Que sont le perçage, l'alésage, le rodage et le perçage ?
Comparativement à l'usinage de surfaces cylindriques externes, les conditions d'usinage des trous sont nettement plus défavorables, ce qui rend cette opération plus difficile. Ceci s'explique par le fait que :
1) La taille de l'outil utilisé pour l'usinage des trous est limitée par la taille du trou usiné, ce qui entraîne une faible rigidité et une tendance à se plier, à se déformer et à vibrer.
2) Lors du perçage avec un outil de taille fixe, la taille du trou dépend souvent directement des dimensions correspondantes de l'outil, et les erreurs de fabrication et l'usure de l'outil affectent directement la précision d'usinage du trou.
3) Lors du perçage, la zone de coupe se trouve à l'intérieur de la pièce, ce qui entraîne une mauvaise évacuation des copeaux et une mauvaise dissipation de la chaleur, rendant difficile le contrôle de la précision d'usinage et de la qualité de surface.
A. Perçage et alésage
1. Forage
Le perçage est la première étape du perçage d'un trou dans un matériau solide. Le diamètre du trou est généralement inférieur à 80 mm. Il existe deux méthodes de perçage : l'une avec un foret rotatif et l'autre avec une pièce en rotation. Les erreurs générées par ces deux méthodes diffèrent. Avec le foret rotatif, en raison de l'asymétrie des arêtes de coupe et d'une rigidité insuffisante, l'axe du trou peut dévier ou se courber, mais le diamètre du trou reste sensiblement inchangé. Avec la pièce en rotation, c'est l'inverse : le diamètre du trou peut varier, mais l'axe du trou reste droit.
Les outils de perçage courants comprennent les forets hélicoïdaux, les forets de centrage et les forets pour trous profonds. Le foret hélicoïdal est le plus utilisé, avec des diamètres allant de 0,1 à 80 mm.
En raison de leurs limitations structurelles, les forets présentent une faible rigidité en flexion et en torsion, associée à un centrage imprécis, ce qui se traduit par une faible précision de perçage, généralement comprise entre IT13 et IT11. La rugosité de surface est également élevée, avec un Ra typiquement compris entre 50 et 12,5 µm. Cependant, le perçage offre un taux d'enlèvement de matière et une efficacité de coupe élevés. Il est principalement utilisé pour les trous dont les exigences de qualité sont faibles, tels que les trous de boulons, les trous taraudés et les trous de lubrification. Les trous nécessitant une précision et une qualité de surface supérieures doivent être obtenus par des opérations d'usinage ultérieures, telles que l'alésage, le rectification ou le perçage.
2. Alésage des trous
L'alésage consiste à utiliser un foret d'alésage pour augmenter le diamètre et améliorer la qualité d'un trou déjà percé, moulé ou forgé. Ce procédé peut servir d'étape de pré-usinage avant la finition ou d'étape finale pour les trous dont les exigences sont moindres. Un foret d'alésage est similaire à un foret hélicoïdal, mais il possède davantage de dents et est dépourvu de tranchant.
Comparé au perçage, l'alésage présente les caractéristiques suivantes : (1) les forets d'alésage possèdent davantage de dents (3 à 8), assurant un guidage précis et une coupe plus stable ; (2) dépourvus d'arête de coupe, ils offrent de meilleures conditions de coupe ; (3) la surépaisseur d'usinage est réduite, permettant de diminuer la profondeur de la gorge de coupe, d'augmenter l'épaisseur du noyau et d'améliorer la résistance et la rigidité de l'outil. La précision de l'alésage est généralement comprise entre IT11 et IT10, et la rugosité de surface Ra entre 6,3 et 12,5 µm. L'alésage est fréquemment utilisé pour l'usinage de trous de diamètre inférieur à 10 mm. Pour les trous de plus grand diamètre (D ≥ 30 mm), un foret de petit diamètre (0,5 à 0,7 fois le diamètre du trou) est souvent utilisé pour le pré-perçage, suivi de l'alésage avec un foret d'alésage adapté. Cette méthode permet d'améliorer la qualité d'usinage et la productivité. Outre le perçage de trous cylindriques, l'alésage peut également utiliser divers forets d'alésage de formes spéciales (aussi appelés fraises à chanfreiner) pour réaliser des trous fraisés et des faces d'extrémité fraisées. L'extrémité avant du foret à chanfreiner comporte souvent une colonne de guidage qui se déplace grâce au trou usiné.
B. Alésage
L'alésage est une méthode de finition des trous largement utilisée en production. Pour les petits trous, l'alésage est une méthode plus économique et pratique que la rectification intérieure et le perçage fin.
