thumb|Usinage sur un chantier naval. Elswick, Newcastle upon Tyne. Première Guerre mondiale
L'usinage est une famille de procédés de fabrication de pièces par enlèvement de copeaux. Le principe de l'usinage est d'enlever de la matière de façon à donner à la pièce brute la forme et les dimensions voulues, à l'aide d'une machine-outil.
Lors de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière est réalisé par la conjonction de deux mouvements relatifs entre la pièce et l'outil : le mouvement de coupe (vitesse de coupe) et le mouvement d'avance (vitesse d'avance).
Il existe deux manières de générer la surface recherchée : par travail de forme ou par travail d'enveloppe. Dans le cas du travail de forme c'est la forme de l'arête tranchante de l'outil qui conditionne la surface obtenue. Dans le cas du travail d'enveloppe, c'est la conjonction des mouvements de coupe et d'avance qui définit la surface finale.
De nos jours, des machines-outil à commande numérique (MOCN), c'est-à-dire asservies par un système informatique (FAO), permettent d'automatiser partiellement ou totalement la procédure.
But L'usinage entre dans la gamme de fabrication d'une pièce mécanique. Elle est définie par un plan portant une cotation exhaustive. Celle-ci a pour but de définir les dimensions de la pièce finie, la précision, la géométrie ainsi que l'état de surface de l'ensemble des surfaces qui constituent la pièce usinée. À chaque phase de la gamme de fabrication, le concepteur et/ou l'usineur choisissent le type d'usinage à réaliser, la machine, l'outil ainsi que le support de pièce permettant l'obtention de tous les éléments de cotation de la surface considérée. D'une manière générale, les formes des surfaces usinées peuvent être planes ou de révolution. Les principaux usinages sont le fraisage (surfaces planes) et le tournage (surfaces de révolution). Avec l'apparition de la commande numérique, il est désormais possible d'usiner une multitude de surfaces courbes. Toutefois, il convient de noter que les outils utilisés sont sensiblement les mêmes que pour les machines traditionnelles et que leurs trajectoires sont constituées de segments de droites et d'arcs de cercles.
L'usinage a un coût : temps de travail, surépaisseur de matière à enlever, usure de la machine-outil, consommables (outil, lubrifiant, courant électrique), stockage. On ne pratique donc que les usinages nécessaires.
On distingue seize fonctions principales que peut remplir la surface d'une pièce. Elles font partie de la cotation d'état de surface : surface de contact avec une autre pièce : frottement de glissement lubrifié (FG), frottement à sec (FS), frottement de roulement (FR), frottement fluide (FF), résistance au matage (RM), étanchéité dynamique avec et sans joint (ED), étanchéité statique avec et sans joint (ES), ajustement fixe avec contrainte (AC), adhérence, collage (AD) ; surface libre, indépendante : face de coupe d'un outil (OC), résistance aux efforts alternes (EA), résistance à la corrosion (RC), destinée à recevoir un revêtement, peinture ou autre (RE), destinée à recevoir un dépôt électrolytique (DE), mesure (ME), aspect (AS). Ces fonctions vont définir : les dimensions finales de la pièce avec les tolérances ; la cotation de forme et de géométrie des surfaces usinées ; l'état de surface requis (rugosité).
C'est l'ensemble de ces éléments de cotation qui va déterminer le type d'usinage à effectuer, ses paramètres, la finition nécessaire, le contrôle à effectuer.
Coupe vignette|Vitesse de coupe dans l'usinage du tour. Le principe de base de l'usinage est l'enlèvement de matière. Il est obtenu par la coupe du matériau constitutif de la pièce. La coupe s'opère par le déplacement d'un outil de coupe en interférence avec la pièce. La dimension de cette interférence est définie par l'avance en mm. Lors de la coupe, la matière en interférence avec la trajectoire de l'outil est détachée par déformation plastique du reste de la pièce et se transforme en copeaux. L'usinage requiert l'usage d'une machine-outil qui génère de façon autonome les mouvements relatifs pièce-outil en garantissant leur précision ainsi que la puissance mécanique nécessaire à la coupe.
