La plupart des produits manufacturés qui vous entourent sont le fruit de procédés d'usinage. C'est le cas depuis des siècles, les différentes étapes de ce processus ayant considérablement évolué au fil du temps.
L'usinage est un procédé de fabrication fondamental qui permet de façonner des matériaux en enlevant des quantités contrôlées de matière. Ce guide explique le fonctionnement de l'usinage, les méthodes courantes, ses applications, les outils utilisés et comment les technologies CNC modernes améliorent la précision de fabrication.
Qu'est-ce que l'usinage ?
L'usinage est un procédé de fabrication qui consiste à donner à une pièce la forme finale souhaitée en enlevant de la matière de manière contrôlée. Puisque les procédés d'usinage utilisent des machines-outils comme les centres d'usinage et fonctionnent par enlèvement de matière, ils sont souvent qualifiés de procédés de fabrication soustractifs, contrairement à la fabrication additive, qui consiste en un ajout contrôlé de matière.
Les procédés d'usinage peuvent être appliqués à une grande variété de matériaux, notamment les métaux, les plastiques, le bois, le verre, etc. Cette capacité d'adaptation à une large gamme de matériaux confère aux procédés d'usinage des applications dans de nombreux secteurs industriels.
Histoire des procédés d'usinage
L'histoire des procédés d'usinage remonte à plusieurs siècles. Au XVIIIe siècle, l'usinage désignait la réparation de machines et d'équipements par des procédés exigeants tels que la sculpture sur bois ou le travail des métaux par forgeage. Plus précisément, le terme « machinistes » existait déjà, mais pas celui d'« outils d'usinage ».
Les outils d'usinage sont apparus plus tard, au milieu du XXe siècle. Leur développement est lié à l'émergence de procédés d'usinage tels que le perçage, le tournage, l'alésage, le fraisage, le brochage, le rabotage, le sciage, le réalésage, le taraudage, etc. Ces procédés étaient initialement réalisés à l'aide d'outils manuels comme des tours simples, des perceuses, des outils de coupe ou des perceuses à colonne. Au fil des années, avec l'avènement de l'informatique et de diverses technologies, tous les procédés d'usinage ont été automatisés grâce à la commande numérique par ordinateur (CNC).
Comment fonctionne l'usinage ?
Le principe de l'usinage consiste à partir d'une pièce de matériau plus grande que la pièce finale souhaitée, puis à enlever de la matière à l'aide d'un outil de coupe précis. Dans le monde industriel moderne, les machines-outils sont pilotées par des technologies de commande numérique par ordinateur (CNC) . Il s'agit d'un processus structuré qui débute par la conception de la forme désirée, puis se poursuit par la réalisation de cette conception sur les machines-outils.
Étapes du processus d'usinage
Le processus d'usinage de tout composant suit ces étapes dans cet ordre précis :
Création de plans
Il est primordial, dans un premier temps, de se faire une idée précise de la pièce requise. Pour ce faire, on utilise des dessins techniques et des plans, sur lesquels figurent les dimensions prévues. Lors de la définition de ces dimensions, il est essentiel de tenir compte de l'usinabilité des matériaux et de leur résistance mécanique. Par exemple, une paroi doit avoir une épaisseur minimale, sous peine de voir la pièce s'effondrer dès l'usinage.
Création de modèles CAO
Une fois les plans de la pièce établis, il faut les convertir en un modèle 3D numérique. Cette opération s'effectue à l'aide d'un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). C'est le rôle d'un programmeur. Les pièces plus complexes nécessitent des logiciels de CAO plus sophistiqués.
Les modèles CAO sont convertis en programmes de fabrication assistée par ordinateur (FAO). Le programme FAO est le langage que comprend la machine à commande numérique (CNC). Les programmes CAO peuvent également détecter les problèmes de conception susceptibles d'entraîner des erreurs lors de l'usinage.
Configuration de la machine
La mise en route de la machine est effectuée par l'opérateur et consiste à ajuster l'outillage et à monter les pièces à usiner sur la machine CNC. Cette mise en route peut varier selon le type d'usinage. Elle comprend également le transfert des instructions CAO vers la machine.
Exécution du programme
Une fois la machine prête, l'opérateur exécute le programme. La machine façonne alors le programme pour obtenir la pièce finale. Plusieurs méthodes existent, selon la machine utilisée. Après exécution, la pièce finale est prête et démontée par l'opérateur. Selon les besoins, elle peut ensuite être envoyée pour des opérations d'usinage secondaires.
