Fabrication Mecanique, Génie électrique
Cours Complet sur le Tournage et le Fraisage en Fabrication Mécanique
Oct
Usinage : Cours Complet sur le Tournage et le Fraisage en Fabrication Mécanique
L’usinage tournage fraisage représente un ensemble de techniques fondamentales dans le domaine de la fabrication mécanique. Ces procédés permettent de transformer des matériaux bruts en pièces mécaniques répondant à des exigences précises de dimensions, de géométrie et d’état de surface.
Le tournage et le fraisage sont particulièrement utilisés dans les ateliers industriels pour fabriquer des arbres, des axes, des poulies, des supports, des engrenages et de nombreux composants mécaniques.
Le tournage consiste principalement à faire tourner une pièce devant un outil coupant, tandis que le fraisage utilise généralement un outil rotatif pour enlever progressivement de la matière.
Le document intitulé « Usinage – Tournage – Fraisage » présente, d’après sa couverture, deux disciplines majeures de la fabrication mécanique.
Cet article propose une présentation pédagogique de leurs principes, des machines-outils, des opérations courantes, des paramètres de coupe et des méthodes permettant d’obtenir des pièces mécaniques de qualité.
Qu’est-ce que l’usinage en fabrication mécanique ?
L’usinage désigne un ensemble de procédés de fabrication permettant de retirer de la matière d’une pièce afin d’obtenir une forme, des dimensions et un état de surface déterminés.
Cette transformation est réalisée à l’aide d’une machine-outil et d’un outil coupant capable de produire des copeaux.
L’usinage occupe une place importante dans plusieurs secteurs industriels :
- Industrie automobile.
- Construction aéronautique.
- Fabrication de machines industrielles.
- Maintenance mécanique.
- Industrie ferroviaire.
- Production de composants métalliques.
- Fabrication de moules et d’outillages.
Parmi les principaux procédés d’usinage, on retrouve le tournage, le fraisage, le perçage, l’alésage, le brochage et la rectification.
Le choix du procédé dépend essentiellement de la géométrie recherchée, de la précision exigée, du matériau et des moyens de production disponibles.
Le tournage mécanique : principe et fonctionnement
Le tournage mécanique est un procédé d’usinage par enlèvement de matière principalement utilisé pour fabriquer des pièces présentant des surfaces de révolution.
Dans sa configuration classique, la pièce est fixée sur un mandrin et entraînée en rotation par la broche du tour.
Un outil coupant se déplace suivant une trajectoire déterminée afin d’enlever progressivement la matière.
Les principaux mouvements en tournage
Le fonctionnement du tournage repose sur deux mouvements essentiels.
Le mouvement de coupe : il correspond à la rotation de la pièce autour de son axe.
Le mouvement d’avance : il correspond au déplacement relatif de l’outil par rapport à la pièce.
La combinaison de ces mouvements permet d’obtenir des surfaces cylindriques, coniques, planes ou filetées.
Les différents types de tours
Les ateliers de fabrication mécanique utilisent plusieurs catégories de machines.
Le tour parallèle : machine conventionnelle particulièrement utilisée pour les opérations courantes et l’apprentissage du tournage.
Le tour à commande numérique : machine CNC permettant de programmer les déplacements des outils et de réaliser des pièces avec une bonne répétabilité.
Le tour automatique : machine adaptée à certaines productions en série.
Le centre de tournage : machine pouvant intégrer plusieurs fonctions et, selon sa configuration, des outils motorisés permettant aussi certaines opérations de fraisage.
Les principaux composants d’un tour parallèle
Un tour parallèle comprend plusieurs éléments mécaniques indispensables.
Le banc
Le banc constitue la structure principale de la machine. Il supporte les organes mobiles et assure leur guidage.
La poupée fixe
La poupée fixe contient notamment la broche et les éléments nécessaires à son entraînement.
Elle permet de transmettre le mouvement de rotation à la pièce.
Le mandrin
Le mandrin sert à maintenir la pièce pendant l’usinage.
Il existe des mandrins à trois mors, à quatre mors et d’autres dispositifs de serrage adaptés aux différentes géométries.
La poupée mobile
La poupée mobile permet notamment de soutenir certaines pièces longues à l’aide d’une contre-pointe.
Elle peut également recevoir des outils axiaux selon les opérations à réaliser.
Le trainard et les chariots
Ces éléments assurent le déplacement contrôlé de l’outil coupant le long des axes de la machine.