Lors de l'usinage d'une pièce, l'enlèvement de matière est réalisé par la conjonction de deux mouvements relatifs entre la pièce et l'outil : le mouvement de coupe (vitesse de coupe) et le mouvement d'avance (vitesse d'avance). La vitesse de coupe est la vitesse de déplacement de l'arête tranchante de l'outil par rapport à la pièce. Elle est définie en m/min. Étant donné la forte puissance requise pour la coupe, l'avance qui définit la quantité de matière enlevée est limitée. Par conséquent, l'usinage peut nécessiter de nombreuses coupes successives.
Génération des surfaces
Surfaces planes, Surfaces de révolution, Surfaces spéciales, Surfaces associées.
Il existe deux manières de générer la surface recherchée : par travail de forme ou par travail d'enveloppe. Dans le cas du travail de forme c'est la forme de l'arête tranchante de l'outil qui conditionne la surface obtenue. Dans le cas du travail d'enveloppe, c'est la conjonction des mouvements de coupe et d'avance qui définit la surface finale.
Copeau
vignette|Fraiseuse a commande numérique Le copeau est la partie de matière qui se détache lors de la coupe dans un procédé d'usinage. L'état de la surface usinée dépend des conditions de coupe. Il existe une avance en dessous de laquelle il ne faut pas descendre sous peine de n'avoir aucune formation de copeau. Cette avance minimale dépend du matériau, de la vitesse et du type d'outil utilisés, et définit le copeau minimum. Si l'avance est plus faible, il n'y a plus de coupe, mais un écrouissage qui crée un échauffement préjudiciable à l'état de surface de la pièce et à l'outil.
Les procédés d'usinage produisent des copeaux et de la limaille qui, mélangés aux fluides d'usinage, forment de la boue. Une partie du matériau produit lors de la réalisation de la pièce brute ne sera pas dans la pièce usinée, il faut le collecter et le recycler. Les copeaux ont donc un coût.
Compte tenu des vitesses de « production » de copeaux avec les procédés d'usinage modernes, ceux-ci doivent être nécessairement fragmentés en petites particules afin d'en permettre une évacuation facile. Selon les matériaux « coupés » et la forme des « outils de coupe », les paramètres de coupe doivent être adaptés pour permettre une bonne fragmentation. Les fabricants d'outils fournissent aux usineurs des « courbes de fragmentation » donnant pour chacun des outils de leur catalogue les paramètres (vitesse d'avance et profondeur de passe) permettant d'obtenir cette fragmentation. Ces courbes en forme de chaussette sont spécifiques au « couple outil - matière ».
Procédés d'usinage
Les différents procédés d'usinage sont (les symboles sont ceux de la norme NFE 05-019 de 1992) : l'alésage (al) ; le brochage (br) ; le fraisage : fraisage en bout (frb), fraisage en roulant (frr) ; le décolletage ; le découpage par : tronçonnage, grugeage, encochage, grignotage, poinçonnage ; le mortaisage (mo) ; le lamage ; le chambrage ; le perçage (pc), filetage (fl), taraudage (ta) ; le rabotage (rb) ; la rectification (re) : rectification plane (rcp), rectification cylindrique (rcc) ; le planage ; le rasage ou shaving, finition d'engrenages ; le tournage (to) : dressage (dr), chariotage, repoussage, fluotournage ; l'étincelage (éi) ; procédé d'usinage par électro-érosion (éé) ; le polissage (po) ; l'électro-polissage (ep) ; la super finition (sf), le pierrage (pi), le rodage (rd), le galetage (ga) ; le sablage : sablage à sec (sas), sablage humide (sah) ; le grattage (gr) ; le meulage (me) ;
le découpage (dé) : découpage plasma, découpage jet d'eau, découpage laser ; le grenaillage : grenaillage sphérique (gns), grenaillage angulaire (gna) ; le roulage : usinage entre galets, comme le filetage à froid ; le polygonage ; le sciage, le cisaillage ; le limage ; le burinage ; le pointage ; l'usinage chimique ; l'usinage électrolytique ; l'usinage électrochimique ; l'usinage par ultrasons.