Applications de l'usinage
Les outils d'usinage sont utilisés dans tous les secteurs industriels pour la fabrication d'une grande variété de pièces. Voici quelques exemples d'équipements et d'applications courantes des procédés d'usinage :
Quels sont les différents types de procédés d'usinage ?
Il existe de nombreux types de procédés et d'opérations d'usinage , chacun ayant son propre objectif et sa propre conception. Voici un bref aperçu de ces différents procédés d'usinage :
Tournant
En tournage, la pièce tourne autour d'un axe central tandis que l'outil de coupe enlève de la matière. Ce procédé est utilisé pour la mise en forme symétrique d'une pièce. L'outil de coupe peut être commandé par ordinateur. Voici quelques applications du tournage :
Fraisage
Le fraisage consiste à déplacer une surface de coupe rotative contre la pièce à usiner pour créer des surfaces planes de formes variées. Ces formes peuvent aller de simples coupes droites à des surfaces angulaires et inclinées pour des applications spécifiques. De nombreux outils de fraisage permettent d'y parvenir, tels que la fraiseuse à banc fixe, la fraiseuse à colonne, la fraiseuse à portique, la fraiseuse à cadre en C, la fraiseuse à genouillère, la fraiseuse à tourelle, la fraiseuse à coulisseau, etc. Voici quelques applications des outils de fraisage :
Forage Horizontaux
Les outils de perçage sont parmi les équipements d'usinage les plus simples. Leur fonction est de se déplacer autour de la pièce et de créer des trous à l'aide de perceuses à colonne. Ces trous servent à insérer des vis, à réaliser des assemblages secondaires ou simplement à des fins esthétiques. Voici quelques applications du perçage :
Forage
Les outils d'alésage agrandissent les trous préalablement percés dans la pièce. Cette opération s'effectue soit à l'aide d'un outil de coupe à un seul point, soit avec un assortiment d'outils de ce type. L'alésage est en quelque sorte l'équivalent du tournage, la principale différence étant que l'alésage agit sur le diamètre intérieur tandis que le tournage agit sur le diamètre extérieur. Ce procédé est couramment utilisé pour la fabrication des canons d'armes à feu ou des cylindres de moteurs. Exemples d'applications de l'alésage :
Alésage
L'alésage est un procédé permettant d'élargir légèrement le diamètre d'un trou percé et d'obtenir une finition de surface interne. Ce procédé est utilisé lorsqu'un trou d'un diamètre ou d'une finition de surface très précis est requis, ce que les outils de perçage ne peuvent garantir. La méthode habituelle pour créer un trou précis par alésage consiste à percer un trou légèrement sous-dimensionné, puis à l'aléser pour l'élargir jusqu'à la largeur et la finition souhaitées. Applications de l'alésage :
Meulage
Le meulage permet d'enlever une petite quantité de matière superflue d'une pièce afin d'obtenir une finition lisse et des dimensions très précises. Ce procédé utilise une surface abrasive appelée meule comme outil de coupe. Il existe de nombreux types d'outils de meulage, manuels ou informatisés. Les outils les plus courants sont les meuleuses d'angle, les meuleuses droites et les meuleuses d'établi. Applications du meulage :
Rabotage
Le rabotage est le procédé permettant d'obtenir des surfaces planes sur une pièce, réalisé à l'aide d'une machine appelée raboteuse. Les raboteuses utilisent le mouvement relatif entre un outil de coupe à un seul point et la pièce pour effectuer l'usinage. Outre le rabotage linéaire, elles peuvent également être utilisées pour le rabotage hélicoïdal. Le rabotage trouve de nombreuses applications :
Sciage
Le sciage est l'un des plus anciens procédés d'usinage. Il utilise une lame tranchante (parfois remplacée par un fil ou une chaîne) à dents. On l'emploie principalement en menuiserie, mais aussi en métallurgie et en taille de pierre. Voici quelques exemples d'utilisation du sciage :
brocher
En brochage, l'enlèvement de matière indésirable s'effectue à l'aide d'un outil de coupe denté, appelé « broche ». Le brochage peut être réalisé de deux manières : linéaire et rotative, la méthode linéaire étant la plus courante. Ce procédé est idéal pour l'usinage de précision de formes complexes. Voici quelques applications courantes du brochage :
Techniques d'usinage par brûlage