La rigidité et le bon réglage de ces composants influencent directement la précision de fabrication.
Les différentes opérations de tournage
Le tournage permet de réaliser plusieurs opérations essentielles.
Le chariotage
Le chariotage consiste à usiner une surface cylindrique extérieure.
L’outil se déplace généralement parallèlement à l’axe de rotation de la pièce.
Cette opération est fréquemment utilisée pour fabriquer des arbres et des axes mécaniques.
Le dressage
Le dressage permet de réaliser une face plane perpendiculaire à l’axe de rotation.
Il est notamment utilisé pour ajuster la longueur d’une pièce ou créer une face de référence.
Le tournage conique
Cette opération permet de fabriquer une surface conique.
Elle peut être réalisée à l’aide d’un réglage approprié sur un tour conventionnel ou par programmation sur une machine CNC.
Le rainurage et le tronçonnage
Le rainurage permet de créer une gorge sur une pièce.
Le tronçonnage consiste à séparer une partie de la pièce à l’aide d’un outil adapté.
Le filetage
Le filetage permet de réaliser des profils hélicoïdaux destinés notamment aux assemblages vissés.
Il nécessite une synchronisation précise entre la rotation de la pièce et l’avance de l’outil.
Le fraisage mécanique : principe et fonctionnement
Le fraisage mécanique est un procédé d’usinage qui utilise un outil rotatif appelé fraise.
La fraise possède plusieurs arêtes coupantes qui enlèvent de la matière au cours de la rotation.
Le mouvement d’avance est obtenu par un déplacement relatif entre l’outil et la pièce.
Contrairement au tournage classique, le fraisage est particulièrement adapté à la fabrication de surfaces planes, de rainures, de poches et de formes complexes.
Les différents types de fraiseuses
La fraiseuse verticale : elle possède une broche principalement orientée verticalement.
La fraiseuse horizontale : sa broche est disposée horizontalement.
La fraiseuse universelle : elle permet différentes configurations d’usinage grâce aux possibilités de réglage de ses organes.
La fraiseuse CNC : elle exécute automatiquement les mouvements programmés à l’aide d’une commande numérique.
Les centres d’usinage modernes disposent parfois de quatre ou cinq axes afin de fabriquer des géométries particulièrement complexes.
Les principales opérations de fraisage
Le fraisage permet de réaliser des formes très variées.
Le surfaçage
Le surfaçage consiste à obtenir une surface plane à l’aide d’une fraise adaptée.
Il est souvent utilisé pour préparer des surfaces de référence et assurer la planéité des pièces.
Le rainurage
Le rainurage permet de réaliser des logements ou des rainures dans une pièce mécanique.
Les rainures peuvent notamment servir à recevoir des clavettes ou des éléments d’assemblage.
Le fraisage d’épaulements
Cette opération permet d’obtenir deux surfaces se rencontrant suivant un angle déterminé, généralement droit.
Le contournage
Le contournage consiste à usiner les profils extérieurs ou intérieurs d’une pièce.
Il est largement utilisé sur les machines CNC.
Le fraisage de poches
Le fraisage de poches permet d’enlever de la matière à l’intérieur d’une zone délimitée.
Cette technique est fréquente dans la fabrication de boîtiers, de supports et de pièces mécaniques complexes.
Différence entre le tournage et le fraisage
Le tournage et le fraisage sont deux procédés complémentaires, mais ils présentent des différences importantes.
En tournage classique, le mouvement de coupe est principalement assuré par la rotation de la pièce.
En fraisage classique, il est principalement assuré par la rotation de l’outil.
Le tournage est généralement privilégié pour les pièces cylindriques et les surfaces de révolution.
Le fraisage est mieux adapté aux surfaces planes, aux rainures, aux poches et à de nombreuses géométries prismatiques.
Certains composants nécessitent plusieurs opérations successives.
Par exemple, un arbre mécanique peut être tourné pour obtenir ses différents diamètres, puis fraisé afin de réaliser une rainure de clavette.
La complémentarité de ces techniques permet de fabriquer un grand nombre de pièces industrielles.
Les outils de coupe utilisés en usinage
Le choix des outils est essentiel pour obtenir une bonne qualité d’usinage.
Les outils de tournage
Parmi les principaux outils, on retrouve :
- Les outils à charioter.
- Les outils à dresser.
- Les outils à rainurer.
- Les outils à tronçonner.
- Les outils à fileter.
- Les barres d’alésage.
