre que le type de liant. On doit également différencier la dureté statique de la meule (force nécessaire pour expulser des grains brisés du liant) et la dureté dynamique (la dureté statique de la meule change, par définition, avec la vitesse de rotation). Cette propriété prend son sens quand on parle d'auto-avivage de la meule. Comme dit précédemment, pour que la meule s'auto-avive, il faut que le grain, une fois en contact avec la surface du matériau usiné, soit cassé, fractionné en plusieurs petits grains, mais qu’il reste lié au lian t. Donc pour que ce processus
ait lieu, il faut que la force exercée entre la meule et la surface usinée soit en corrélation avec la dureté statique de la meule. Effectivement, si la meule a une dureté statique trop faible, les grains fractionnés sont arrachés de l'agglomérant et la meule s'affaisse, et si sa dureté statique est trop élevée, ou autrement dit, la pression de contact est trop faible, les grains ne sont qu'émoussés et non pas brisés, ne permettant pas l'auto-avivage.
3.8 La durée de vie: On distingue deux durées de vie : la durée de vie d’utilisation et la durée de vie de conservation . La durée de vie d’utilisation définit le temps pendant lequel une meule peut être utilisée pour
rectifier. Cette caractéristique dépend directement de la dureté du liant et de la quantité de matière enlevée et indirectement de la dureté des grains (qui définit la fréquence d’avivage de la meule).
Sachant que plus le rayon de la meule est petit, plus la vitesse de rotation doit être grande, le parc machine peut limiter la durée de vie à cause d’un critère purement géométrique. La durée de vie de conservation définit le temps qu’une meule peut être entreposée sans
dégradation de sa capacité à usiner (pour une meule en SiC liant vitrifié, la durée de conservation est de 5 ans).
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3.9 Forme de la meule: Il existe plusieurs meules de différentes formes (bien évidemment toutes circulaires). Cela dépend donc de la forme de la surface à usiner, de la machine-outil utilisée, etc. Une meule n’est jamais parfaitement équilibrée et son
centre de gravité est souvent décalé de son centre de rotation. Cette caractéristique rajoute encore une contrainte sur les machines et limite la vitesse de rotation de la meule De plus il est parfaitement possible d’usiner une meule à l’aide d’un diamant pour lui donner un profil plus ou
moins complexe.
Figure 10 : Meule atlantic
3.10 La dénomination des meules: Une partie est normalisée: dénomination des grains, épaisseur, dureté etc…
Une autre est propre aux manufactures de fabrications des meules: Numérotation des meules (Préfixe des meules). D’une manière générale, chaque fabricant à sa manière de désigner ses meules
(ici : dénomination meule de Meister abrasif).
CB5 - 170 - R - 9 - 260 - 150 - V55 - P5I - 31 - 4 type de grain - granulométrie - dureté - structure - code - concentration - liant - porosité - 2 codes
3.11 Le conditionnement des meules Le dressage est une opération consistant à obtenir ou rétablir une géométrie de coupe d'une meule. L'avivage est une opération (souvent complémentaire au dressage) destinée à faire reculer le liant, afin de dégager les grains abrasifs. La qualité du dressage va directement influencer la qualité de la rectification. Suivant la méthode de rectification, le type de machine ainsi que la meule, on peut effectuer le dressage pendant la rectification, à l’aide d’une molette diamantée , ou en
carbure de silicium (crush dressing) ou entre deux série de pièces nettoyer la meule à l’aide d’une pointe (ce qui
implique que la pointe doit balayer la Figure 11 : Effet de l'avivage de la surface d'une meule
surface de la meule).
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4. Les liquides de coupe : Le liquide de coupe est très important. L’endroit où il est appliqué et la vitesse lors de l’usinage est souvent la clé d’une bonne rectification. L’objectif du liquide de coupe (mélange d’eau, d’huile et d’a dditif) est de
lubrifier la surface (huile) afin de réduire les frottements, de dissiper la chaleur (l’eau), d’éliminer les copeaux Figure 12 : Arrosage optimal d'une zone de contact
de la zone de contact et ainsi éviter l’encrassement de la meule ainsi que l’échauffement excessif de la pièce (le remplissag e des pores par des copeaux ne permet plus l’apport du liquid e de coupe au niveau du contact). Une valeur
typique de dilution est 3-4 % d'huile de coupe. Il existe aussi différentes approches pour arroser la meule et la pièce avec pour but soit de maximiser la quantité d’émulsion appliquée sur la pièce, soit de maximiser l’évacuation des copeaux.