Le procédé d'usinage par combustion utilise une température élevée pour enlever de la matière, contrairement aux techniques d'usinage conventionnelles qui emploient un outil de coupe tranchant. Concrètement, la matière enlevée fond sous l'effet de la chaleur produite par les outils de combustion. Le processus de fusion dépend du type de technique de combustion utilisé. Il existe trois méthodes courantes d'usinage par combustion :
Découpe laser
En découpe laser, l'enlèvement de matière s'effectue grâce à un faisceau lumineux très focalisé. Cette technique permet de découper des matériaux de toutes formes. Elle fonctionne aussi bien sur les métaux que sur les non-métaux. C'est l'une des méthodes de découpe les plus précises. Voici quelques applications de la découpe laser :
Découpe plasma
La découpe plasma utilise un jet de gaz ionisé pour fondre et enlever de la matière. Ce procédé nécessite que la pièce à usiner soit conductrice d'électricité ; il ne fonctionne donc que pour les métaux et les alliages conducteurs. Voici quelques applications de la découpe plasma :
Découpe oxyacétylénique
Le découpage oxyacétylénique, également appelé découpage au gaz, est une méthode de découpe très ancienne qui utilise un mélange d'oxygène et d'un gaz combustible (acétylène, gaz naturel, propane ou propylène) pour enlever de la matière par fusion. Moins précis que le découpage laser ou plasma, il offre néanmoins un équipement très portable. Ce procédé trouve de nombreuses applications :
Techniques d'usinage par érosion
Les techniques d'usinage par érosion enlèvent de la matière en la transformant en particules qui sont ensuite arrachées par le procédé d'usinage. Comme pour les techniques d'usinage par combustion, il existe plusieurs façons de réaliser un usinage par érosion :
Découpe au jet d'eau
La découpe au jet d'eau est une méthode très répandue qui utilise la force brute de l'eau à haute pression pour réaliser la découpe. Elle est compatible avec tous types de matériaux, tels que les métaux, le bois, la pierre, la céramique, le plastique, le papier, le caoutchouc, etc. Les formes obtenues peuvent être complexes et détaillées, selon le nombre d'axes de la machine. Voici quelques applications de ce procédé :
Découpe électroérosion
L'usinage par électroérosion (EDM) est également connu sous les noms d'usinage par étincelage, usinage par étincelage, usinage par jet d'étincelles, usinage par électroérosion à fil ou enfonçage. Ce procédé est utilisé dans l'industrie de la fabrication métallique car il ne fonctionne qu'avec des matériaux conducteurs. L'enlèvement de matière se fait par des étincelles rapides (décharges dues à un arc électrique) générées par une haute tension. Voici quelques exemples d'applications :
Usinage CNC
L'usinage CNC n'est pas une méthode d'usinage à proprement parler, mais une technologie appliquée à d'autres méthodes. CNC signifie « Commande Numérique par Calculateur » et permet le pilotage automatisé d'une machine. Bien qu'elle nécessite un investissement initial important et un opérateur qualifié, elle permet de réaliser des économies de main-d'œuvre et de temps. Elle est utilisée dans toutes les industries modernes en raison des cadences de production élevées qu'elle requiert.
Precision Machining
L'usinage de précision est une application avancée de l'usinage CNC permettant de fabriquer des pièces avec une grande exactitude. Il utilise les différentes méthodes d'usinage mentionnées précédemment, en respectant les normes de qualité les plus strictes pour les outils de coupe, l'outillage et les autres composants. Il est généralement requis dans les secteurs exigeant une grande précision à l'échelle micro ou nanométrique, comme l'électronique, l'aérospatiale, la défense, le médical et d'autres industries similaires.
Quels sont les différents outils d'usinage ?
Les outils d'usinage utilisés dans un processus dépendent de la méthode d'usinage employée. Voici quelques exemples d'outils d'usinage courants :
Outils de tournage
Il existe de nombreux types différents d'outils de tournage, tels que :
Outils de fraisage
Les différents outils utilisés dans les opérations de fraisage sont :
Outils de meulage
Il existe de nombreux types différents d'outils de meulage, tels que :
Outils de perçage
Il existe de nombreux types d'outils de forage différents, tels que :
Chaque perceuse offre la possibilité d'utiliser différents embouts selon les besoins. Voici quelques exemples d'embouts courants :
Outils d'alésage
Bien que le perçage soit une tâche simple, il peut être personnalisé à l'aide de plusieurs outils. Voici quelques outils de perçage courants :
Quels sont les avantages de l'usinage ?