Ces outils peuvent comporter une arête de coupe intégrée ou une plaquette amovible.
Les outils de fraisage
Les principales catégories comprennent :
- Les fraises en bout.
- Les fraises à surfacer.
- Les fraises deux tailles.
- Les fraises trois tailles.
- Les fraises à rainurer.
- Les fraises à bout sphérique.
Les outils peuvent être fabriqués en acier rapide HSS, en carbure métallique ou dans d’autres matériaux adaptés à leurs applications.
Les plaquettes indexables permettent de remplacer les arêtes de coupe usées sans changer l’ensemble du porte-outil.
Les paramètres de coupe en tournage et fraisage
La qualité d’une opération d’usinage dépend fortement du choix des conditions de coupe.
Les paramètres les plus importants comprennent la vitesse de coupe, la vitesse de rotation, l’avance et la profondeur de passe.
La vitesse de coupe Vc
La vitesse de coupe correspond à la vitesse relative de l’arête coupante au niveau de la zone d’usinage.
Elle est généralement exprimée en mètres par minute.
La relation utilisée pour calculer la vitesse de rotation est :
n = (1000 × Vc) / (π × D)
Avec :
- n : vitesse de rotation en tr/min.
- Vc : vitesse de coupe en m/min.
- D : diamètre de référence en mm.
En tournage, D représente le diamètre usiné pour les opérations cylindriques courantes.
En fraisage, D correspond au diamètre de coupe de la fraise.
Exemple de calcul de vitesse en tournage
Prenons une pièce de diamètre 50 mm avec une vitesse de coupe choisie de 120 m/min.
Le calcul donne :
n = (1000 × 120) / (π × 50)
n ≈ 764 tr/min
La vitesse réelle est ensuite adaptée aux possibilités de la machine et aux recommandations de coupe.
L’avance en tournage
L’avance en tournage est généralement exprimée en millimètres par tour.
La vitesse d’avance peut être calculée par :
Vf = f × n
Avec :
- Vf : vitesse d’avance en mm/min.
- f : avance en mm/tr.
- n : vitesse de rotation en tr/min.
Avec une avance de 0,15 mm/tr et une vitesse de 764 tr/min :
Vf = 0,15 × 764 = 114,6 mm/min
L’avance en fraisage
En fraisage, on utilise fréquemment l’avance par dent.
La formule est :
Vf = fz × z × n
Avec :
- fz : avance par dent en mm/dent.
- z : nombre de dents effectives.
- n : vitesse de rotation en tr/min.
Ces paramètres doivent être adaptés à la matière, au type d’outil, à la rigidité de la machine et aux conditions réelles d’usinage.
La profondeur de passe
La profondeur de passe représente l’épaisseur de matière engagée suivant une direction définie.
En tournage extérieur cylindrique, la profondeur de passe radiale peut être obtenue par la moitié de la différence entre le diamètre initial et le diamètre final.
En fraisage, il faut notamment distinguer l’engagement axial et l’engagement radial de l’outil.
Les matériaux utilisés en usinage mécanique
Le tournage et le fraisage permettent d’usiner différents matériaux.
Parmi les matériaux courants figurent l’acier, l’aluminium, la fonte, le cuivre, le laiton et certains plastiques techniques.
Chaque matériau possède des caractéristiques spécifiques.
L’aluminium est généralement intéressant pour sa faible masse et son aptitude à de nombreuses opérations d’usinage.
Les aciers peuvent offrir une bonne résistance mécanique, mais leurs caractéristiques varient fortement selon leur composition et leur traitement thermique.
Les aciers inoxydables et certains alliages résistants à la chaleur demandent des précautions particulières concernant les outils, les conditions de coupe et l’évacuation de la chaleur.
Le technicien doit donc choisir ses paramètres en fonction du matériau réellement utilisé.
La précision et les tolérances en fabrication mécanique
Une pièce mécanique doit respecter les dimensions et les exigences géométriques définies sur son dessin technique.
Une tolérance dimensionnelle indique les limites acceptables autour d’une cote nominale.
Par exemple, pour une dimension de 30 ± 0,05 mm, la dimension acceptable se situe entre 29,95 et 30,05 mm.
Le contrôle dimensionnel peut être effectué à l’aide d’un pied à coulisse, d’un micromètre, d’un comparateur ou d’équipements de métrologie plus avancés.
L’état de surface constitue également une caractéristique essentielle, particulièrement pour les pièces soumises à des frottements ou destinées à des assemblages précis.