5 Machines-outils, types et fonctionnalités : 5.1 Les rectifieuses planes: Comme son nom l'indique, la rectifieuse plane usine des surfaces planes. Son principale mode de fonctionnement est un « balayage » de la surface à usiner en continu. Un aller-retour de la table transversal faisant passer la pièce mécanique de droite à gauche de la meule, tout en modifiant la profondeur de la table, dans le cas où la largeur de la surface à usiner serait plus grande que la largeur de la meule. Ces machinesoutils sont munies, pour la plupart, de commandes numériques en plus des commandes manuelles. Généralement, et comme on peut le voir sur la figure ci-dessous, la meule travaille sur sa périphérie. A - Bâti B - Manivelle du réglage C - Broche porte-meule D - Tableau de commande E - Manivelle pour l’avance transversale F - Manivelle pour l’avance longitudinale Figure 13 : Rectifieuse plane
G - Appareil pour le diamantage
Figure 14 : Méthode de planage simultané
Pour augmenter la production de pièces de fine épaisseur, il est possible d'en usiner plusieurs « en même temps » grâce à un dispositif muni d'une table (en rotation) parallèle à la meule. Cette fois-ci la meule travaille sur sa face (côté). C'est la rectification plane à disque. 11
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5.1.1 Fixation de la pièce sur la table transversale: Pour que la pièce soit fixe lors du passage de la meule, et pour pouvoir assurer au mieux un parallélisme, il existe de nombreuses méthodes. L'une d'elle consiste à tenir la pièce grâce à un étau, comme sur une fraiseuse conventionnelle par exemple. Une autre méthode est la fixation étau-gel, où l'on va immobiliser la/les pièce(s), préalablement humidifiée(s) en les refroidissant. Les pièces vont alors coller au support comme notre main se colle lorsque nous touchons un barreau métallique en hiver. Une autre méthode utilise le magnétisme: un plateau magnétique est placé sur la table, permettant donc de plaquer la pièce métallique sur celle-ci (naturellement utilisable pour des pièces de matériaux ferromagnétiques uniquement!). On peut voir sur le schéma qu'une butée peut être nécessaire (mais pas forcément indispensable) pour éviter, sous l'effet de la force donnée par la meule, que la pièce ne s'éjecte du plateau. Cette technique de fixation a pour
Figure 15 : Rectifieuse plane avec fixation magnétique
avantage de simplifier les problèmes de montage et de l'immobilisation de la pièce. De plus ce système permet un accès libre de la pièce, sans l'encombrement que provoquerait un étau, et évite aussi une déformation de la pièce comme cela pourrait l'être lors d'un serrage radial. Un autre avantage serait la diminution des vibrations pendant l'usinage. Cela est dû au fait que le magnétisme, contrairement à une fixation par étau, permet une uniformité du serrage (serrage quasi-homogène sur tout la longueur et largeur de la pièce).
Figure 18 : Problème de la fixation par étau
Figure 16 Fixation étau-gel, très utilisé pour l'usinage de petites pièces Figure 19 : L'aimant produit une pression magnétique homogène, les bobines permettent l'annulation du champ pour retirer ou manipuler la pièce sans effort
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5.2 Les rectifieuses cylindriques: Ces rectifieuses ont pour but d'usiner des pièces cylindriques, comme le ferait un tour, sur des surfaces extérieures ou intérieures. On différenciera donc les rectifications cylindriques extérieures, et intérieures.
5.2.1 Les rectifications cylindriques extérieures: Son fonctionnement est quasi-similaire à l'usinage extérieur d'un cylindre par un tour. La pièce cylindrique est fixée entre deux pointes ou à l'aide d'un mandrin et est mise en rotation. Mais contrairement à l'usinage au tour, la rotation de la pièce est lente et c'est la meule qui va tourner à vitesse relativement élevée. Elle va venir s'appuyer sur la pièce permettant ainsi l'enlèvement de matière sur la longueur voulue (déplacement transversal de la pièce).