1. Alésoirs
On distingue généralement deux types d'alésoirs : les alésoirs manuels et les alésoirs mécaniques. Les alésoirs manuels possèdent une tige droite et une partie active plus longue, ce qui assure un meilleur guidage. Ils sont disponibles en versions à diamètre extérieur fixe ou réglable. Les alésoirs mécaniques existent en versions à montage sur tige ou à montage sur douille. On peut utiliser un alésoir non seulement pour les trous ronds, mais aussi pour les trous coniques à l'aide d'alésoirs coniques.
2. Procédé d'alésage et applications
La surépaisseur d'alésage influe considérablement sur la qualité du trou. Une surépaisseur excessive exerce une forte contrainte sur l'alésoir, émoussant rapidement son tranchant et rendant difficile l'obtention d'une surface lisse et le respect des tolérances dimensionnelles. Une surépaisseur insuffisante empêche l'élimination des marques d'outil laissées par l'opération précédente, compromettant ainsi la qualité du trou. Généralement, la surépaisseur d'alésage d'ébauche est de 0,35 à 0,15 mm, et celle d'alésage de finition de 0,15 à 0,05 mm.
Pour éviter la formation d'arêtes rapportées, l'alésage est généralement effectué à une vitesse de coupe réduite (v
Lors du réalésage, un fluide de coupe approprié doit être utilisé pour le refroidissement, la lubrification et le nettoyage afin d'éviter la formation d'arêtes rapportées et d'assurer une évacuation rapide des copeaux. Comparé au meulage et au perçage, le réalésage offre une productivité accrue et une meilleure précision de perçage. Cependant, il ne permet pas de corriger les erreurs de positionnement axial ; la précision de positionnement doit être garantie par l'opération préalable. Le réalésage n'est pas adapté aux trous étagés ni aux trous borgnes.
La précision dimensionnelle des trous alésés est généralement de type IT9-IT7, avec une rugosité de surface Ra de 3,2 à 0,8 μm. Pour les trous de taille moyenne exigeant une haute précision (comme les trous de précision de niveau IT7), le procédé perçage-alésage-alésage est une solution d'usinage typique couramment utilisée en production.
C. Ennuyeux
L'alésage est un procédé d'usinage qui consiste à agrandir un trou préfabriqué à l'aide d'un outil de coupe. Il peut être réalisé sur une aléseuse ou un tour.
1. Méthode de forage
Il existe trois méthodes de traitement différentes pour le forage.
(1) La pièce tourne et l'outil avance. La plupart des alésages sur tour relèvent de cette méthode. Les caractéristiques du procédé sont les suivantes : l'axe du trou après usinage est aligné sur l'axe de rotation de la pièce ; la circularité du trou dépend principalement de la précision de rotation de la broche de la machine-outil ; et l'erreur géométrique axiale du trou dépend principalement de la précision de positionnement de la direction d'avance de l'outil par rapport à l'axe de rotation de la pièce. Cette méthode d'alésage convient à l'usinage de trous devant être coaxiaux avec la surface cylindrique extérieure.
(2) L'outil tourne et la pièce avance. La broche de l'aléseuse entraîne la rotation de l'outil d'alésage et la table de travail entraîne l'avance de la pièce.
(3) L'outil tourne et avance. Lors de l'alésage avec cette méthode, la longueur de porte-à-faux de la barre d'alésage varie, de même que les contraintes et déformations qu'elle subit. Le diamètre du trou est important près du carter de broche et faible loin de celui-ci, formant ainsi un trou conique. De plus, l'augmentation de la longueur de porte-à-faux de la barre d'alésage accroît la déformation de la broche sous son propre poids, ce qui entraîne une flexion de l'axe du trou usiné. Cette méthode d'alésage convient uniquement à l'usinage de trous de faible longueur.
2. Forage au diamant
Comparé à l'alésage classique, l'alésage diamant se caractérise par un faible contre-dépouillement, une faible avance et une vitesse de coupe élevée. Il permet d'obtenir une très grande précision d'usinage (IT7 à IT6) et une surface très lisse (Ra de 0,4 à 0,05 µm). Initialement réalisé avec des outils en diamant, l'alésage diamant utilise aujourd'hui couramment des outils en carbure, en CBN et en diamant synthétique. Il est principalement utilisé pour l'usinage de pièces en métaux non ferreux, mais peut également convenir à l'usinage de la fonte et de l'acier.
Les paramètres de coupe courants pour le perçage au diamant sont les suivants : profondeur de pré-perçage de 0,2 à 0,6 mm, profondeur de perçage finale de 0,1 mm ; vitesse d’avance de 0,01 à 0,14 mm/tr ; vitesse de coupe de 100 à 250 m/min pour la fonte, de 150 à 300 m/min pour l’acier et de 300 à 2 000 m/min pour les métaux non ferreux.