Les machines CNC et l’usinage moderne
Les machines à commande numérique ont profondément transformé les ateliers de fabrication mécanique.
Une machine CNC exécute des trajectoires à partir d’un programme.
Elle permet notamment de contrôler les déplacements, les avances, les vitesses et les changements d’outils.
Les logiciels de conception et de fabrication assistées par ordinateur, appelés CAO et FAO, facilitent la préparation des opérations.
Cependant, la maîtrise du tournage et du fraisage conventionnels reste très utile.
Elle permet de comprendre les efforts de coupe, le rôle des outils, la mise en position des pièces et les limites des machines.
Ces connaissances sont indispensables pour préparer et contrôler des opérations CNC de manière efficace.
Les règles de sécurité en tournage et fraisage
L’usinage présente plusieurs risques liés aux pièces tournantes, aux outils coupants et aux projections de copeaux.
Avant toute opération, il faut notamment :
- Vérifier le serrage de la pièce.
- Contrôler le montage de l’outil.
- Utiliser les protections prévues.
- Porter des lunettes de protection adaptées.
- Attacher les cheveux et éviter les vêtements flottants.
- Respecter les consignes de la machine.
- Arrêter complètement la machine avant les mesures manuelles.
Il ne faut jamais manipuler les copeaux directement avec les mains.
Le port de gants à proximité d’éléments en rotation présente un risque d’entraînement et doit être évité.
La formation et le respect des procédures de sécurité sont essentiels pour tous les opérateurs.
Pourquoi apprendre le tournage et le fraisage ?
La maîtrise des techniques d’usinage est particulièrement importante pour les étudiants en génie mécanique, les techniciens de fabrication et les professionnels de la maintenance.
Elle permet de mieux comprendre la conception et la fabrication des composants utilisés dans les machines industrielles.
Ces connaissances facilitent également la lecture des dessins techniques, la sélection des outils et l’identification des défauts d’usinage.
L’apprentissage du tournage et du fraisage constitue ainsi une base solide pour évoluer vers la programmation CNC, les méthodes industrielles et la fabrication de précision.
Conclusion
L’usinage, le tournage et le fraisage occupent une place essentielle dans la fabrication mécanique moderne.
Le tournage est principalement adapté aux surfaces de révolution, tandis que le fraisage permet de produire des surfaces planes et des formes géométriques variées.
La compréhension des machines-outils, des outils de coupe, des opérations et des paramètres de fabrication contribue directement à la qualité des pièces réalisées.
Pour les étudiants et techniciens, l’étude conjointe du tournage et du fraisage constitue une excellente introduction aux métiers de la production industrielle.
Le support pédagogique intitulé « Usinage – Tournage – Fraisage » peut être présenté comme une ressource sur ces deux procédés, sous réserve de vérifier le contenu intégral du document avant publication.
FAQ – Questions fréquentes sur l’usinage
Qu’est-ce que l’usinage mécanique ?
L’usinage est un procédé de fabrication qui consiste à retirer de la matière afin d’obtenir une pièce conforme à des caractéristiques dimensionnelles et géométriques définies.
Quelle est la différence entre tournage et fraisage ?
En tournage classique, c’est principalement la pièce qui tourne. En fraisage classique, c’est l’outil coupant qui tourne.
Quels sont les principaux outils de tournage ?
Les principaux outils sont les outils à charioter, à dresser, à rainurer, à tronçonner et à fileter.
Quelles opérations peut-on réaliser en fraisage ?
Les opérations courantes comprennent le surfaçage, le rainurage, le fraisage d’épaulements, le contournage et le fraisage de poches.
Comment calculer la vitesse de rotation en usinage ?
La relation couramment utilisée est n = (1000 × Vc) / (π × D), avec Vc en m/min et D en mm.
Que signifie CNC en fabrication mécanique ?
CNC signifie Computer Numerical Control, ou commande numérique par calculateur. Elle permet de piloter les déplacements et les fonctions d’une machine-outil à partir d’un programme.
Pourquoi faut-il contrôler les pièces usinées ?
Le contrôle permet de vérifier que les dimensions, les tolérances et les autres caractéristiques exigées correspondent au dessin technique.
Le tournage et le fraisage sont-ils complémentaires ?
Oui. Certaines pièces sont fabriquées en combinant les deux techniques afin d’obtenir des surfaces cylindriques, des rainures, des méplats et d’autres formes mécaniques.
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