L’usinage à grande vitesse (UGV) est une technique d’usinage caractérisée par des conditions de coupe quatre à dix fois plus élevées que lors d’usinage conventionnel. Mais cette définition n’est pas figée car la frontière entre UGV et usinage conventionnel reste floue.

Principe physique

Grâce aux vitesses de coupe élevées, les phénomènes de coupe intervenant entre la pièce, l’outil et le copeau sont différent de ceux observés en usinage conventionnel. La chaleur dégagée lors du cisaillement du copeau n’a pas le temps de se propager dans la pièce et l’outil. Par conséquent, la majeure partie de cette chaleur est évacuée par le copeau (environ 80 % en UGV contre 40 % en usinage conventionnel). On remarque aussi que plus la vitesse de coupe augmente, plus l’énergie spécifique de coupe diminue (puissance électrique consommée par la machine divisée par le débit copeaux).

Avantages de l’UGV

Du fait de l’augmentation de la vitesse de coupe, il en découle l’augmentation de la vitesse d’avance. Les avantages de l’UGV sont donc les suivants :

* augmentation de la productivité : directement lié à l’augmentation des vitesses de coupe et d’avance.
* amélioration de l’état de surface
* conservation de l’intégrité matière : la chaleur transmise à la pièce étant plus faible, il y moins de modification de sa structure.
* amélioration de la précision
* usinage à sec : la majeure partie de la chaleur étant évacuée avec le copeau, une lubrification de refroidissement n’est plus forcement nécessaire.
* possibilité d’usiner des voiles minces : les forces de coupe tangentielles diminuent lorsque la vitesse de coupe augmente, il devient donc possible d’usiner des parois minces.
* possibilité d’usiner des aciers traités thermiquement (trempe, cémentation) sans pour autant que le traitement ne soit abîmé par la chaleur.

Spécificités liées à l’UGV

L’augmentation des conditions de coupe implique une spécificité de tous les composants intervenant lors de l’usinage. On peut citer :
* L’augmentation de la rigidité de la structure des machines outils.
* L’augmentation des vitesses de rotations de broches (20 000 tr/min et plus).
* L’utilisation de cônes d’attachement de type HSK.
* La partie commande des machines outils qui doit s’adapter aux vitesses d’avances plus élevées.
* Le développement d’outils spécifique qui doivent être capable d’accepter les conditions de coupe, mais aussi proposer une durée de vie qui soit économiquement rentable.
* Une attention particulière doit être porté sur l’équilibrage de l’ensemble outil-porte outil

Domaines d’application de l’UGV

L’UGV est particulièrement utilisé dans des domaines tel que l’aéronautique pour l’usinage dans la masse, la fabrication de moules pour la forge ou la fonderie.

L’usinage par abrasion consiste à enlever une partie de la matière de pièces métalliques ou autres au moyen d’outils constitués de particules coupantes agglomérées par un liant : chaque particule enlève un petit copeau quand l’une de ses arêtes se présente favorablement sur la pièce, généralement à grande vitesse ; le copeau est de très petite section, de l’ordre de 0,001 mm² ; il n’est pas tranché mais gratté.

Le nombre de copeaux coupés simultanément est très grand, de 100 à 1000.

L’usinage par abrasion utilise principalement des meules et des bandes abrasives.

Les Abrasifs

Les abrasifs utilisés sont très durs, aussi peuvent-ils attaquer même les aciers trempés invulnérables aux outils de coupe ordinaires. Ils sont naturels (grès, émeri, diamant) ou artificiels (alumine cristallisée ou carbure de silicium cristallisé).

L’agglomérant

Pour constituer une meule, les particules abrasives de grosseur déterminée doivent être liées entre elles par un agglomérant.

La répartition des particules abrasives doit être régulière, de telle manière que la meule présente la plus grande homogénéité possible. Cette condition d’homogénéité est très importante.

L’agglomérant retient chaque particule de matière abrasive qui se trouve ainsi sertie dans la matière.

L’agglomérant n’exerce aucune action abrasive, mais c’est de sa nature que dépend la résistance de la meule au travail, aux chocs et à tout effort de rupture.

L’agglomérant peut être de différentes natures : argile, céramique, caoutchouc, résines synthétiques ou laques.

Conception d’une meule

Les meules sont réalisées par moulage, généralement sous pression, à l’état humide.

Après séchage, elles sont taillées approximativement sur un tour de potier, puis placées dans des fours à haute température, afin de vitrifier les substances céramiques. Cette opération est assez longue : au moins plusieurs jours et jusqu’à 2 semaines.

Après refroidissement, les meules sont amenées à leurs cotes définitives.

 * L’usinage de pièces très dures :

La dureté de l’abrasif et son indifférence à la chaleur permettent d’usiner des pièces métalliques de n’importe quelle dureté (pièces ayant subi l’effet de trempe, outils en carbure,…)

* L’enlèvement de très faibles passes :

L’intérêt de l’usinage par abrasion

Il est possible de finir des surfaces avec précision par abrasion grâce à la finesse du copeau coupé. Les états de surface s’en trouvent améliorés. Ainsi l’abrasion conduit à la haute qualité mécanique. On peut couramment respecter sur les machines à rectifier des tolérances de 2 microns, soit 10 fois plus petites que celles observées sur les machines à outils coupants métalliques.

Le tréflage est une méthode d’usinage des matériaux.