Pour garantir une précision d'usinage et une qualité de surface élevées lors de l'alésage au diamant, la machine-outil (aléseuse diamant) doit présenter une grande précision géométrique et une rigidité importante. Des roulements à billes à contact oblique de précision ou des paliers hydrostatiques sont souvent utilisés pour le support de la broche, et les pièces en rotation à grande vitesse doivent être parfaitement équilibrées. De plus, le mécanisme d'avance doit fonctionner avec une grande fluidité afin d'assurer un déplacement régulier et à basse vitesse de la table de travail.
L'alésage au diamant offre une excellente qualité d'usinage et une productivité élevée, ce qui explique son utilisation répandue dans la production de masse à grande échelle pour l'usinage final d'alésages de précision, tels que les alésages de cylindres de moteurs, les alésages d'axes de pistons et les alésages de broches de machines-outils. Toutefois, il est important de noter que pour l'alésage au diamant de métaux ferreux, seuls les outils en carbure et en CBN doivent être utilisés ; les outils en diamant sont à proscrire. En effet, les atomes de carbone du diamant présentent une forte affinité pour les éléments du groupe du fer, ce qui réduit la durée de vie de l'outil.
3. Outils de forage
Les outils d'alésage peuvent être divisés en outils d'alésage à simple arête et en outils d'alésage à double arête.
4. Caractéristiques et applications du procédé d'alésage
Contrairement au procédé de perçage-alésage-alésage, l'alésage n'est pas limité par la taille de l'outil en termes de diamètre du trou. Il offre également d'excellentes capacités de correction d'erreurs, permettant de rectifier les écarts par rapport à l'axe du trou initial grâce à plusieurs passes. Enfin, il garantit une grande précision de positionnement entre le trou alésé et la surface de référence.
Comparativement au tournage extérieur, l'alésage présente une rigidité du porte-outil moindre, une déformation plus importante, une dissipation thermique insuffisante et une déformation thermique significative de la pièce et de l'outil. Par conséquent, la qualité d'usinage et la productivité de l'alésage sont inférieures à celles du tournage extérieur.
L'analyse précédente montre que l'alésage possède un large éventail d'applications d'usinage, permettant de réaliser des trous de différentes dimensions et avec divers niveaux de précision. Pour les trous de grand diamètre et les systèmes de trous exigeant une précision dimensionnelle et de positionnement élevée, l'alésage est pratiquement la seule méthode d'usinage disponible. L'alésage permet d'atteindre des niveaux de précision d'usinage de IT9 à IT7. Il peut être réalisé sur diverses machines-outils, notamment les aléseuses, les tours et les fraiseuses. Sa flexibilité et sa maniabilité expliquent son utilisation répandue en production. Dans la production de masse à grande échelle, des matrices d'alésage sont souvent utilisées pour améliorer l'efficacité de l'alésage.
D. Rodage des trous
1. Principes et têtes d'affûtage
Le rodage est une méthode de finition des trous utilisant une tête de rodage munie d'une meule (pierre à huile). Lors du rodage, la pièce est immobile tandis que la tête de rodage, entraînée par la broche de la machine-outil, effectue un mouvement linéaire alternatif. La meule exerce une pression sur la surface de la pièce, enlevant une très fine couche de matière. Le tracé de coupe forme un motif en croix. Pour éviter la répétition des trajectoires des grains abrasifs de la meule, la vitesse de rotation de la tête de rodage et sa fréquence de passage (nombre de courses par minute) doivent être des nombres premiers.
L'angle d'intersection des trajectoires de rodage est lié à la vitesse de va-et-vient et à la vitesse périphérique de la tête de rodage. La valeur de cet angle influe sur la qualité et l'efficacité du processus de rodage. Il est généralement fixé à 0° pour l'ébauche et à 0° pour la finition. Afin de faciliter l'évacuation des particules abrasives et des copeaux, de réduire les températures de coupe et d'améliorer la qualité d'usinage, il convient d'utiliser une quantité suffisante de fluide de coupe pendant le rodage.
Pour garantir un usinage uniforme de la paroi du trou, la bande abrasive doit dépasser de part et d'autre du trou d'une certaine valeur. Afin d'assurer une tolérance de rodage uniforme et de minimiser l'impact des erreurs de rotation de la broche sur la précision d'usinage, une liaison flottante est généralement utilisée entre la tête de rodage et la broche de la machine.
Le réglage radial des bandes de la tête de rodage peut être manuel, pneumatique ou hydraulique.
