L'influence de la surépaisseur d'usinage sur la précision d'usinage !
Face à l'amélioration constante des exigences de qualité des produits usinés, de nombreux efforts ont été consacrés à la recherche de méthodes et de mesures pour optimiser la qualité des produits. Cependant, l'impact des surépaisseurs d'usinage sur cette qualité a été négligé, certains estimant qu'une marge de sécurité suffisait à limiter l'impact. Or, dans la pratique, il apparaît que la surépaisseur d'usinage influe directement sur la qualité des produits. Des surépaisseurs trop faibles rendent difficile l'élimination des erreurs résiduelles de forme et de position, ainsi que des défauts de surface issus des étapes précédentes. À l'inverse, des surépaisseurs trop importantes augmentent la charge de travail, la consommation de matériaux, d'outils et d'énergie, et surtout, la chaleur générée par l'enlèvement d'une grande quantité de matière peut déformer les pièces, complexifier leur usinage et nuire à leur qualité. Il est donc essentiel de contrôler rigoureusement les surépaisseurs d'usinage.
1. Concept de surépaisseur d'usinage
La surépaisseur d'usinage correspond à l'épaisseur de la couche métallique enlevée de la surface usinée. Elle se divise en surépaisseur d'usinage par processus et surépaisseur d'usinage totale. La surépaisseur d'usinage par processus correspond à l'épaisseur de la couche métallique enlevée d'une surface donnée lors d'un processus, et dépend de la différence entre les dimensions des processus précédents et suivants. La surépaisseur d'usinage totale correspond à l'épaisseur totale de la couche métallique enlevée d'une surface donnée pendant tout le processus d'usinage, de l'ébauche au produit fini ; autrement dit, elle correspond à la différence entre la dimension de l'ébauche et la dimension de la pièce sur une même surface. La surépaisseur d'usinage totale est égale à la somme des surépaisseurs d'usinage de chaque processus. En raison des erreurs inévitables de fabrication de l'ébauche et de dimensionnement à chaque processus, la surépaisseur d'usinage totale et la surépaisseur d'usinage par processus sont des valeurs variables, donnant lieu à une surépaisseur d'usinage minimale et une surépaisseur d'usinage maximale. La surépaisseur d'usinage et les tolérances sont illustrées sur la figure 1. Sur cette figure, la surépaisseur d'usinage minimale correspond à la différence entre la dimension minimale du processus précédent et la dimension maximale du processus en cours. La surépaisseur d'usinage maximale correspond à la différence entre la dimension maximale de l'usinage précédent et la dimension minimale de l'usinage actuel. La plage de variation de la surépaisseur d'usinage (différence entre la surépaisseur d'usinage maximale et la surépaisseur d'usinage minimale) est égale à la somme des tolérances dimensionnelles de l'usinage précédent et de l'usinage actuel. La zone de tolérance dimensionnelle est généralement spécifiée dans le sens d'entrée de la pièce dans le corps. Pour les arbres, la dimension de référence est la dimension maximale de l'usinage, tandis que pour les alésages, il s'agit de la dimension minimale de l'usinage.
2. Analyse de l'influence de la surépaisseur d'usinage sur la précision d'usinage
2.1 Influence d'une surépaisseur d'usinage excessive sur la précision d'usinage
Lors de l'usinage, les pièces génèrent inévitablement de la chaleur de coupe. Une partie de cette chaleur est évacuée par les copeaux et le fluide de coupe, une autre est transférée à l'outil et une dernière à la pièce, entraînant une élévation de la température de cette dernière. Cette température est étroitement liée à la surépaisseur d'usinage. Si la surépaisseur est importante, le temps d'ébauche s'allonge et la quantité de matière enlevée augmente, ce qui accroît la chaleur de coupe et la température de la pièce. Le principal inconvénient de cette élévation de température est la déformation de la pièce, notamment pour les matériaux sensibles aux variations de température (comme l'acier inoxydable). De plus, cette déformation thermique se propage tout au long du processus d'usinage, complexifiant l'opération et affectant la qualité du produit. Par exemple, lors de l'usinage de pièces minces telles que des tiges filetées, l'utilisation d'une méthode d'usinage à un seul dispositif de serrage limite la liberté de mouvement en longueur. Dans ce cas, une température trop élevée de la pièce provoque une dilatation thermique. Lorsque l'allongement est bloqué, la pièce se déforme inévitablement sous l'effet des contraintes, ce qui complique considérablement les étapes d'usinage ultérieures. La pièce se déforme également après chauffage. Si l'usinage se poursuit dans cet état, la partie saillante sera usinée jusqu'à l'obtention du produit fini. Après refroidissement à température ambiante, la pièce se déforme à nouveau sous l'effet des contraintes, entraînant des défauts de forme et de position et affectant sa qualité. La pièce se déforme également à température ambiante. Après dilatation du diamètre, la partie agrandie est découpée, et des défauts de cylindricité et de dimensions apparaissent après refroidissement. Lors du meulage de vis de précision, la déformation thermique de la pièce provoque également des erreurs de pas.