Figure 17 : Rectification cylindrique extérieure
5.2.1 Les rectifications cylindriques intérieures: Le principe ressemble également à un enlèvement de matière intérieur réalisé par un tour. Mais lors de cette rectification, il
Figure 18 : Mise en rotation de plusieurs plateaux
faut remplacer la mèche de perçage du tour par une meule. A nouveau, la pièce est mise en rotation lente et c'est la rotation plus élevée de la meule qui va permettre l'usinage; contrairement à l'usinage par tour, qui lui met en rotation la pièce et fixe la mèche de perçage. Une autre différence avec l'usinage au tour, est que la taille de la meule est plus petite que la dimension du trou souhaitée, ce qui n'est pas le cas d'un alésoir par exemple. Typiquement, le rayon de la meule est de dimension 2/3 inférieur à la taille du trou souhaitée.
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Méthodes de production
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5.3 La rectifieuse plane double face: Pour des rectifications de pièces généralement fines, demandant un excellent parallélisme et un certain état de surface sur les deux faces d'une pièce, comme par exemple des wafers de silicium, on peut utiliser la technique de la rectification place double face. Celle-ci consiste disposer un plateau, supportant les pièces à usiner, entre deux disques (meules), et de mettre ce plateau en rotation. Parfois même, il est possible de mettre en rotation plusieurs plateaux à l'intérieur de ces disques. Donc, cette technique, en plus d'apporter un très bon parallélisme, permet d'usiner plusieurs pièces à la fois, augmentant donc la rapidité de la production. Ces meules sous forme de disque, peuvent être maintenues fixes soit sur le plan horizontal, ou vertical.
Figure 19 : Différentes approches de rectification plane double face
5.4 La rectifieuse centerless: Une autre technique de rectification cylindrique extérieure est la rectification centerless. Ses avantages sont le fait qu'il n'y a plus besoin de pointes ou de mandrins pour faire tenir la pièce, ce qui va éviter d'abîmer celle-ci. De plus cette technique permet d'obtenir une rondeur plus précise par rapport à un usinage avec une rectifieuse cylindrique extérieure. Cela est dû au fait que si la pièce est mal serrée dans le mandrin ou mal positionnée entre les deux pointes, elle pourra une fois rectifiée, ne pas avoir un profil parfaitement rond. Avec cette technique, la pièce s'autocentre contre la roue de contrôle grâce au rail de guidage et à la rotation de la meule. On distingue deux principaux types de rectification centerless; en enfilade, et en Figure 20 : G-Meule, R-Roue de contrôle, B-Rail de guidage, W-Pièce, tube
plongée. Il est très important dans ce procédé de très bien régler la
machine. C'est grâce à cela que la pièce finie atteindra une rondeur quasi parfaite. Il faut premièrement que le centre de la pièce soit plus haut que le centre de la roue de contrôle et de la meule. Sinon, la pièce, dû à la rotation de la meule, sera trop plaquée contre le rail, et pas assez contre la roue de contrôle, ne permettant pas un bon défilement de la pièce (rectification en enfilade). Si le centre de la pièce est situé trop haut, le tube risquera de sortir du rail.
Figure 21 : Position géométrique optimale de la pièce
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La roue de contrôle est faite dans une matière généralement souple, comme par exemple, un mélange de caoutchouc. Parfois même, ce mélange peut contenir des grains plus durs, permettant un bon accrochage entre la pièce et cette roue, et donc permettant de garantir une bonne avance de la pièce (rectification en enfilade également). Le rail de guidage est placé en sorte que le centre de la pièce soit plus haut que les deux autres centres (roue de contrôle et meule) et forme un angle afin que la pièce soit plaquée contre la roue de contrôle et pas la meule (cf. figure 23).
5.4.1 La rectification centerless en enfilade: Cette technique permet une avance automatique de la pièce, pouvant donc, si l'on met plusieurs pièces bout à bout, en rectifier un grand nombre rapidement, sans avoir besoin d'un opérateur pour contrôler la rectifieuse. Pour permettre une avance automatique de la pièce le long du rail, il faut incliner légèrement la roue de contrôle de façon qu’une partie de
la vitesse de rotation serve à « pousser » la pièce. Une trop grande inclinaison peut mener à une vitesse d'avance de la pièce trop rapide, et donc, à une mauvaise rectification.