2. Caractéristiques et applications du procédé de rodage
1) Le rodage permet d'obtenir une grande précision dimensionnelle et géométrique, la précision d'usinage atteignant les niveaux IT7-IT6. Les erreurs de circularité et de cylindricité des trous peuvent être maîtrisées. Cependant, le rodage n'améliore pas la précision de positionnement du trou usiné.
2) Le rodage permet d'obtenir une haute qualité de surface, avec une rugosité de surface Ra de 0,2 à 0,25 μm et une profondeur minimale de 2,5 à 25 μm pour la couche de défaut de détérioration du métal de surface.
3) Bien que la vitesse circonférentielle de la tête de rodage ne soit pas aussi élevée que celle du meulage (vc = 16-60 m/min), le rodage offre toujours une productivité élevée grâce à la grande surface de contact entre la bande abrasive et la pièce à usiner et à la vitesse de va-et-vient relativement élevée (va = 8-20 m/min).
Le rodage est largement utilisé en production de masse pour réaliser des alésages de précision dans les cylindres de moteurs et divers systèmes hydrauliques. Les diamètres des alésages varient généralement de 0,5 à 1,5 µm et permettent de réaliser des alésages profonds avec un rapport d'aspect supérieur à 10. Cependant, le rodage ne convient pas à l'usinage d'alésages dans des pièces en métaux non ferreux à forte plasticité, ni à l'usinage d'alésages comportant des rainures de clavette ou des cannelures.
Brochement du trou E
1. Brochage et outils de brochage
Le brochage est une méthode de finition très productive réalisée sur une machine à brocher à l'aide d'une broche spécialement conçue. Les machines à brocher sont classées en deux catégories : horizontales et verticales, les outils de brochage horizontaux étant les plus courants.
Lors du brochage, la broche effectue uniquement un mouvement linéaire à faible vitesse (mouvement principal). Le nombre de dents de la broche fonctionnant simultanément doit généralement être d'au moins trois ; sinon, la broche fonctionnera de manière instable et des ondulations annulaires risquent de se former sur la surface de la pièce. Afin d'éviter des forces de brochage excessives susceptibles de casser la broche, le nombre de dents fonctionnant simultanément ne doit généralement pas dépasser six à huit.
Il existe trois méthodes différentes de brochage de trous, décrites ci-dessous :
1) Brochage par couches : Cette méthode consiste à enlever la matière de la pièce par couches successives. Pour faciliter le bris des copeaux, les dents sont rectifiées avec des rainures de bris de copeaux entrelacées. Les broches conçues pour le brochage par couches sont appelées broches conventionnelles.
2) Brochage segmenté : Cette méthode de brochage consiste à enlever chaque couche de métal de la surface usinée à l’aide d’une série de dents (généralement 2 à 3 dents par série) de dimensions sensiblement identiques mais décalées. Chaque dent n’enlève qu’une portion de couche de métal. Une broche conçue pour le brochage segmenté est appelée broche à denture circulaire.
3) Brochage combiné : Cette méthode combine les avantages du brochage par couches et du brochage segmenté. Le brochage segmenté est utilisé pour l’ébauche, tandis que le brochage par couches assure la finition. On obtient ainsi une longueur de brochage réduite, une productivité accrue et une qualité de surface supérieure. Une broche conçue pour le brochage combiné est appelée broche combinée.
2. Caractéristiques et applications du procédé de brochage de trous
1) Une broche est un outil à plusieurs tranchants qui peut effectuer successivement l'ébauche, la finition et la finition d'un trou en une seule course de brochage, ce qui permet d'obtenir une efficacité de production élevée.
2) La précision du brochage dépend principalement de la précision de l'outil de brochage. Dans des conditions normales, la précision de brochage peut atteindre IT9-IT7, avec une rugosité de surface Ra de 6,3 à 1,6 μm.
3) Lors du brochage d'un trou, la pièce est positionnée par rapport à ce trou (le guide-outil de brochage servant d'élément de positionnement). Il est donc difficile de garantir la précision de positionnement relative du trou et des autres surfaces. Pour l'usinage de pièces rotatives exigeant la coaxialité des surfaces circulaires internes et externes, le trou est souvent broché en premier, puis les autres surfaces sont usinées en utilisant le trou comme référence de positionnement.
4) Les broches peuvent non seulement usiner des trous ronds, mais aussi former des trous et des trous cannelés.
5) Les broches sont des outils de taille fixe, de formes complexes et de coût élevé, ce qui les rend inadaptées à l'usinage de grands trous.
Le brochage est couramment utilisé dans la production de masse pour usiner des trous traversants sur des pièces de petite et moyenne taille dont le diamètre varie de 10 à 80 mm et la profondeur ne dépasse pas cinq fois le diamètre du trou.