L'usinage peut être fait soit avec une machine traditionnelle soit à la machine à commande numérique (CN). Il peut être fait soit en usinage classique soit en grande vitesse (UGV). L'usinage peut être fait par plusieurs techniques dans le but d'améliorer la précision et le rendu de la pièce. De nos jours, de nombreuses entreprises proposent ces services.
Paramètres de coupe Les paramètres de coupe sont : la vitesse de coupe en mètre par minute () : caractérise la vitesse relative entre la pièce et l'outil au point de contact
l'avance par tour en millimètre par tour () : caractérise l'état de surface obtenu
Les paramètres de coupe sont choisis en fonction des caractéristiques mécaniques de la matière à usiner et de l'outil. Ils sont indépendants de la machine utilisée et des caractéristiques géométriques de la pièce et de l'outil.
Les paramètres machine sont : la fréquence de rotation de la broche en tours par minute () ; la vitesse d'avance en millimètre par minute ().
Les paramètres machines sont calculés à partir des paramètres de coupe et des caractéristiques géométriques de la pièce et de l'outil.
Les éléments de passe sont : la profondeur de passe en millimètre () ; le nombre de passes ; la longueur usinée en millimètre () ; la longueur totale usinée en millimètre ().
Un autre paramètre de coupe peut également être considéré : la lubrification. Classiquement, pour la plupart des opérations d'usinage, un fluide arrose la pièce. Ce fluide d'usinage a pour but de faciliter l'évacuation des copeaux (de la zone d'usinage et de la machine), de lubrifier l'interface outil/pièce et outil/copeau et d'assurer la stabilisation thermique de la coupe ou la dégrader(choc thermique). Cependant pour des considérations économiques et écologiques, l'utilisation de ces fluides d'usinage est remise en question. Ces dernières années les techniques d'usinage à sec ou de micro-lubrification se développent.
Mise et maintien en position
Pour être conforme aux spécifications (cahier des charges), la pièce finale doit avoir une géométrie telle que définie par le plan de la pièce, aux tolérances près, respectant la cotation fonctionnelle et les tolérances géométriques. La machine-outil doit donc être évidemment bien conçue et bien entretenue afin que les mouvements de la pièce et de l'outil soient reproductibles.
Les mouvements se font selon des axes, les « axes machine » : axe de rotation, autour duquel tourne la broche qui porte l'outil (fraiseuse) ou la pièce (tour) ; axe de translation, pour le déplacement relatif de l'outil et de la pièce (broche ou/et table d'une fraiseuse, chariot d'un tour).
Il faut donc que le brut — la pièce d'origine — soit aligné avec les axes machine avec une précision au moins égale à celle de la tolérance la plus serrée. C'est tout le problème de la mise en position (MiP) et du maintien en position (MaP). Pour éviter les défauts d'alignement, on s'attache à ce que la MiP soit isostatique.
Pour le fraisage de pièces unitaires ou en petite série, la pièce est souvent placée dans un étau. Les premières étapes sont donc l'ablocage, c'est-à-dire le serrage de l'étau sur la table, et le dégauchissage, c'est-à-dire l'alignement de l'étau sur les axes machine. La pièce peut aussi être serrée directement sur la table par l'intermédiaire de brides, il faut alors abloquer et dégauchir le brut.
Dans le cas d'usinage en grande série sur machine à commande numérique, la mise et le maintien en position sont assurés par un système de serrage hydraulique, les vérins de serrage remplaçant les brides. La pièce peut être fixée sur un support facilitant sa manutention, sa MiP et son MaP.
Pour le tournage, la pièce est serrée dans des mors solidaires de la broche.
Outils de coupe vignette|Meuleuse d’affûtage d'outil.
Composition