5.4.2 La rectification centerless en plongée: La rectification centerless en plongée est utilisée si on souhaite usiner des pièces non cylindriques (coniques par exemple). Ou alors si le rayon du cylindre à usiner n'est pas identique sur toute la longueur de la pièce. Ce procédé n'est plus automatique et nécessite donc un opérateur permanent pour la mise en usinage des pièces. La roue de contrôle reste horizontale. Pour pouvoir rectifier la pièce sur une longueur et à un endroit bien précis de celle-ci, un système de mobilité radiale de la roue de contrôle est mis en place. Cela permettra ou non d'appuyer la pièce contre la meule selon notre choix.
5.5 Autres types de rectification: Il existe plusieurs autres types de rectifications possibles, tel que la rectification d'outils de coupe (matériaux très durs), de filet ou d’engrenage par exemple .
6. Les différents procédés : 6.1 La rectification conventionnelle: Il s'agit ici d'un procédé utilisé si on désire effectuer une faible passe (profondeur de la coupe: de 0.01 à 0.1 mm) à une vitesse relativement élevée. La vitesse typique de rotation de la pièce usinée (rectification cylindrique) peut aller jusqu'à 200 mm/s et pour un débit pouvant être de 100 15
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mm^3/(mm*s) (débit par largeur de meule (mm)). La vitesse de rotation de la périphérie de la meule de ce procédé se trouve entre 30 m/s et 45m/s.
6.2 La rectification en passe profonde: La rotation de la périphérie de la meule de ce procédé est la même que pour la rectification conventionnelle, mais la passe de celui-ci peut aller jusqu'à 50mm de profondeur et pour un débit allant jusqu'à 30 mm^3/(mm*s).Bien entendu, la rotation de la pièce usinée est moins élevée afin d'éviter les risques de brûlures ou d'égratignures sur celle-ci. Effectivement la force demandée aux grains coupant de la meule pour enlever autant de matière en une passe est élevée, et provoque un échauffement de la zone de travail par frottement.
6.3 La rectification à grande vitesse (cf. sé minaire usinage à grande vitesse): Les vitesses de rotation des périphéries des meules se situent entre 60 et 250m/s. La profondeur de passe peut être de 50mm (comme pour une rectification en passe profonde) et à une vitesse de rotation de la pièce usinée allant jusqu'à 200 mm/s. Le débit de cette technique est donc beaucoup plus important que les autres procédés. Il peut s'étendre jusqu'à un total de 10^4 mm^3/(mm*s), soit
cent
fois
plus
que
pour
la
rectification
conventionnelle.
7. Le contrôle qualité et les défauts de rectification : La rectification, étant un usinage de grande précision, demande un contrôle qualité très pointilleux. Pour une Figure 22 : Résumé des vitesses de coupe en fonction de la grande majorité des séries de pièces réalisées le
passe
contrôle se doit d’assurer un taux de fiabilité de 100%.
Effectivement, pour des domaines comme l'aérospatial, le médical ou encore l'automobile, il n'est pas permis de fournir une seule pièce défectueuse, même pour une série pouvant aller jusqu'à plus d'une centaine de milliers de pièces. Les principaux défauts d'usinage sont:
Les égratignures et défauts de surface Les brûlures rugosité trop grande Les défauts géométriques (pièce non cylindriques, rayon d'arrondi non respecté, etc.)
Leurs causes peuvent être une mauvaise manipulation de la machine-outil ou alors un mauvais choix de meule, de vitesse ou de profondeur de passe. Du matériel trop usagé ou mal conditionné peut 16
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aussi provoquer ces défauts d'usinage. C'est pourquoi une meule doit toujours être bien dressée, polie, et reconditionnée fréquemment lors d'usinage d'une grande série de pièces. On peut aussi rencontrer quelques problèmes si le liquide de coupe n'est pas correctement appliqué lors de l'usinage, ou s'il manque du lubrifiant dans le mélange eau-huile (un exemple concret est l'usinage d'aluminium, ou il faut mettre jusqu'à 10% d'huile pour éviter que l'alu ne colle à la meule).
8. Les coûts de production : r = 2mm Pour cette étude de coût, nous prenons comme exemple un galet de roulement cylindrique en acier utilisé dans des rails de guidage (typiquement pour rails
3 mm
Schneeberger), en comparant une production en enfilade et en plongée. On considère une série de 50'000 pièces .