C’est une méthode de fraisage dont l’idée est de travailler en plongée (axe Z), c’est-à-dire où la fraise s’enfonce relativement à la pièce et qui permet des gains de productivité de l’ordre de 30 à 100% dans le cas d’un enlèvement de matière important et rapide (pour une ébauche par exemple).

La fraise à tréfler (pouvant atteindre 125 mm de diamètre) est légèrement différente des fraises conventionnelles avec le sens des plaquettes inversé (donc plus élevée).

Les opérations de plongée sont plus rapides et productives que des opérations de contournage grâce à l’absence d’efforts latéraux (seul l’axe Z est sollicité), d’où des flexions et des vibrations réduites au minimum. Cette méthode allie également une productivité importante, même avec des machines de faible puissance, avec la possibilité d’usiner une plus grande section de matière pour une avance donnée et une usure plus lente de la machine. Le tréflage présente par ailleurs de meilleurs états de surface.

Enfin, le tréflage permet de réduire les coûts d’usinage.

La tribofinition intègre les techniques de polissage, ébavurage ; les ingrédients sont les médias abrasifs (céramique, porcelaine, plastique, métaux)[1], les additifs chimiques [2] et bien sûr les équipements qui génèrent les mouvements (vibrateurs, centrifugeuses…)

La tribofinition s’est inspirée de la nature où l’écoulement constant de l’eau transforme les pierres brutes en cailloux parfaitement polis.

Le processus est l’exploitation industrielle des phénomènes de friction dans un environnement chimique contrôlé.

Les pièces et les médias abrasifs sont mis en vibration dans une cuve avec ajout d’eau et d’additif chimique pour obtention de la finition demandée.

L’enlèvement de matière, le niveau de polissage et l’état de surface dépendent de la composition et de la taille des médias.

Polissage, ébavurage, rayonnage, désoxydation, lissage, dégraissage, sablage, grenaillage, nettoyage de surface, décalaminage, une avalanche d’applications pour ce procédé d’exploitation des frottements usants, appelé tribofinition.

C’est l’observation de la nature qui est à l’origine de la vibro-abrasion, l’eau et le sable transforment les cailloux en galets lisses et ronds ; c’est la même technique pour la tribofinition.

Des abrasifs, de l’eau, et un additif, le tout mis dans la cuve de travail d’un vibrateur, ébavurent et polissent les pièces.

Une nouvelle tendance visant à obtenir des états de surface très améliorés ou des temps de cycle réduits dans le cas d’ébavurage délicats ou avec des matériaux durs a fait apparaître des équipements fonctionnant non pas sur le principe vibratoire mais sur des mouvements de frottements dus à des cinématiques rotatives complexes.
Polissage ou ébavurage par centrifugeuse satellitaire : Le procédé est également fondé sur l’utilisation de médias à base de céramique, porcelaine, matières plastique ou métallique, d’additifs chimiques composés de tensio-actifs. Les dernières innovations tiennent à la particularité des mouvements appliqués aux pièces à polir, en particulier avec les « centrifugeuses satellitaires à axes obliques » qui génèrent des mouvement complexes (composition d’un mouvement centrifuge et d’un « mouvement en huit »).

Grâce à ces mouvements très complexes et à de hautes vitesses de rotation, les temps de cycle de polissage peuvent être réduits de manière sensible; mais l’intérêt le plus important tient à la possibilité d’utiliser des médias de taille très réduite pour accéder à des zones des pièces très difficiles d’accès (micromécanique, horlogerie, microélectronique…) Les centrifugeuses satellitaires sont des équipements dont les coûts de maintenance sont très réduits par rapport aux centrifugeuses à fond tournant du fait de l’absence de joint (entre la partie fixe et la partie mobile).

Ces nouvelles technologies permettent de remplacer certaine opérations d’usinage (chanfreinage, rayonnage…) par des opérations de tribofinition.

Le tournage est un procédé d’usinage par enlèvement de copeaux qui consiste à l’obtention de pièces de forme cylindrique ou/et conique à l’aide d’ outils coupants sur des machines appelées tours. La pièce à usiner est fixée dans une pince, dans un mandrin, ou entre pointes. Il est également possible de percer sur un tour, même si ce n’est pas sa fonction première.

Tour conventionnel

En tournage, le mouvement de coupe est obtenu par rotation de la pièce serrée entre les mors d’un mandrin ou dans une pince spécifique, tandis que le mouvement d’avance est obtenu par le déplacement de l’outil coupant. La combinaison de ces deux mouvements permet l’enlèvement de matière sous forme de copeaux.

Un tour permet de fabriquer principalement des pièces de révolution même si certaines machines peuvent réaliser des formes très complexes (tours de décolletage).

Ces pièces peuvent être :

* métalliques ou en plastique (tour mécanique) ;
* en bois (tour à bois) ;
* en terre (tour vertical de potier).

Les tours à bois et mécaniques conventionnels laissent aujourd’hui de plus en plus la place à des tours à commande numérique, entièrement automatisés. Ces derniers peuvent aisément réaliser des opérations complexes de type fraisage, polygonage, perçages radiaux, etc. La programmation de commande numérique est effectuée par des instructions. Dans l’industrie les ouvriers tourneurs sont souvent aussi chargés du fraisage. On les appelle alors les tourneurs-fraiseurs.

Le métier de tourneur-fraiseur connait aujourd’hui une certaine pénurie de main d’œuvre. Raison de plus pour parler de cette formation au métier de tourneur fraiseur. Cliquez-ci contre pour consulter tous les détails de cette formation pro.