2.2 Influence d'une surépaisseur d'usinage trop faible sur la précision d'usinage
La surépaisseur d'usinage des pièces ne doit être ni trop grande ni trop petite. Si elle est trop faible, les tolérances géométriques résiduelles et les défauts de surface issus de l'étape précédente ne peuvent être éliminés, ce qui affecte la qualité du produit. Afin de garantir la qualité d'usinage des pièces, la surépaisseur minimale de chaque étape doit respecter les exigences minimales de l'étape précédente. La surépaisseur minimale d'usinage d'un alésage est calculée en fonction de la pièce dont l'alésage doit être usiné. Si l'axe de l'alésage s'écarte de l'axe de référence et qu'une erreur de position n est apparue lors de l'étape précédente, et si l'alésage présente un défaut cylindrique p (conicité, ellipse, etc.) et un défaut de rugosité h, alors, pour éliminer les tolérances géométriques avant l'alésage, la surépaisseur minimale d'usinage unilatérale de l'alésage doit inclure les valeurs de ces erreurs et défauts. Étant donné que la pièce présente inévitablement des erreurs d'installation lors de l'alésage dans ce processus, c'est-à-dire l'erreur e entre l'axe du trou d'origine et l'axe de rotation de la pièce après installation, ainsi que la tolérance dimensionnelle T pendant l'alésage dans ce processus, la surépaisseur d'usinage minimale z de ce processus peut être exprimée par la formule suivante : z ≥ T/2 + h + p + n + e (surépaisseur unilatérale)
Pour différentes pièces et différents procédés, les valeurs et les manifestations des erreurs mentionnées ci-dessus varient également. Différents traitements doivent être appliqués lors de la détermination de la surépaisseur d'usinage. Par exemple, les arbres élancés sont sujets à la flexion et à la déformation, et l'erreur de rectitude de la génératrice dépasse la tolérance dimensionnelle ; il convient donc d'augmenter la surépaisseur d'usinage en conséquence. Pour les procédés utilisant des outils tels que des fraises flottantes pour positionner la surface usinée, l'influence de l'erreur d'installation e peut être négligée et la surépaisseur d'usinage réduite en conséquence. Enfin, pour certains procédés de finition visant principalement à réduire la rugosité de surface, la surépaisseur d'usinage est uniquement liée à la rugosité de surface h.
3. Choix judicieux de la surépaisseur d'usinage
Le choix de la surépaisseur d'usinage des pièces est étroitement lié au matériau, aux dimensions, au niveau de précision et à la méthode d'usinage utilisés, et doit être déterminé en fonction de la situation spécifique. Lors de la détermination de la surépaisseur d'usinage des pièces, les principes suivants doivent être respectés :
(1) La surépaisseur d'usinage minimale doit être utilisée pour raccourcir le temps d'usinage et réduire le coût d'usinage des pièces.
(2) Il convient de prévoir une surépaisseur d'usinage suffisante, notamment pour la dernière étape. Cette surépaisseur doit permettre de garantir la précision et la rugosité de surface spécifiées sur le dessin.
(3) Lors de la détermination de la surépaisseur d'usinage, la déformation causée par le traitement thermique des pièces doit être prise en compte, sinon des rebuts peuvent être produits.
(4) Lors de la détermination de la surépaisseur d'usinage, il convient de tenir compte de la méthode et de l'équipement d'usinage, ainsi que de la déformation qui peut survenir au cours du processus d'usinage.
(5) Pour déterminer la surépaisseur d'usinage, il convient de tenir compte des dimensions de la pièce à usiner. Plus la pièce est grande, plus la surépaisseur d'usinage doit être importante. En effet, plus la pièce est grande, plus le risque de déformation due à l'effort de coupe, aux contraintes internes, etc., augmente.