Les techniques d'usinage sont utilisées depuis si longtemps en raison des nombreux avantages qu'elles offrent par rapport à tout autre procédé de fabrication, comme la fabrication additive. Voici quelques-uns de ces avantages :
- Processus polyvalent : L'usinage est un procédé extrêmement polyvalent quant au nombre de matériaux qu'il peut traiter. Alors que les méthodes de fabrication additive s'appliquent généralement aux plastiques, l'usinage ne se limite pas à ce seul matériau. Il peut être utilisé aussi bien sur les métaux que sur les non-métaux, comme nous le verrons dans la section suivante consacrée aux applications de l'usinage aux différents matériaux.
- Précision: L'usinage CNC offre une précision inégalée. Il est facile à réaliser. tolérances d'usinage de l'ordre de 0.001 pouce. Des tolérances encore plus faibles sont possibles grâce à l'utilisation d'outils spéciaux d'usinage de précision.
- Finition de surface: Les opérations d'usinage offrent de multiples options en matière de finition de surface. De plus, le processus d'usinage est très régulier, ce qui peut éliminer le besoin d'étapes de finition secondaires ultérieures, permettant ainsi des gains de temps et de coûts.
- Usinage haute densité : Dans de nombreuses situations, notamment dans les secteurs de l'aérospatiale et de la défense, il est nécessaire de fabriquer des pièces à partir des matériaux les plus résistants qui soient. Ces matériaux sont difficiles à façonner par d'autres méthodes de fabrication. En revanche, l'usinage permet de travailler facilement ces matériaux haute densité.
- Économie de main-d'œuvre : De nos jours, le processus de fabrication par usinage est automatisé et contrôlé par ordinateur. La manipulation manuelle des outils n'est plus nécessaire. Cela permet de réaliser d'importantes économies de main-d'œuvre et de réaffecter les ressources humaines à des tâches intellectuelles prioritaires.
- Taux de production: L'usinage permet d'atteindre une cadence de production élevée, adaptée à la production en série. Cette cadence est ajustable et il est possible de réaliser des quantités inférieures pour des applications telles que le prototypage ou la fabrication d'outillage.
- Cohérence: Les opérations d'usinage présentent une répétabilité et une constance élevées. Ceci s'explique par le fait que les outils sont contrôlés par ordinateur, garantissant ainsi des mouvements et un fonctionnement identiques, sans risque d'erreur humaine. C'est un atout majeur pour la production de masse, où les clients exigent des produits homogènes.
- Bénéfices plus élevés : Grâce à une production exponentiellement plus rapide et à des coûts de main-d'œuvre réduits, les fabricants peuvent dégager des bénéfices plus importants du processus de fabrication. Les opérations d'usinage nécessitent également moins d'infrastructures, ce qui entraîne une diminution des dépenses.
Quels sont les inconvénients de l'usinage ?
Bien que l'usinage soit le pilier central de la fabrication moderne, ce procédé peut présenter certains inconvénients, tels que :
- Limitation de la surface usinable : Le nombre de surfaces usinables sur une pièce est limité. La zone située sous les brides et la face en contact avec la table de travail sont souvent inaccessibles à l'outil de coupe rotatif. Pour usiner ces surfaces, l'opérateur doit démonter la pièce, changer son orientation, puis la remonter.
- Compétence de l'opérateur : Bien que la main-d'œuvre dans l'usinage soit fortement réduite, l'accent est davantage mis sur les compétences de l'opérateur. Un opérateur non qualifié peut entraîner une production de mauvaise qualité, endommager la pièce ou même la machine. De plus, l'usinage de produits complexes requiert également une équipe de programmation compétente.
- Coût initial: Le coût initial des équipements d'usinage industriel peut être très élevé. Les fraiseuses multiaxes sont idéales pour la production rapide de pièces complexes, mais leur prix élevé dissuade les fabricants de les acquérir.
Ces inconvénients liés à l'usinage peuvent être facilement évités en externalisant les besoins d'usinage auprès d'un fabricant tiers. 3ERP est la solution idéale à cet égard, grâce à son équipement de pointe et à son équipe hautement qualifiée.
Quels matériaux peuvent être usinés ?
Il n'y a pas de limite quant aux matériaux pouvant être usinés . Voici quelques exemples courants :
Aluminium
La légèreté et la haute résistance de l'aluminium en font un matériau de choix pour de nombreux fabricants. C'est pourquoi il figure parmi les matériaux d'usinage les plus courants. L'usinage est possible sur toutes les nuances d'aluminium, telles que les aluminiums 6061, 7075, 6082, 5083, etc.
Acier
L'acier, alliage de fer et de carbone, est un matériau très polyvalent et robuste. Il existe de nombreuses variétés d'acier, obtenues en modifiant la teneur en carbone de sa composition. Toutes ces variétés d'acier sont usinables. Parmi les exemples courants, on peut citer l'acier inoxydable, l'acier au carbone et l'acier doux.