8.1 Coût centerless en enfilade Temps de production :
temps de réglage temps de cycle
Amortissement :
prix machine
amortissement Heures de production
Opérateur :
Temps de travail sur la machine
Coût opérateur
Electricité :
prix électricité
puissance machine
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Meule et dresseur :
prix dresseur prix meule
durée de vie dresseur/meule
Liquide de coupe (~96% d'eau et ~4% d'huile) :
vidange tous les 6 mois prix liquide quantité de liquide
Le loyer et les charges sont déjà compris dans le coût opérateur. Pas de coût matière car la rectification est une étape sous-traitée.
Total des coûts pour la rectification centerless en enfilade : Afin de calculer le coût total, il faut sommer les coûts puis multiplier par le temps de production :
On obtient alors, pour notre série : Remarques : L'amortissement représente ~65% du coût. L'opérateur compte lui pour ~33% du coût .
8.2 Coût centerless en plongée On calcule maintenant la même série de pièces avec une autre technique de production. On doit considérer les changements suivants :
le temps de cycle passe à la machine coûte
un opérateur doit être constamment présent pour la manipulation des pièces
L'électricité, la meule/dresseur et le liqui de de coupe sont négligeables
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Temps de production :
Amortissement :
Opérateur :
Total des coûts pour la rectification centerless en plongée : Afin de calculer le coût total, il faut sommer les coûts puis multiplier par le temps de production :
On obtient alors, pour notre série : Remarques: Le coût est 63 fois plus élevé qu'en enfilade. On peut constater que le coût par pièce est sensiblement le même pour une série de 50'000 ou 15'000 pièces. Ceci est du au fait que, tant que le temps de réglage est négligeable, le coût ne dépend que du temps d'usinage (coût amortissement + coût opérateur fixe).
8.3 Formule générale : Dans le but de pouvoir facilement estimer le coût d'une rectification conventionnelle :
opérateur ( + temps de chargement des temps d'usinage : entre amortissement
pièces)
temps de réglage : 2h (compter jusqu'à 8h si le profil de la pi èce est plus complexe)
( )
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9. Conclusion : La rectification est un procédé de grande précision parfaitement maîtrisé : état de surface à très faible rugosité, usinage de tolérance allant au delà du µm, parallélisme ou circularité presque parfaite. Des atouts pouvant être indispensable à l’usinage de pièce s microtechnique ! Une technique de production extrêmement variée, fiable et pl eine de savoir-faire au service de domaines d’applications des plus restreints au plus étendus : l’automobile, l’aérospatiale, le médical ou encore l’horlogerie.
10. Remerciements: Nous remercions l’entreprise Adax SA ( Bevaix), et tout particulièrement Monsieur Jorge Bastos pour
nous avoir accueillis et fait visiter le secteur de rectification. Nous remercions également nos Professeurs responsables Messieurs Jacot et Lüthi pour avoir été disponibles tout au long de notre préparation et d’avoir répondu à nos questions , ainsi que Messieurs les Professeurs Perriard et
Besse.
11. Références : 11.1 Webographie : Consulté en octobre et novembre 2012, -
http://fr.wikipedia.org/wiki/Rectification_(m%C3%A9canique) http://fr.wikipedia.org/wiki/Usinage_par_abrasion
-
http://www.atlantic-meules-abrasives.fr/68.html
-
http://www.meister-abrasives.ch/fr/
-
http://www.greenstone.org/greenstone3/nzdl;jsessionid=DDAF18209E7F17B1AE62F02474B 21ABF?a=d&d=HASH05a7d6d1ea75a24dbe73be.7&c=gtz&sib=1&dt=&ec=&et=&p.a=b&p.s= ClassifierBrowse&p.sa
-
http://www.diametal.ch/diametal
-
http://www.crystec.com/
-
http://www.winterthurusa.com/osMedia/doc/walzen_f_3638.pdf
-
http://www.france.cgwheels.com/htmls/rectification-cylindriqueinterieure.aspx?c0=13148&bsp=13090
-
11.2 Bibliographie: [1] Theo Mang, Kirtsen Bobzin, Thorsten Bartels, Industrial Tribology: Tribosystems, Wear and Surface Engineering, Lubrication, page 41, 2011.
[2] Adrien Christan, Thierry de Roche, Séminaire de rectification, 2011 [3] Kilchoer Cédric, Merabet Abdelkader, Roth Yann, Séminaire d’usinage à grande vitesse, 2012 [4] Mark J. Jackson, J. Paulo Davim, Machining with Abrasives, 2010
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