Laiton
Bien que le laiton soit un matériau coûteux, il est très souvent usiné. L'usinage du laiton est notamment utilisé dans la création d'œuvres d'art et la sculpture.
Titane
Le titane est l'un des métaux les plus durs qui soient. L'usinage de pièces en titane est effectué lorsque les exigences requièrent les caractéristiques de haute résistance et de densité de ce matériau.
Le bois
Les ateliers d'usinage du bois existent depuis longtemps. L'usinage du bois est couramment utilisé pour la fabrication de meubles, la sculpture et bien d'autres applications.
Les matières plastiques
Les matières plastiques constituent une vaste catégorie. Toutes les variétés de plastiques, y compris les thermoplastiques et les thermodurcissables, peuvent être usinées. L'usinage des plastiques offre une précision supérieure à celle d'autres méthodes telles que le moulage par injection ou l'impression 3D.
Terminologie d'usinage
Compte tenu de la technicité de l'usinage, les professionnels du secteur doivent maîtriser la terminologie employée en atelier . Il existe de nombreux types d'usinage, ce qui explique le grand nombre de termes utilisés. Voici quelques exemples :
- Adaptateur : Permet d'adapter un outil d'une taille particulière à une machine de dimensions différentes.
- Tolérance : Utilisée pour indiquer la différence entre les mesures de deux pièces s'assemblant
- Tablier : La partie d'une machine (généralement un tour) qui contient et protège les engrenages, les embrayages et autres composants.
- Axe : Ligne imaginaire passant par le centre d’un objet et autour de laquelle il peut tourner. Utilisé pour désigner la capacité d’une machine CNC (comme une fraiseuse 5 axes).
- Roulements : Utilisés entre les pièces mobiles pour réduire fortement le frottement
- Outil/Fraise : Pièce en titane ou en acier trempé utilisée pour générer l'action de coupe
- Bavures : Arêtes et angles vifs sur la pièce finale après usinage
- Chanfrein : Surface incurvée taillée sur les bords ou les coins d'une pièce.
- Liquide de refroidissement : Liquide introduit dans une machine CNC pour réduire l’accumulation de chaleur et améliorer l’usinabilité.
- Tête de poupée fixe : extrémité fixe d'une machine CNC
- Préparation : Tâches effectuées avant le démarrage de l'usinage, telles que le réglage des paramètres et le montage de la pièce à usiner.
- Stock : Matériaux utilisés pour fabriquer la pièce finale
Quel est le coût moyen de l'usinage ?
Le coût des machines-outils varie considérablement. Le prix d'une machine peut aller de quelques milliers de dollars à plus de 500 000 $. Le coût horaire dépend du type de machine : par exemple, une machine à 3 axes coûte environ 40 $ de l'heure, tandis qu'une machine multiaxes peut coûter jusqu'à 120 $ de l'heure.
Compétences requises pour l'usinage de haute qualité
Un projet d'usinage de haute qualité peut nécessiter des compétences telles que :
Questions fréquemment posées
La difficulté d'usinage dépend de la complexité de la pièce à fabriquer et du savoir-faire de l'équipe. Une équipe très qualifiée peut usiner une pièce complexe sans difficulté, tandis qu'une équipe moins qualifiée pourrait avoir du mal à usiner même des pièces simples.
Le perçage et la rectification comptent parmi les procédés d'usinage les plus courants, utilisés dans presque tous les secteurs industriels et associés à tous les autres procédés d'usinage.
La fabrication est un vaste domaine qui englobe les procédés additifs et soustractifs. Cependant, l'usinage ne comprend que les procédés de fabrication soustractifs.
Démarrez votre projet CNC aujourd'hui
3ERP est une entreprise spécialisée dans l'usinage et le prototypage CNC de précision. Nos capacités incluent le fraisage, le tournage, l'électroérosion à fil, l'usinage de l'aluminium et bien plus encore. Grâce à l'expertise de nos spécialistes et à nos machines CNC 3, 4 et 5 axes, nous atteignons des niveaux exceptionnels de précision, de qualité et de complexité, même pour les applications les plus complexes et critiques. Forts de nombreuses années d'expérience, nous possédons le savoir-faire nécessaire pour fournir des services d'usinage de précision complets, conformes aux exigences de nombreux secteurs industriels.
Pour en savoir plus sur la façon dont nos services de prototypage rapide et d'usinage CNC peuvent être bénéfiques à votre prochain projet, veuillez nous contacter ou demander un devis dès aujourd'hui.
